旋转阀在炼油化工装置中的应用

( 中国石油天然气股分有限公司 锦西石化分公司机动处 ， 辽宁   锦西   125001) 
    摘要 : 分析了旋转阀在可调范围、严密切断、流通能力、 抗气蚀 、无外泄漏等方面的特点，指出了旋转阀在炼油化工装置中草药的应用趋势。旋转阀的使用有助于提高大型炼油化工装置长周期生产运行的经济性。 
    关键词：旋转阀；可调范围；严密切断；流通能力； 抗气蚀 
中图分类号： TH862.7    文献标识码： B   文章编号： 1007-7324 （ 2001 ） 02-0049-03 
       控制阀作为执行元件在流程工业的生产过程中始终扮演着非常重要的角色，控制阀的性能直接影响到产品的产量及合格率，甚至正常生产。随着工艺技术及控制技术的发展，炼油化工装置的规模日益大型化，处理量日益增大，从而使得即使阀门性能提高的百分比很小，也能获得很大的收益。基于这种情况，大型炼油化工装置对控制阀的要求愈来愈高，加上旋转阀自身的优点，使得旋转阀比传统的阀门获得了越来越广泛的应用。 
1   旋转阀的特点 
       阀通常分为直行程式和旋转式两大类。直行程阀通过一个直线运动的部件如闸板来允许或切断物流。直行程 式阀有截止阀 、闸阀、隔膜阀等。 旋转式 阀通过一个转动的部件允许或切断物流。旋转部件能转动 90 º 的旋转阀叫1/4旋转阀。

有时候1/4旋转阀的分类可以扩大到转角小于270º的旋转阀。旋转阀一般具有如下的特点。 
1.1   可调范围宽 
       在流程工业中可调范围是最关键的，旋转阀的可调范围大给为150:1（VALTEK球阀的可调范围可达到300:1，蝶阀和凸轮挠曲阀的可调范围为400:1）。对应的截止阀的可调范围为30:1，也就是说旋转 阀可以 提供截止阀5倍宽的可调范围。例如最大流量是1000L/min，截止型阀能够有效地将流量减少到30 L/min，而旋转阀可以将流量调整到低于10 L/min，对关键的阀控制流量越精确，在流程中重复性越好，这直接地降低了流程工业中产品的不合格率。 
       偏心旋转阀的两个特点提高了它的可调范围，第一是其孔板式的设计，偏心是一个有效的1/4的圆，偏心阀芯的V形的，而传统的阀芯的圆形的，当偏心旋转阀关的时候，小的V形使得在低流量时形成非常精确的控制，对大流量，它将阀门打开到几乎与管道直径相同。第二是执行机器的行程旋转阀的执行机构有带一定行程的膜法和气缸两种，1"（1"=25.4）截止阀的行程大约是3/4"-7/8"，而旋转阀的行程超过2"。对任何其他尺寸的阀门，输入端的行程越大，则在工作端的控制越好。 
       高可调比控制阀提供按配方要求的精确配比，而不论各流路流量的大小，传统美德的线性或调节阀不再适应这样的任务，旋转阀在提高装置性能的同时降低控制阀在工厂生命运行周期中的成本。 
    可调范围宽的旋转阀允许用户提高严密切断的标准，从而提高成本/效益指标。金属阀座加上用特殊材料制成的衬里能够延长阀门的使用寿命，提高阀门的性能。简单的旋转结构的设计，可以使维护工作量减到最少，降低生产成本。 
1 .2    严密切断 
       直行程阀 的轴是阀杆 进出阀体，每个周期都带出产品，对于直行程设计避免泄漏是困难的，它能将不希望的产品带入到生产系统中，并能产生较大的工厂挥发性的外泄漏。
旋转含辛茹苦的旋转设计本质上不存在这个问题， 因为这种阀采用了低滞后，高推力的气缸式执行机构，可提供比其他形式的执行机构更精确更高的稳定性，有能够提供长期严密切断的金属阀座。 
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数，提高流通能力的方法是提高直行程阀的尺寸，通常可能比管道还大。旋转阀的容量大约是相同尺寸直行程阀的2~3倍，旋转阀能够 用于提高掺合量而不改变进料管线的大小，可以极大地降低成本，基于这个原因，部分旋转阀已经设计成可代替截止阀的法兰连接形式，并配有连接螺栓，这类阀甚至比它们所替代的截止阀还便宜。 
1 .4   抗气蚀 
       流程工业中节流可引起大量的气蚀，气蚀可能损坏管道，产生不可接受的噪音等级，同时还可对计量系统产生扰动而引起不清楚或不可*的读数，旋转阀具有坚固的设计，大大减少了由于水锤现象造成阀门动作失败，同时其阀芯可以吸收部分多余的能量，明显地降低气蚀及相关的问题。 
1 .5   无外泄漏 
       标准的旋转阀所设计的外泄漏比标准的截止阀高出100倍，截止阀的阀杆的运动将灰尘拉出、将沙子带入阀从而损坏了石墨填料。在旋转阀中阀杆只作旋转运动，从而不伤害填料，避免了外泄漏。 
1 .6   维护费用与备品备件 
      金属座旋转阀比截止阀的备品备件要少得多，维护通常也比较容易。 
2   旋转阀的种类 
2 .1   按照型式分类 
     旋转阀按照型式分类有3种类型；蝶阀、球阀和柱塞阀。

      蝶阀是通过挡板或叶片以转轴为中心旋转一定角度来控制流动的方向。挡板或叶片看起来有点象一只蝴蝶。蝶阀可以起切断或调节作用，适用于浆状或带有固体悬浮物的流体。 
       球阀的阀芯是带圆孔的球形体，当阀处于开位时能允许流体流过，将球形体转动90º切断物流。球阀可以起切断的调节作用，它的压降小，适用于粘稠和有腐蚀性的流体、浆体低温流体。球阀还可以用于高温、高压流体。 
      柱塞阀的阀芯是中间带圆孔的锥形或圆柱形柱塞，当柱塞孔和流动调和一致时流体可以通过，当柱塞向任何方向旋转90º 时流路被切断。柱塞阀通常用于开/ 关控制 。 
2 .2   按照操作方式分类 
      旋转阀按照操作方式分类有如下类型：手动阀、自动阀和调节阀。 
       手动旋转阀用手操作，通过手动执行机构如后杆 、齿轮、后轮等来进行开关操作，包括一个可以旋转90º的部件。执行机构通过操作阀杆和流量控制元件来开阀和关阀。 
       自动旋转阀包括一个自动的执行机构，利用外部的能量来自动控制或遥控阀的开关。下列情况一般应选用自动阀：大阀（ 如大于8" （ 1"=25 .4mm ）的阀门 ） 、手动操作很困难的阀门，处于有毒或其他恶劣环境中不可能采用手动操作的阀门，为处理紧急情况要求阀必须迅速关闭的阀门；配合批量配方所有流路的阀门等，大部分自旋转阀可以 通过电动和气动执行机构来操作。 
       旋转调节阀能够在特定的开度下操作，这类阀包括一个可以根据电信号大小产生相应转角的执行机构。
蝶阀常用于低压大口径、对泄漏量要求不太严格的控制中。 
       旋转调节阀是一种控制阀，控制阀还包括一些直行程阀如截止阀、闸阀、隔膜阀。自动旋转切断阀不是控制阀，因为它只能限定在开和关。 
3   旋转阀的应用趋势 
3 .1自动阀代替 手动阀已成为 工业应用的趋势 
       随着世界范围内炼油化工装置自动化程度的提高，对自动和调节型旋转阀的需求不断增加，同时手动阀需求减少。今后阀门应用技术开发的重点应在阀的执行器和定位器上，以便于工作阀门能够连接到个人计算机、PLC，DCS。如采用数字定位器通过提高控制阀的精度来提高阀门的控制性能，成功的应用 有如果 将ND800数字定位器用于旋转控制阀，就能够使工艺参数的可变范围提高50%，再通过与控制阀的特性阀门定位器的电子特征的匹配来进一步提高控制的性能。典型应用如采用HART网的Field Browser软件。 
       与切断阀相比，控制阀更适用于连续生产过程。通过调节功能，控制阀能够根据输入参数来改变流量的大小以保持设定值不变。在许多情况下，切断阀和控制阀二者均需要，如在炼油厂中，1/4旋转 切断阀被用作 安全切断阀。一个控制阀通常与两个切断阀一起 使用，当拆卸控制含辛茹苦时起到隔离和切断物流的作用。 
      电动执行机构将会逐步取代气动执行机构，因为电动执行机构不需要安装和维护供气管线和压缩机，可以和定位器联系更紧密，而且可以避免奖品电信号转换为气信号。 
      旋转阀的其他发展方向是通过改进阀座的设计及阀座的材质来提高阀的性能，减少阀的外泄漏等。具有控制和定位作用的智能阀门，会随着制造商降低成本和生产企业 提高行产效率 需求使得市场变得越来越广泛。
3 .2代替直行程阀门的趋势 
       因为旋转阀在许多情况下可以替代直行程阀门（如闸阀），与直行程阀门相比，旋转 阀具有许多优越性（见本文第1部分）。特别是随着净化空气行动（CAA）修正案的实施，防止阀门外泄漏变得越来越很需要。1990年提出的CAA修正案包括了189种挥发性有毒空气污染源（VHAPS ），其中有150种是挥发性的有机化合物（VOCS ）。1997年4月通过的最新的CAA修正案，除了包括前版修正案中的泄露检测及修复（LDAR）方案外，还包括质量改进方案。CAA修正案增加了使用直行程阀门的化工公司、炼油厂及其他使用阀的生产企业在防止阀门外泄漏上的投入。CAA修正案及其引起的控制外泄漏的结果，促使手动阀、自动阀、控制阀的供应商采用新的技术来设计阀门，以减少阀门的外泄漏。总的来讲，采用旋转阀是减少外泄漏的有效措施，也就是说旋转阀有代替执行程式阀的趋势。 
       根据美国阀门制造商协会WMA（Valve Manufacturer Association）市场份额排列也可以说明了这一趋势：根据VMA提供的数据，美国1996年球阀、工业蝶阀和柱塞阀的装船量（VMA特别记录了球阀、工业用蝶阀和柱塞阀的装船量，除此之外，VMA将自动阀作为另一类别进行追踪，没有单独记录1/4旋转调节含辛茹苦的销售量，而是将其归入自动阀这一类。VMA提供的是美国供货商装船量的数据，包括出口但汪包括进口）代10 .4亿美元，这个数量包括手动阀和自动阀，但不包括调节阀。球阀所占百分比最大，占总量的54 .2%，工业蝶阀占 26 .2%，其余19 .6%的份额为柱塞阀（参见表1）。 
          表1   美国1996年手动和自动球阀、工业蝶阀和柱塞阀的装船量   

类型 
 销售额 
 所占百分比， % 
 
球阀 
 565.5 
 54.2 
 
工业蝶阀 
 273.0 
 26.2 
 
柱塞阀 
 204.0 
 19.6 
 



4    旋转阀的应用 
4 .1   在炼油厂调和系统中的应用 
       对于炼油厂中的调和系统，为了提高调和质量，往往要求各种参与调和的油品必须精确高速地被注入与切断，这往往要求采用有较高切断率的控制阀，以便不论 各流路 的流量是多少都能够提供精确的液体掺混。
3 .2代替直行程阀门的趋势 
       因为旋转阀在许多情况下可以替代直行程阀门（如闸阀），与直行程阀门相比，旋转 阀具有许多优越性（见本文第1部分）。特别是随着净化空气行动（CAA）修正案的实施，防止阀门外泄漏变得越来越很需要。1990年提出的CAA修正案包括了189种挥发性有毒空气污染源（VHAPS ），其中有150种是挥发性的有机化合物（VOCS ）。1997年4月通过的最新的CAA修正案，除了包括前版修正案中的泄露检测及修复（LDAR）方案外，还包括质量改进方案。CAA修正案增加了使用直行程阀门的化工公司、炼油厂及其他使用阀的生产企业在防止阀门外泄漏上的投入。CAA修正案及其引起的控制外泄漏的结果，促使手动阀、自动阀、控制阀的供应商采用新的技术来设计阀门，以减少阀门的外泄漏。总的来讲，采用旋转阀是减少外泄漏的有效措施，也就是说旋转阀有代替执行程式阀的趋势。 
       根据美国阀门制造商协会WMA（Valve Manufacturer Association）市场份额排列也可以说明了这一趋势：根据VMA提供的数据，美国1996年球阀、工业蝶阀和柱塞阀的装船量（VMA特别记录了球阀、工业用蝶阀和柱塞阀的装船量，除此之外，VMA将自动阀作为另一类别进行追踪，没有单独记录1/4旋转调节含辛茹苦的销售量，而是将其归入自动阀这一类。VMA提供的是美国供货商装船量的数据，包括出口但汪包括进口）代10 .4亿美元，这个数量包括手动阀和自动阀，但不包括调节阀。球阀所占百分比最大，占总量的54 .2%，工业蝶阀占 26 .2%，其余19 .6%的份额为柱塞阀（参见表1）。 
          表1   美国1996年手动和自动球阀、工业蝶阀和柱塞阀的装船量   

类型 
 销售额 
 所占百分比， % 
 
球阀 
 565.5 
 54.2 
 
工业蝶阀 
 273.0 
 26.2 
 
柱塞阀 
 204.0 
 19.6 
 



4    旋转阀的应用 
4 .1   在炼油厂调和系统中的应用 
       对于炼油厂中的调和系统，为了提高调和质量，往往要求各种参与调和的油品必须精确高速地被注入与切断，这往往要求采用有较高切断率的控制阀，以便不论 各流路 的流量是多少都能够提供精确的液体掺混。
传统的直行程阀或截止阀不再适应这种应用情况，旋转阀由于其本身具有上文描述的优势，从而可以在这种应用场合下提供更高的性能价格比。给用户的长期运行带来较大的收益。 
4.2   在间歇操作流程中的应用 
       旋转切断阀在间歇过程工业中得到了广泛应用，尤其是在化工（如合成橡胶，合成塑料等装置中）、精细化工、食品、饮料、纸浆造纸、制药中得到了广泛应用。 
       在间歇过程中，经常需向容器或反应器加入一定量的物料。这是典型的使用旋转切断阀的场合，它可以打开并一直保持到需要的流量然后关闭。1/4（0~90º行程）旋转切断阀还具有比直行程阀如闸阀及大转角阀开关迅速的优点。 
5     结论 
       随着炼油化工装置一体化和大型化，炼油化工装置生产过程对于仪表及控制系统的精度和适应性要求越来越严格，作为控制系统核心部件执行的元件——控制阀，其性能与质量对于石油化工厂经济效益的影响越来越大。无论是为了将来扩大生产规模还是提高控制质量，都要求我们在选用控制阀时不仅要考虑建设期的一次性投资，而且更要注重生产期的运行成本。随着旋转阀的特点日益为人们认识与接受，其必将会在大型化的炼油化工装置中获得越来越广泛的应用。 
大型炼油化工装置长周期生产运行的经济性。