旋轉閥在煉油化工裝置中的應用

　　控制閥作為執行元件在流程工業的生產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工藝過程的產量及不合格率，甚至于正常生產。隨著工藝技術及控制技術的發展，流程工業的經濟規模日益大型化，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。基于這種情況，流程工業對于控制閥的要求愈來愈高,加上旋轉閥自身的優點，這使得旋轉閥比傳統的閥門獲得越來越多的應用。

    1 旋轉閥的特點

　　閥通常分為直行程式和旋轉式兩大類。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。直行程式的閥有截止閥、閘閥、隔膜閥等。旋轉式的閥通過一個轉動的部件來允許或切斷物流。旋轉部件能轉動90度的旋轉閥叫1/4旋轉閥。有時候1/4旋轉閥的分類可以擴大到轉角小于270度的旋轉閥。由定義可以看到，旋轉閥是一種通過旋轉部件如轉動擋板旋轉90度使閥從開位變化至關位的旋轉閥。旋轉閥一般具有如下的特點。

    （1）可調范圍寬

　　在流程工業中可調范圍是*關鍵的，旋轉閥的可調范圍大約為150:1（VALTEK的球閥的可調范圍可以達到300:1，蝶閥和凸輪撓曲閥的可調范圍為100:1）。對應的截止閥的可調范圍為30:1，也就是說旋轉閥可以提供5倍寬的可調范圍。例如在*大流量是1000升/分，截止型閥能夠有效地將流量減少到30升/分，同時旋轉閥可以將流量調整到低于10升/分，對關鍵的閥控制流量越**在流程中重復性越好，直接地降低了流程工業中不合格的產品。

　　偏心旋轉閥的兩個特點提高了它的可調范圍，**個是其孔板式的設計，偏心是一個有效的1/4的園，偏心閥芯是V型的，而傳統的閥芯是園形的，當偏心旋轉閥是關的時候，它的小的V型使得在低流量時形成非常**的控制，對大流量，它幾乎將閥門打開到幾乎與管道的直徑相同。**個特點是執行機器的行程旋轉閥的執行機構有帶一定行程的膜法和氣缸兩種。1”的截止閥的行程大約是3/4”~7/8”而旋轉閥的行程超過2”。對任何其它尺寸的閥門。輸入端的行程越大，則在工作端的控制越好。

　　高可調比的控制閥提供按配方要求的**的配比，而不論各流路流量的大小，傳統的線性或調節閥不再適應這樣的任務，旋轉閥可以提高裝置性能同時降低控制閥在工廠生命運行周期中的成本。可調范圍寬的旋轉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村里能夠延長閥門的使用壽命，提高閥門的性能。簡單的旋轉結構的設計，可以使維護工作量減到*少。降低業主的生產成本。

    （2）嚴密切斷

　　直行程閥的軸是閥桿進出閥體，每個周期都帶出產品，對于直行程設計避免泄漏是困難的，它能將不希望的產品帶入到生產過程系統中，并能產生較大的不能接受的工廠揮發性的外泄漏。旋轉閥的旋轉設計本質上不存在這個問題，因為這種閥采用了低滯后，高推力的氣缸式執行機構，可提供比其它形式的執行機構更**更高的穩定性，有能夠提供長期嚴密切斷的金屬閥座。

    （3）流通能力大尺寸小

　　直行程閥的流通能力是安裝閥的管道流通能力的分數，提高流通能力的方法是提高直行程閥的尺寸，通常可能比管道還大。旋轉閥的容量大約是相同尺寸的直行程閥的2~3倍，旋轉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，部分旋轉閥已經設計成可代替截止閥的法蘭面對法蘭面的連接形式，并配有連接螺栓，這類閥甚至比他們所替代的截止閥還便宜。

    （4）抗氣蝕

　　在流程工業中節流可引起大量的氣蝕，氣蝕可能損壞管道，產生不可接受的噪音等級，同時還可對計量系統產生擾動而引起不清楚或不可靠的讀數，旋轉閥具有堅固的設計，大大減少了由于水錘現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。

    （5）無外泄漏

　　標準的旋轉閥比標準的截止閥設計的外泄漏要好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。在旋轉閥中閥桿不作任何進出的移動，而作旋轉運動，從而不傷害填料，避免了外泄漏。

    （6）維護費用與備品備件

    金屬座旋轉閥比截止閥的備品備件要少得多，維護通常也比較容易。  

    2 旋轉閥的種類

    2.1 按照型式分類

    旋轉閥按照型式分類有三種類型：蝶閥、球閥和柱塞閥。

   蝶閥是通過擋板或葉片以轉軸為中心旋轉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節作用，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，當閥處于開位時允許流體流過，將球形體轉動90度切斷物流。球閥可以起切斷和調節作用，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，當柱塞孔和流動方向一致時流體可以通過，當柱塞向任何方向旋轉90度時流路被切斷。柱塞閥通常用于開/關控制。

    2.2 按照操作方式分類

    旋轉閥按照操作方式分類有如下類型：手動閥、自動閥和調節閥。

   手動旋轉閥用手操作，通過手動執行機構如手桿、齒輪、手輪等來進行開關操作，包括一個可以旋轉90度的部件。執行機構通過操作閥桿和流量控制元件來開閥和關閥。

   自動旋轉閥包括一個自動的執行機構，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”的閥門）、手動操作很困難的閥門，處于有毒的或其它惡劣的環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。自動執行機構的類型包括液動、氣動和電動等，大部分自動旋轉閥可以通過電動和氣動執行機構來操作。

   旋轉調節閥能夠在特定的開度下操作，這類閥包括一個可以根據電信號大小產生相應轉角的執行機構。蝶閥常用于低壓大口徑、對泄漏量要求不太嚴格的控制中。

   旋轉調節閥是一種控制閥，控制閥還包括一些直行程閥如截止閥、閘閥、隔膜閥。自動旋轉切斷閥不是控制閥，因為它只能限定在開和關位。   

    3 旋轉閥的應用趨勢

   （1）自動閥代替手動閥已成為工業應用的趨勢

　　隨著世界范圍內流程工業自動化程度的提高，對自動和調節型旋轉閥的需求不斷增加，同時手動閥需求減少。這使今后閥門應用技術開發的重點應在于閥的執行器和定位器上，以使閥門能夠連接到個人計算機、PLC、DCS系統。如采用數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數字定位器用于旋轉控制閥，就能夠使工藝參數的可變范圍提高50%，再通過與控制閥的特性閥門定位器的電子特性的匹配來進一步提高控制的性能。典型應用有采用HART網的FieldBrowser軟件。

　　與切斷閥相比，控制閥更適用于連續生產過程。通過調節功能，控制閥能夠根據輸入參數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旋轉切斷閥被用作**切斷閥。一個控制閥通常與兩個切斷閥一起使用，當拆卸控制閥時起到隔離和切斷物流的作用。

　　電動執行機構將會逐步取代氣動執行機構，因為電動執行機構不需要安裝和維護供管線和壓縮機，可以和定位器聯系更緊密，而且可以避免將電信號轉換為氣信號。

　　旋轉閥的其它發展方向是通過改進閥座的設計及閥座的材質來提高閥的性能，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企業提高生產效率的需求使得市場變得越來越廣泛。

    （2）代替直行程閥門的趨勢

　　因為旋轉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（如閘閥）相比，旋轉閥具有許多優越性（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重要。1990年提出的CAA修正案包括了189種揮發性有毒空氣污染源（VHAPs），其中有150種是揮發性的有機化合物（VOCs）。1997年4月通過的*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、煉油廠及其它使用閥的生產企業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果，促使手動閥、自動閥、控制閥的供應商采用新的技術來設計閥門，以減少閥門的外泄漏。減少閥門外泄漏的關鍵在于閥門填料系統的材質。聚四氟乙烯（PTFE）和石墨是閥填料系統的兩種常用材料，為了減少閥門的外泄漏，許多供應商將全氟高彈性體和部分聚四氟乙烯及石墨結合起來用于閥門的填料系統。全氟高彈性體填料系統比聚四氟乙烯填料系統的壓緊力要大，但石墨填料系統的壓緊力比全氟高彈性體填料系統高好多倍。壓緊力大會導致閥桿的磨損和損壞,從而引起閥門外泄漏。總的來講，采用旋轉閥是減少外泄漏的有效措施,即旋轉閥有代替執行程閥門的趨勢。

　　根據美國閥門制造商協會（Valve Manufacturer AssociateVMA）市場份額排列也可以說明這一趨勢：根據VMA提供的數據，美國1996年球閥、工業蝶閥和柱塞閥的裝船量（VMA特別記錄了球閥、工業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旋轉調節閥的銷售量，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據，包括出口但不包括進口）共10.4億美元，這個數量包括手動閥和自動閥，但不包括調節閥。球閥所占百分比*大，占總量的54.2%，工業蝶閥占26.2%，其余19.6%的份額為柱塞閥（參見表一）。 

                表一 美國1996年手動和自動球閥、工業蝶閥和柱塞閥量 類型

    4 旋轉閥的應用

    （1）在煉油廠調和系統中的應用

   對于煉油廠中的調和系統，為了提高調和的質量，往往要求各種參與調和的油品必須**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**的液體摻混。傳統的直行程閥或截止閥不再適應煉油廠中的這種應用情況，旋轉閥由于其本身具有上文描述的優勢，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。

    （2）旋轉閥在我廠中應用廣泛

    具體應用1：焦化車間4路輻射進料控制閥改為旋轉閥。焦化車間原設計為雙座閥，由于焦化的輻射進料含有大量的焦粉顆粒，并且溫度高、流速快，對控制閥產生很大的沖刷，控制閥的閥芯、閥座很快就被沖刷壞，漏量嚴重，不能控制，一個新的控制閥僅能運行3個月；后來將控制閥該為套筒閥，情況有所改觀，一個新控制閥能運行5各月。1997年9月我們將控制閥該為FISHER旋轉閥，由于旋轉的具有抗氣蝕能力，有效的克服了介質的沖刷，1998年10月我們檢查了其中的一個控制閥，閥芯、閥座完好。四個控制閥一直使用至今。

   具體應用2：南蒸餾減壓爐3路進料。原設計減壓爐3爐進料為套筒閥，由于進料含有渣油、雜質，經常將控制閥堵住，且溫度高、易凝結，給儀表維護帶來大量的工作，1998年6月將3路進料該為FISHER旋轉閥，由于旋轉閥具有較強的流通能力，克服上述問題，運行正常。

   具體應用3：催化渣油回煉控制閥。催化渣油回煉控制閥原設計為套筒閥，由于渣油回煉中含有催化劑，對控制閥的沖刷嚴重，控制閥不能正常使用，一個新的控制閥進能運行6個月，1998年6月將控制該為FISHER旋轉閥，使用至今。

   具體應用4：催化氣壓機放火炬。催化氣壓機放火炬原采用700閘板閥，缺點是開關速度慢，泄漏量大，后采用三偏心蝶閥，開關速度小于10秒，密封可做到5級。

    這樣的具體應用有許多，不再一一列舉。

    5 結論

   隨著煉化裝置一體化和煉油化工裝置規模大型化，生產過程對于儀表及控制系統的精度和適應性要求越來越嚴格，作為控制系統中的核心部件執行元件—控制閥，其性能與質量對于石油化工廠的經濟效益的影響越來越大。無論是為了將來擴大生產規模還是提高控制質量（如上先進控制或優化控制等），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，而且更要注重生產期的運行成本。隨著旋轉閥的特點日益為人們認識與接受，其必將會在國內的日益大型化的煉油及化工裝置中獲得越來越廣泛的應用。

    參考文獻

    [1] VALTEK control valve manual 1999.
    [2] Neles Automation magazine 1, 2000.