三杆阀在煤化工空分装置的应用
一、前言
近年来，国内煤化工产业发展迅猛，国家对煤化工装置的规模也设立了准入门槛，装置的规模越来越大。作为煤化工龙头的煤汽化工艺对其重要的配套设备——空分装置，无论是在系统性能和处理能力方面都提出更高要求。空分装置主要提供量大、高压、高纯度的氧气和氮气。纯度99.6%的氧主要是作为煤汽化装置的汽化剂与煤、水在高温、高压的汽化炉(如图1所示)内发生不完全氧化反应，生成的合成气(CO+H2)是生产醇、醚、烯烃、煤制油、煤制天然气、氢及氨等的原料，或用于IGCC;纯度99.99%的不同压力等级的氮气则作为紧急停车安保氮塞、原料氮气、惰性保护气、气力输送气和吹扫气。现代煤化工用空分装置具有产气规模大、气体产品压力等级高、气体产品规格多及需连续稳定生产等特点。神华宁煤宁东煤化工基地已投产运行的25万t/a甲醇装置配套国产3×104m3/h压力6.3MPa空分一套，60万t/a甲醇装置配套国产4.5×104m3/h压力6.0MPa空分两套，50万t/a煤制烯烃装置配套进口产9×104m3/h压力5.3MPa空分两套。其中，9×104m3/h规模空分可以说是目前用于煤化工制氧能力最大的空分，如图2所示。
图1 世界首套大规模工业化成功运行的5台GSP干粉汽化炉
图2 目前世界最大的用于煤化工的空分
大中型空分装置中的空气纯化普遍采用分子筛等吸附剂来吸附空气中的杂质。分子筛吸附、再生所组成的系统——分子筛纯化系统在空分设备流程中起着保障整套设备安全运行的重要作用。分子筛纯化系统一般由分子筛吸附器、再生加热装置以及阀门、管路和仪电控制系统等组成。吸附器内装铝胶和13×分子筛，铝胶的作用是吸附空气中的水分，分子筛的作用是吸附空气中的二氧化碳和一些碳氢化合物。分子筛纯化系统一般采用两台吸附器切换使用，一台吸附饱和后，另一台再生好的吸附器投入使用。
吸附饱和后的吸附剂就失去了继续吸附的能力，只有进行再生后才能使用。再生过程是吸附的逆过程——解吸，即把所吸附的水分、二氧化碳和乙炔等碳氢化合物通过污氮气带走，然后再继续使用。再生分为预降压、降压、预加温、加温、吹冷、预升压、升压、预吸附切换和吸附切换九大步骤，由DCS控制系统程序自动控制。再生降压过程即将吸附饱和的吸附器内部压力降到再生气的压力;加温过程一般采用低压高温、干燥的污氮气对吸附剂进行加温解吸，其内部吸附的杂质被带走;吹冷过程是用常温、干燥的污氮气对吸附剂进行吹冷，直到内部吸附剂的温度冷却下来;升压是将另一台正在工作的吸附器中的空气置换入再生好的吸附器内，用以升高压力，升压后该台吸附器即可投入使用。
为避免干燥塔频繁切换时降压过急给床层带来的剧烈振动和摩擦，切换阀由以前普遍选用的高性能蝶阀开始考虑更多地采用三杆阀，这种阀门在开启时，阀门机构限定了阀门两侧的最大压差，从而避免分子筛床层受到高压差气流的意外冲击，也避免进气带水的情况出现，具有更高的耐温性、更高的密封性和更高的工艺安全性，阀门性能的提升也带来价格的大幅度增加，适当地衡量性价比也是用户需在项目前期要考虑的。阀门的口径也扩大到现在的1m甚至更大口径，以单套国产4.5×104m3/h空分装置的纯化装置为例，采用气源压力0.4～0.5MPa，带上下限位开关的PN1.0气动程控三杆阀11台：空气进分子筛吸附器DN1100口径2台、空气出分子筛吸附器DN1100口径2台、再生气进分子筛吸附器DN900口径2台、再生气出分子筛吸附器DN900口径2台、再生气去加热DN900口径1台、再生气冷吹DN700口径1台、再生气放空DN500口径1台;采用PN1.0气动控制球阀DN150口径3台、DN50口径2台。三杆阀如图3所示。
二、三杆阀的结构与原理
三杆阀是三杆式蝶阀的简称，是一种蝶式切断阀，具有切断阀的功能，国外已广泛使用，主要用在热力系统、发电厂、钢厂和空分装置等。适用介质为干净的气体介质(如空气、氮气和氧等)以及含有固体颗粒料的不干净气体。
三杆阀蝶板运行不是主轴直接驱动，而是利用连杆机构的原理实现阀板的开启和关闭的，是由一套连杆机构带动控制阀板动作，实物外形如图4所示。
三杆式蝶阀在阀门开启初始，阀板先是平移，在达到一定距离后开始翻转，完成阀板由垂直位置到平行管道中心线位置的开启动作。阀板密封面在关闭到位时与阀体的密封面平行接触直至压紧密封，由于阀板和阀座密封面之间无剪切挤压和相对摩擦，合理的结构使受力作用于阀板中央，密封面受力均匀。阀座密封位于垂直面上，在开关过程中不会因管道残留的固体颗粒造成阀座密封面损伤，即有自清洁功能，密封效果好且长期稳定，便于实现软密封和硬密封。在开启时，阀门机构限定了阀门两侧的最大压差，从而避免分子筛床层受到高压差气流的意外冲击，确保系统安全。
安装注意事项：安装前要保证阀内特别是阀座要干净，与阀体相连的区域如法兰、管道也要干净;作为单向阀，阀体标注的PRESSURE方向是压力推阀板到阀座的方向，用户应按实际压力方向将阀门方向安装正确;阀门上标注的FLOW流向不一定与PRESSURE方向一致;特别注意管道上连接法兰的间距要正确预留并且平行;连接法兰位置不正确会导致阀体附加应力，影响使用;阀体可根据需要安装在任何位置，如水平、竖直和倾斜，但传动机构的轴必须保持水平位置，水平或倾斜安装时，传动机构要处于管道上方;阀体配套的电气附件如电动执行机构、电磁阀、限位开关以及电气定位器等，应可靠接地后方能投用。
三、阀门的配管布置
分子筛纯化系统中的重要阀门采用双层布置，即分别设置在吸附器下部地面和吸附器上部平台，使得操作维修方便、安全。分子筛纯化系统的阀门多采用三杆阀，上部设置平台，在平台上设置空气出口阀、污氮气进口阀和分子筛均压阀;下部设置空气进口阀、污氮气出口阀、空气排放阀及起动时空气进口旁通阀(为了避免冲床事故)等阀门。同时在阀门布置上将污氮气进分子筛吸附器阀尽量靠近容器，冷吹阀尽量靠近污氮气进分子筛吸附器阀，这也为保障空分设备的正常运行和节能起到了一定的作用。采用两层布置，总体布置紧凑，充分利用空间;既满足工艺流程要求，又让操作、维修更加方便、安全。
分子筛纯化系统阀门多，切换频繁，在吸附和再生的过程中，变温、变压不断循环，因此对阀门的可靠性、密封性要求很高。对称布置管道、阀门是一个重要手段。通常将加温管线与吹冷管线分两路设置，并行段管线短较好，可避免加温管线一侧的设备和管道因经受温度交替变化而疲劳损坏;同时，加热管线短，保温性能良好，可使加温快速起动。这对于短周期的分子筛纯化系统特别重要。好的布置方式可以保证管路阻力一致并使其达到设计值，气流均布，系统管网压力波动小。两台交替切换工作的分子筛吸附器，分别对应的阀门、管道要对称布置。每台分子筛吸附器，有两个空气进口(污氮气出口)，两个空气出口(污氮气进口)通过总管汇总的方式，使进入分子筛吸附器内部的空气气流均匀与分子筛床层接触，这就保证了最佳的吸附、再生效果，增加了容器在工作时的稳定性。在管路的设计上，管道还考虑了合理补偿，排除了因应力产生破坏危险的可能。
四、结语
随着三杆阀越来越多地推广和应用，已引起了各方的重视。国内已颁布了行业标准YB/T4157-2007《高温连杆式切断蝶阀》，为这类产品的设计、制造、使用以及招投标提供了依据，国标GB/T12238-2008《法兰和对夹连接弹性密封蝶阀》对相关内容也做了具体要求。在不断采用新材料、新工艺和新结构的基础上，三杆阀将在煤化工等各行各业发挥其更大的作用。
