楊 銳，邢 影，鄭 偉，馮建東

（北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176）

工藝設(shè)計(jì)對(duì)煤化工控制閥選型的影響

楊 銳，邢 影，鄭 偉，馮建東

（北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176）

控制閥是控制系統(tǒng)全部自動(dòng)化中最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)組織，其質(zhì)量的優(yōu)劣將直接顯現(xiàn)在整個(gè)系統(tǒng)的操作質(zhì)量上。伴隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，控制閥這一重要組件將被應(yīng)用到生產(chǎn)過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，其質(zhì)量好壞也就直接影響生產(chǎn)效益的高低。所以，選擇一個(gè)高品質(zhì)、高效率控制閥是管控好整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵。本文從工藝設(shè)計(jì)的角度，介紹了控制閥選型的基本原則，分析了化工行業(yè)控制閥應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述了工藝設(shè)計(jì)對(duì)控制閥的影響。

煤化工控制閥；工藝設(shè)計(jì)；選型

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.006

控制閥是控制系統(tǒng)全部自動(dòng)化中最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)組織，其質(zhì)量的優(yōu)劣效果將直接顯現(xiàn)在整個(gè)系統(tǒng)的操作質(zhì)量上，作為過(guò)程控制中的執(zhí)行操作組件，人們對(duì)其重要性的認(rèn)識(shí)跟過(guò)去相比有了較大提升?？刂崎y應(yīng)用質(zhì)量的優(yōu)劣，除產(chǎn)品自身質(zhì)量、使用、維護(hù)外，正確地計(jì)算、選型十分重要。由于控制閥計(jì)算選型的失誤，造成系統(tǒng)開(kāi)開(kāi)停停，有的甚至無(wú)法投用，所以從最基礎(chǔ)的工藝設(shè)計(jì)上，筆者就優(yōu)化控制閥選型的幾項(xiàng)重要因素進(jìn)行分析。

1　控制閥選型的基本原則

控制閥選型的基本原則包括以下幾個(gè)：①結(jié)合工藝設(shè)計(jì)的要求，確定適宜的組件形式和材料品種；②結(jié)合工藝控制的特性，確定控制閥的流量特性；③結(jié)合工藝工作的數(shù)據(jù)，確定適宜的控制閥口徑大?。虎芙Y(jié)合工藝設(shè)計(jì)過(guò)程的特點(diǎn)，確定其必備的配件裝置；⑤選擇正確的執(zhí)行組件，組件相應(yīng)參數(shù)需滿(mǎn)足工藝要求。

在實(shí)際的操作過(guò)程中應(yīng)該主要注重以下幾個(gè)方面影響條件：①閥芯特性組織：特別要參照所確定的流量特點(diǎn)和不平衡力等條件選擇；②抗磨性：當(dāng)流體介質(zhì)是含有高濃度磨損性顆粒的懸浮液時(shí)，閥門(mén)的內(nèi)部材料要具備一定的硬度；③耐腐蝕性：因?yàn)榻橘|(zhì)具有腐蝕性，最大可能地選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的閥門(mén)，注意閥內(nèi)件材質(zhì)的耐腐蝕性；④介質(zhì)的溫度、壓力：當(dāng)介質(zhì)的溫度、壓力高且變化大時(shí)，應(yīng)選用閥芯和閥座的材料受溫度、壓力變化影響小的閥門(mén)；⑤防止閃蒸和氣蝕：閃蒸和氣蝕只產(chǎn)生在液體介質(zhì)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，閃蒸和氣蝕會(huì)形成振動(dòng)和噪聲，縮短閥門(mén)的使用壽命，因此在確定閥門(mén)時(shí)應(yīng)盡量減少閥門(mén)產(chǎn)生閃蒸和氣蝕。

被挑選的執(zhí)行組件必須符合控制閥運(yùn)行過(guò)程和工藝對(duì)泄漏量等級(jí)的要求。一般情況下，要是選擇了壓力控制閥，就需結(jié)合實(shí)際可能存在的壓差來(lái)適當(dāng)調(diào)整增大，也就是說(shuō)需要執(zhí)行組件必須供給足夠大的作用力。否則，就會(huì)在工藝設(shè)計(jì)上出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，控制閥兩方的實(shí)際壓差差距太大，造成關(guān)不上或者啟動(dòng)不了的嚴(yán)重后果。

2　常見(jiàn)控制閥類(lèi)型

煤化工生產(chǎn)工藝中，控制閥常見(jiàn)的閥型為角閥、Globe閥及偏心旋轉(zhuǎn)閥，按照工藝設(shè)計(jì)的不同，各控制閥優(yōu)劣不同。

2.1偏心旋轉(zhuǎn)閥

偏心旋轉(zhuǎn)閥因流通能力強(qiáng)、可調(diào)比大、流道簡(jiǎn)單、防堵能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此常用于水回收系統(tǒng)的灰水或黑水控制上。結(jié)合灰水顆粒成分及壓差，通過(guò)現(xiàn)代計(jì)算流體軟件（CFD）的模擬分析，設(shè)計(jì)了低流阻、耐沖刷球芯型面及適應(yīng)小開(kāi)度調(diào)節(jié)的型腔及球芯型面。閥芯閥座可以采用堆焊特殊硬質(zhì)粉末合金、超音速火焰噴涂技術(shù)，也可選用燒結(jié)WC技術(shù)，大大提高閥內(nèi)件及閥體的耐沖刷能力，完全能夠適應(yīng)更加廣泛而苛刻的使用條件。

偏心旋轉(zhuǎn)閥包含鍛件閥體結(jié)構(gòu)、鑄件閥體結(jié)構(gòu)兩類(lèi)，并具備法蘭式及對(duì)夾式兩種形式，可實(shí)現(xiàn)60°轉(zhuǎn)角至90°轉(zhuǎn)角。鍛件閥體可很好地進(jìn)行超音速?lài)娡俊⒌入x子堆焊等工藝操作，硬化層與基體材料結(jié)合力強(qiáng)，適用于固體含量大的場(chǎng)合，鑄件閥體易于成型，適宜固體顆粒小、含量少、壓差低的灰水工況。閥芯、閥座可采用堆焊鎳基合金、噴涂碳化鎢、整體實(shí)體碳化鎢等工藝方式。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)CFD流體分析軟件進(jìn)行了不同開(kāi)度下流體參數(shù)分析，可有效避免薄弱環(huán)節(jié)受到?jīng)_刷。

2.2角閥

黑水角閥主要用于高壓差、強(qiáng)沖刷、強(qiáng)腐蝕、介質(zhì)中含有固體顆粒和有閃蒸工況的流量及壓力控制。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于煤化工行業(yè)黑水介質(zhì)的壓力及流量調(diào)節(jié)。同一般的控制閥相比，要求黑水角閥更耐沖刷，適用于高壓差，并且便于維修。

閥體采用流體介質(zhì)自隔離的平衡式自循環(huán)處理結(jié)構(gòu)，避免大量煤粉顆粒進(jìn)入閥門(mén)閥桿與填料部分，有效地解決了因磨損而產(chǎn)生的閥門(mén)外漏。內(nèi)腔光滑的流線(xiàn)型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，有效避免了顆粒介質(zhì)對(duì)閥體內(nèi)壁的沖擊。

目前國(guó)內(nèi)外的黑水角閥大都采用整體碳化鎢材質(zhì)的閥芯閥座，通過(guò)合適的選型計(jì)算，先進(jìn)的流道設(shè)計(jì)模擬，閥芯閥座連接結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，適當(dāng)?shù)膬?nèi)件材質(zhì)使用和硬化處理手段，可以大大提高閥門(mén)使用壽命，是高壓差、高含固量介質(zhì)的首選控制閥。

2.3G lobe閥

Globe閥在煤化工行業(yè)中一般指的是直行程的單座閥或者套筒閥。其閥芯與閥座的不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)廣泛的位置應(yīng)用，通過(guò)套筒的加入，進(jìn)一步提升閥門(mén)的防振動(dòng)、降噪聲能力，令其應(yīng)用在更高的壓差工況。

當(dāng)介質(zhì)由閥瓣下方進(jìn)入閥門(mén)時(shí)，操作力所需要克服的阻力是閥桿和填料的摩擦力與由介質(zhì)的壓力所產(chǎn)生的推力，關(guān)閥門(mén)的力比開(kāi)閥門(mén)的力大，所以閥桿的直徑要大，否則會(huì)發(fā)生閥桿頂彎的故障。在設(shè)計(jì)出自密封式的控制閥門(mén)以后，閥門(mén)的介質(zhì)流向就改由閥瓣上方進(jìn)入閥腔，由于介質(zhì)壓力的作用，就會(huì)造成關(guān)閉閥門(mén)的時(shí)候用力小，啟動(dòng)閥門(mén)時(shí)作用大的情況，操作閥桿就會(huì)相應(yīng)地減小徑圍。同時(shí)，受介質(zhì)的影響，此種控制閥就會(huì)相對(duì)嚴(yán)密。

Globe控制閥適用范圍廣闊，閥內(nèi)件多采用堆焊鎳基合金、超音速?lài)娡刻蓟u等硬化措施提高其使用壽命。

3　化工行業(yè)控制閥應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）煤化工專(zhuān)用閥門(mén)應(yīng)用場(chǎng)合包括以下幾類(lèi)：①煤漿（粉）輸送，包括水煤漿（間接液化）、油煤漿（直接液化）等；②吹灰系統(tǒng)；③廢水處理系統(tǒng)；④排渣系統(tǒng)。

（2）煤化工行業(yè)閥門(mén)控制介質(zhì)特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：①介質(zhì)溫度高，輸送溫度最高可達(dá)350℃；②氣液固三相流體工況復(fù)雜；③工作壓力高，壓差可達(dá)10MPa以上，導(dǎo)致介質(zhì)流速高；④介質(zhì)中含有氯離子、氨、鉀鹽、硫化氫或磷酸等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)。

（3）煤化工行業(yè)用閥現(xiàn)狀有以下兩種情況：①煤化工裝置關(guān)鍵閥門(mén)基本依靠進(jìn)口，由于進(jìn)口閥門(mén)價(jià)格昂貴，使用壽命短，導(dǎo)致頻繁停車(chē)，再加上制造廠(chǎng)遠(yuǎn)離中國(guó)，售后服務(wù)不及時(shí)，成為煤化工裝置正常運(yùn)行的“瓶頸”，近年隨著國(guó)內(nèi)閥門(mén)廠(chǎng)家的技術(shù)提升以及大量的使用業(yè)績(jī)?cè)黾?，煤化工控制閥的國(guó)產(chǎn)化比例也在不斷提高；②以現(xiàn)在的煤化工裝置為例，每運(yùn)行3～6個(gè)月，就需停車(chē)檢修。關(guān)鍵控制閥沖刷、腐蝕嚴(yán)重，不能長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，是制約裝置正常運(yùn)行的瓶頸設(shè)備。

4　工藝設(shè)計(jì)對(duì)控制閥影響

4.1影響選型的設(shè)計(jì)工藝

（1）相對(duì)于傳統(tǒng)的表面涂層工藝，優(yōu)先考慮高參數(shù)控制閥的閥體及內(nèi)件，采用耐腐蝕基材配以更先進(jìn)的表面硬化措施，使控制閥過(guò)流部件具有更優(yōu)的基體結(jié)合力和耐磨性。

（2）通過(guò)建立計(jì)算流體動(dòng)力的數(shù)學(xué)模型，為高參數(shù)控制閥奠定理論研究基礎(chǔ)。

（3）利用專(zhuān)用CFD流體分析軟件分別針對(duì)煤化工高溫、高壓差、含固體顆粒工況介質(zhì)對(duì)閥門(mén)沖蝕的影響因素，提出高參數(shù)控制閥耐沖蝕結(jié)構(gòu)工藝的設(shè)計(jì)方法。

4.2工藝參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)形式和材料確定的影響

結(jié)合閥體的結(jié)構(gòu)形式和工藝管道的布置情況，合理選擇Globe閥、角閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥。確定控制閥之前，要對(duì)控制過(guò)程的介質(zhì)、工藝條件和參數(shù)進(jìn)行細(xì)心的分析，收集足夠的數(shù)據(jù)，了解系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)閥的要求。可以從以下幾個(gè)方面考慮。

（1）閥芯的形狀結(jié)構(gòu)主要結(jié)合所確定的流量特性和不平衡力等因素考慮。

（2）耐磨損性。當(dāng)流體介質(zhì)是含有高濃度磨損性顆粒的懸浮液時(shí)，閥芯、閥座接合面每一次關(guān)閉都會(huì)受到嚴(yán)重摩擦。因此閥門(mén)流道及內(nèi)部材料要光滑。

（3）耐腐蝕。由于介質(zhì)具有腐蝕性，在能滿(mǎn)足調(diào)節(jié)功能的情況下，應(yīng)盡量確定簡(jiǎn)單的閥門(mén)。

（4）介質(zhì)的溫度、壓力。當(dāng)介質(zhì)的溫度、壓力高且變化大時(shí)，應(yīng)選用閥芯和閥座所用材料受溫度、壓力變化影響小的閥門(mén)。

（5）減少閃蒸和氣蝕。閃蒸和氣蝕不僅影響流量系數(shù)的計(jì)算，還會(huì)形成振動(dòng)和噪聲，使閥門(mén)的使用壽命變短。如在振動(dòng)和噪聲較大的場(chǎng)合選用套筒閥合適，而介質(zhì)有黏性或帶有微小顆粒時(shí)，則選用偏心旋轉(zhuǎn)閥較合適。

4.3確定控制閥的流量特性

控制閥的流量性質(zhì)也就是常說(shuō)的介質(zhì)通過(guò)控制閥的相對(duì)量與位移變化的關(guān)系特性，實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的流量特性常有拋物線(xiàn)型、對(duì)數(shù)型、快開(kāi)、直線(xiàn)型等4種，實(shí)際中經(jīng)常用到的就是對(duì)數(shù)、直線(xiàn)、拋物線(xiàn)型3種。拋物線(xiàn)型存在于直線(xiàn)和對(duì)數(shù)之間，經(jīng)常用對(duì)數(shù)來(lái)代替，而快開(kāi)特性主要用于二位調(diào)節(jié)及程序控制中，所以經(jīng)常說(shuō)，控制閥特性的確定也就是直線(xiàn)和對(duì)數(shù)流量特性的確定。

5　結(jié)語(yǔ)

控制閥的選型是一項(xiàng)比較細(xì)致的任務(wù)，不單單要求擁有扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，還需要擁有較深厚的工藝設(shè)計(jì)知識(shí)，依據(jù)工藝設(shè)計(jì)要求確定合適、高效的控制閥，往往事半功倍。選擇一個(gè)好的控制閥不單有助于控制回路PID參數(shù)的整定，從而更加有效地控制被調(diào)參數(shù)，同時(shí)也會(huì)提高控制閥的使用壽命?？刂崎y的確定要因地、因時(shí)制宜，也不是確定不變的，要求人們?cè)趯?shí)踐的過(guò)程中結(jié)合工藝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不斷總結(jié)和創(chuàng)新，結(jié)合機(jī)電一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)和數(shù)字信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用水平，控制閥的結(jié)構(gòu)功能就會(huì)變得更好、更全面，為確定控制閥提供極大的方便。

［1］王懷義.石油化工管道安裝設(shè)計(jì)便查手冊(cè)（第二版）［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2007.

［2］中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）下冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［3］張德姜，趙勇.石油化工工藝管道設(shè)計(jì)與安裝［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2001.

［4］張德姜，王懷義，劉紹葉，等.石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2013.

Influence of the Process Design on Type Selection of Control Valve in Coal Chem ical Industry

YANG Rui，XING Ying，ZHENGWei，F(xiàn)ENG Jian-dong
（Beijing Aerospace Petrochemical Technology and Equipment Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100176 China）

Control valve is themost important implementing organization in the entire automation of the control system，the quality ofwhich will be directly shown in the quality of the whole system operation.With the improvement of the level of industrial automation，control valve，as an important component，will be applied to each link of the production process.Itsquality has direct impacton the production efficiency.Therefore，the selection of a high quality，high efficiency control valve is the key to controlling the entire production process.This paper，from the perspective of process design，introduces the basic principles of control valve selection，analyzes the application status of control valve in chemical industry and expounds the influence of process design on control valve.

coal chemical control valve；process design；type selection

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.006

TQ055.81

B

1004-8901（2016）04-0020-003

2016-05-03

楊銳（1982年-），男，黑龍江哈爾濱人，2008年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)流體機(jī)械及工程專(zhuān)業(yè)，碩士研究生，工程師，現(xiàn)主要從事閥門(mén)銷(xiāo)售等工作。