旋轉(zhuǎn)閥在煉油化工裝置中的應用

旋轉(zhuǎn)閥在煉油化工裝置中的應用

趙全慶

( 中國石油天然氣股分有限公司 錦西石化分公司機動處 , 遼寧   錦西   125001)
    摘要 : 分析了旋轉(zhuǎn)閥在可調(diào)范圍、嚴密切斷、流通能力、 抗氣蝕 、無外泄漏等方面的特點，指出了旋轉(zhuǎn)閥在煉油化工裝置中草藥的應用趨勢。旋轉(zhuǎn)閥的使用有助于提高大型煉油化工裝置長周期生產(chǎn)運行的經(jīng)濟性。
    關鍵詞：旋轉(zhuǎn)閥；可調(diào)范圍；嚴密切斷；流通能力； 抗氣蝕
中圖分類號： TH862.7    文獻標識碼： B   文章編號： 1007-7324 （ 2001 ） 02-0049-03
       控制閥作為執(zhí)行元件在流程工業(yè)的生產(chǎn)過程中始終扮演著非常重要的角色，控制閥的性能直接影響到產(chǎn)品的產(chǎn)量及合格率，甚至正常生產(chǎn)。隨著工藝技術(shù)及控制技術(shù)的發(fā)展，煉油化工裝置的規(guī)模日益大型化，處理量日益增大，從而使得即使閥門性能提高的百分比很小，也能獲得很大的收益�；谶@種情況，大型煉油化工裝置對控制閥的要求愈來愈高，加上旋轉(zhuǎn)閥自身的優(yōu)點，使得旋轉(zhuǎn)閥比傳統(tǒng)的閥門獲得了越來越廣泛的應用。
1   旋轉(zhuǎn)閥的特點
       閥通常分為直行程式和旋轉(zhuǎn)式兩大類。直行程閥通過一個直線運動的部件如閘板來允許或切斷物流。直行程 式閥有截止閥 、閘閥、隔膜閥等。旋轉(zhuǎn)式 閥通過一個轉(zhuǎn)動的部件允許或切斷物流。旋轉(zhuǎn)部件能轉(zhuǎn)動 90 º 的旋轉(zhuǎn)閥叫1/4旋轉(zhuǎn)閥。有時候1/4旋轉(zhuǎn)閥的分類可以擴大到轉(zhuǎn)角小于270º的旋轉(zhuǎn)閥。旋轉(zhuǎn)閥一般具有如下的特點。
1.1   可調(diào)范圍寬
       在流程工業(yè)中可調(diào)范圍是最關鍵的，旋轉(zhuǎn)閥的可調(diào)范圍大給為150:1（VALTEK球閥的可調(diào)范圍可達到300:1，蝶閥和凸輪撓曲閥的可調(diào)范圍為400:1）。對應的截止閥的可調(diào)范圍為30:1，也就是說旋轉(zhuǎn) 閥可以 提供截止閥5倍寬的可調(diào)范圍。例如最大流量是1000L/min，截止型閥能夠有效地將流量減少到30 L/min，而旋轉(zhuǎn)閥可以將流量調(diào)整到低于10 L/min，對關鍵的閥控制流量越精確，在流程中重復性越好，這直接地降低了流程工業(yè)中產(chǎn)品的不合格率。
       偏心旋轉(zhuǎn)閥的兩個特點提高了它的可調(diào)范圍，第一是其孔板式的設計，偏心是一個有效的1/4的圓，偏心閥芯的V形的，而傳統(tǒng)的閥芯的圓形的，當偏心旋轉(zhuǎn)閥關的時候，小的V形使得在低流量時形成非常精確的控制，對大流量，它將閥門打開到幾乎與管道直徑相同。第二是執(zhí)行機器的行程旋轉(zhuǎn)閥的執(zhí)行機構(gòu)有帶一定行程的膜法和氣缸兩種，1"（1"=25.4）截止閥的行程大約是3/4"-7/8"，而旋轉(zhuǎn)閥的行程超過2"。對任何其他尺寸的閥門，輸入端的行程越大，則在工作端的控制越好。
       高可調(diào)比控制閥提供按配方要求的精確配比，而不論各流路流量的大小，傳統(tǒng)美德的線性或調(diào)節(jié)閥不再適應這樣的任務，旋轉(zhuǎn)閥在提高裝置性能的同時降低控制閥在工廠生命運行周期中的成本。
    可調(diào)范圍寬的旋轉(zhuǎn)閥允許用戶提高嚴密切斷的標準，從而提高成本/效益指標。金屬閥座加上用特殊材料制成的襯里能夠延長閥門的使用壽命，提高閥門的性能。簡單的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設計，可以使維護工作量減到最少，降低生產(chǎn)成本。
1 .2    嚴密切斷
       直行程閥 的軸是閥桿 進出閥體，每個周期都帶出產(chǎn)品，對于直行程設計避免泄漏是困難的，它能將不希望的產(chǎn)品帶入到生產(chǎn)系統(tǒng)中，并能產(chǎn)生較大的工廠揮發(fā)性的外泄漏。旋轉(zhuǎn)含辛茹苦的旋轉(zhuǎn)設計本質(zhì)上不存在這個問題，因為這種閥采用了低滯后，高推力的氣缸式執(zhí)行機構(gòu)，可提供比其他形式的執(zhí)行機構(gòu)更精確更高的穩(wěn)定性，有能夠提供長期嚴密切斷的金屬閥座。
1 .3   流通能力大尺寸小
       直行程的流通能力是管道流通能力的分數(shù)，提高流通能力的方法是提高直行程閥的尺寸，通�？赡鼙裙艿肋�大。旋轉(zhuǎn)閥的容量大約是相同尺寸直行程閥的2~3倍，旋轉(zhuǎn)閥能夠 用于提高摻合量而不改變進料管線的大小，可以極大地降低成本，基于這個原因，部分旋轉(zhuǎn)閥已經(jīng)設計成可代替截止閥的法蘭連接形式，并配有連接螺栓，這類閥甚至比它們所替代的截止閥還便宜。
1 .4   抗氣蝕
       流程工業(yè)中節(jié)流可引起大量的氣蝕，氣蝕可能損壞管道，產(chǎn)生不可接受的噪音等級，同時還可對計量系統(tǒng)產(chǎn)生擾動而引起不清楚或不可*的讀數(shù)，旋轉(zhuǎn)閥具有堅固的設計，大大減少了由于水錘現(xiàn)象造成閥門動作失敗，同時其閥芯可以吸收部分多余的能量，明顯地降低氣蝕及相關的問題。
1 .5   無外泄漏
       標準的旋轉(zhuǎn)閥所設計的外泄漏比標準的截止閥高出100倍，截止閥的閥桿的運動將灰塵拉出、將沙子帶入閥從而損壞了石墨填料。在旋轉(zhuǎn)閥中閥桿只作旋轉(zhuǎn)運動，從而不傷害填料，避免了外泄漏。
1 .6   維護費用與備品備件
      金屬座旋轉(zhuǎn)閥比截止閥的備品備件要少得多，維護通常也比較容易。
2   旋轉(zhuǎn)閥的種類
2 .1   按照型式分類
     旋轉(zhuǎn)閥按照型式分類有3種類型；蝶閥、球閥和柱塞閥。
       蝶閥是通過擋板或葉片以轉(zhuǎn)軸為中心旋轉(zhuǎn)一定角度來控制流動的方向。擋板或葉片看起來有點象一只蝴蝶。蝶閥可以起切斷或調(diào)節(jié)作用，適用于漿狀或帶有固體懸浮物的流體。
       球閥的閥芯是帶圓孔的球形體，當閥處于開位時能允許流體流過，將球形體轉(zhuǎn)動90º切斷物流。球閥可以起切斷的調(diào)節(jié)作用，它的壓降小，適用于粘稠和有腐蝕性的流體、漿體低溫流體。球閥還可以用于高溫、高壓流體。
      柱塞閥的閥芯是中間帶圓孔的錐形或圓柱形柱塞，當柱塞孔和流動調(diào)和一致時流體可以通過，當柱塞向任何方向旋轉(zhuǎn)90º 時流路被切斷。柱塞閥通常用于開/ 關控制 。
2 .2   按照操作方式分類
      旋轉(zhuǎn)閥按照操作方式分類有如下類型：手動閥、自動閥和調(diào)節(jié)閥。
       手動旋轉(zhuǎn)閥用手操作，通過手動執(zhí)行機構(gòu)如后桿 、齒輪、后輪等來進行開關操作，包括一個可以旋轉(zhuǎn)90º的部件。執(zhí)行機構(gòu)通過操作閥桿和流量控制元件來開閥和關閥。
       自動旋轉(zhuǎn)閥包括一個自動的執(zhí)行機構(gòu)，利用外部的能量來自動控制或遙控閥的開關。下列情況一般應選用自動閥：大閥（ 如大于8" （ 1"=25 .4mm ）的閥門 ） 、手動操作很困難的閥門，處于有毒或其他惡劣環(huán)境中不可能采用手動操作的閥門，為處理緊急情況要求閥必須迅速關閉的閥門；配合批量配方所有流路的閥門等，大部分自旋轉(zhuǎn)閥可以 通過電動和氣動執(zhí)行機構(gòu)來操作。
       旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥能夠在特定的開度下操作，這類閥包括一個可以根據(jù)電信號大小產(chǎn)生相應轉(zhuǎn)角的執(zhí)行機構(gòu)。蝶閥常用于低壓大口徑、對泄漏量要求不太嚴格的控制中。
       旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥是一種控制閥，控制閥還包括一些直行程閥如截止閥、閘閥、隔膜閥。自動旋轉(zhuǎn)切斷閥不是控制閥，因為它只能限定在開和關。
3   旋轉(zhuǎn)閥的應用趨勢
3 .1自動閥代替 手動閥已成為 工業(yè)應用的趨勢
       隨著世界范圍內(nèi)煉油化工裝置自動化程度的提高，對自動和調(diào)節(jié)型旋轉(zhuǎn)閥的需求不斷增加，同時手動閥需求減少。今后閥門應用技術(shù)開發(fā)的重點應在閥的執(zhí)行器和定位器上，以便于工作閥門能夠連接到個人計算機、PLC，DCS。如采用數(shù)字定位器通過提高控制閥的精度來提高閥門的控制性能，成功的應用 有如果 將ND800數(shù)字定位器用于旋轉(zhuǎn)控制閥，就能夠使工藝參數(shù)的可變范圍提高50%，再通過與控制閥的特性閥門定位器的電子特征的匹配來進一步提高控制的性能。典型應用如采用HART網(wǎng)的Field Browser軟件。
       與切斷閥相比，控制閥更適用于連續(xù)生產(chǎn)過程。通過調(diào)節(jié)功能，控制閥能夠根據(jù)輸入?yún)?shù)來改變流量的大小以保持設定值不變。在許多情況下，切斷閥和控制閥二者均需要，如在煉油廠中，1/4旋轉(zhuǎn) 切斷閥被用作 安全切斷閥。一個控制閥通常與兩個切斷閥一起 使用，當拆卸控制含辛茹苦時起到隔離和切斷物流的作用。
      電動執(zhí)行機構(gòu)將會逐步取代氣動執(zhí)行機構(gòu)，因為電動執(zhí)行機構(gòu)不需要安裝和維護供氣管線和壓縮機，可以和定位器聯(lián)系更緊密，而且可以避免獎品電信號轉(zhuǎn)換為氣信號。
      旋轉(zhuǎn)閥的其他發(fā)展方向是通過改進閥座的設計及閥座的材質(zhì)來提高閥的性能，減少閥的外泄漏等。具有控制和定位作用的智能閥門，會隨著制造商降低成本和生產(chǎn)企業(yè) 提高行產(chǎn)效率 需求使得市場變得越來越廣泛。
3 .2代替直行程閥門的趨勢
       因為旋轉(zhuǎn)閥在許多情況下可以替代直行程閥門（如閘閥），與直行程閥門相比，旋轉(zhuǎn) 閥具有許多優(yōu)越性（見本文第1部分）。特別是隨著凈化空氣行動（CAA）修正案的實施，防止閥門外泄漏變得越來越很需要。1990年提出的CAA修正案包括了189種揮發(fā)性有毒空氣污染源（VHAPS ），其中有150種是揮發(fā)性的有機化合物（VOCS ）。1997年4月通過的最新的CAA修正案，除了包括前版修正案中的泄露檢測及修復（LDAR）方案外，還包括質(zhì)量改進方案。CAA修正案增加了使用直行程閥門的化工公司、煉油廠及其他使用閥的生產(chǎn)企業(yè)在防止閥門外泄漏上的投入。CAA修正案及其引起的控制外泄漏的結(jié)果，促使手動閥、自動閥、控制閥的供應商采用新的技術(shù)來設計閥門，以減少閥門的外泄漏�？偟膩碇v，采用旋轉(zhuǎn)閥是減少外泄漏的有效措施，也就是說旋轉(zhuǎn)閥有代替執(zhí)行程式閥的趨勢。
       根據(jù)美國閥門制造商協(xié)會WMA（Valve Manufacturer Association）市場份額排列也可以說明了這一趨勢：根據(jù)VMA提供的數(shù)據(jù)，美國1996年球閥、工業(yè)蝶閥和柱塞閥的裝船量（VMA特別記錄了球閥、工業(yè)用蝶閥和柱塞閥的裝船量，除此之外，VMA將自動閥作為另一類別進行追蹤，沒有單獨記錄1/4旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)含辛茹苦的銷售量，而是將其歸入自動閥這一類。VMA提供的是美國供貨商裝船量的數(shù)據(jù)，包括出口但汪包括進口）代10 .4億美元，這個數(shù)量包括手動閥和自動閥，但不包括調(diào)節(jié)閥。球閥所占百分比最大，占總量的54 .2%，工業(yè)蝶閥占 26 .2%，其余19 .6%的份額為柱塞閥（參見表1）。
          表1   美國1996年手動和自動球閥、工業(yè)蝶閥和柱塞閥的裝船量  

4    旋轉(zhuǎn)閥的應用
4 .1   在煉油廠調(diào)和系統(tǒng)中的應用
       對于煉油廠中的調(diào)和系統(tǒng)，為了提高調(diào)和質(zhì)量，往往要求各種參與調(diào)和的油品必須精確高速地被注入與切斷，這往往要求采用有較高切斷率的控制閥，以便不論 各流路 的流量是多少都能夠提供精確的液體摻混。傳統(tǒng)的直行程閥或截止閥不再適應這種應用情況，旋轉(zhuǎn)閥由于其本身具有上文描述的優(yōu)勢，從而可以在這種應用場合下提供更高的性能價格比。給用戶的長期運行帶來較大的收益。
4.2   在間歇操作流程中的應用
       旋轉(zhuǎn)切斷閥在間歇過程工業(yè)中得到了廣泛應用，尤其是在化工（如合成橡膠，合成塑料等裝置中）、精細化工、食品、飲料、紙漿造紙、制藥中得到了廣泛應用。
       在間歇過程中，經(jīng)常需向容器或反應器加入一定量的物料。這是典型的使用旋轉(zhuǎn)切斷閥的場合，它可以打開并一直保持到需要的流量然后關閉。1/4（0~90º行程）旋轉(zhuǎn)切斷閥還具有比直行程閥如閘閥及大轉(zhuǎn)角閥開關迅速的優(yōu)點。
5     結(jié)論
       隨著煉油化工裝置一體化和大型化，煉油化工裝置生產(chǎn)過程對于儀表及控制系統(tǒng)的精度和適應性要求越來越嚴格，作為控制系統(tǒng)核心部件執(zhí)行的元件——控制閥，其性能與質(zhì)量對于石油化工廠經(jīng)濟效益的影響越來越大。無論是為了將來擴大生產(chǎn)規(guī)模還是提高控制質(zhì)量，都要求我們在選用控制閥時不僅要考慮建設期的一次性投資，而且更要注重生產(chǎn)期的運行成本。隨著旋轉(zhuǎn)閥的特點日益為人們認識與接受，其必將會在大型化的煉油化工裝置中獲得越來越廣泛的應用。
大型煉油化工裝置長周期生產(chǎn)運行的經(jīng)濟性。