CN112228578A - 一种高温旋风分离器机械密封装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温旋风分离器机械密封装置及其控制方法，由密封阀、执行机构、差压控制系统三部分构成，所述密封阀由阀体、闸板、阀杆、闸板仓、阀杆定位销、耐火衬里、闸板仓反吹气管路、斜拉筋、阀盖组成，所述执行机构由电气阀门定位器、气缸、仪表气管路组成，所述差压控制系统由引压基点、差压变送器、引压口以及阀门控制程序组成。本发明具有耐高温、成本低、寿命长、控制策略简单、控制精度高、环境适应性强的优点。

Description

一种高温旋风分离器机械密封装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种高温旋风分离器机械密封装置及其控制方法，属于机械密封装置技术领域。

背景技术

流化床煤气化技术具有碳转化率高、处理量大、气化强度大、炉内传热传质好、适用煤种广、环境污染小等优点，是煤清洁利用技术的重要组成部分，在民用燃料、工业燃料、化肥、化工等行业有着广阔的应用前景。

提高流化床温度有利于加快气化反应速率、提高气化强度、提升煤气热值，增大流化床压力则能够提高反应效率、加快反应进程、减小设备体积、降低成本。因此目前煤气化用流化床均在较高的温度和压力条件下运行。高温高压的运行环境对流化床旋风分离器密封装置的安全性、可靠性和操控性能提出了严苛的要求。

目前应用最为广泛的非机械密封装置是流动密封阀，其次是L阀和J型阀。此类密封阀通过改变底部流化气和吹送气的流量来调节和控制固体颗粒循环量，但是在高温高压环境中，这类密封阀的稳定性和可控性表现欠佳，尤其当返料量较少时，极易使旋风分离器内的固体物料走空，导致旋风分离器失效或者内部结渣。

目前常用的机械密封装置包括闸阀、蝶阀等。此类密封阀在高温高压环境下表现也不是很好，均容易出现变形、堵塞、阀体和阀杆过热等问题，导致阀门无法操作，旋风分离器失效。此外，目前旋风分离器机械密封阀一般使用电机作为执行机构，由于电机在使用过程中频繁正反转，很容易触发电机过热保护、力矩保护，且电机内部活动部件频繁动作致使机械磨损过快，经常需要检修。

发明内容

本发明旨在提供一种高温旋风分离器机械密封装置及其控制方法，该密封装置具有耐高温、成本低、寿命长、控制策略简单、控制精度高、环境适应性强的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种高温旋风分离器机械密封装置，由密封阀、执行机构、差压控制系统三部分构成，所述密封阀由阀体、闸板、阀杆、闸板仓、阀杆定位销、耐火衬里、闸板仓反吹气管路、斜拉筋、阀盖组成，所述执行机构由电气阀门定位器、气缸、仪表气管路组成，所述差压控制系统由引压基点、差压变送器、引压口以及控制装置组成；

所述阀体为空心圆柱金属壳体，阀体两端与旋风分离器料腿通过法兰连接，阀体中部设有闸板，闸板与阀杆连接，能在阀体内平移运动；紧贴阀体内壁设置有耐火衬里；阀体侧面设有矩形开孔，开孔处与闸板仓的一端相连，闸板仓内部中心设有阀杆，闸板仓内水平方向设有阀杆定位销，闸板仓的端部设有阀盖；

阀杆的另一端连接气缸；斜拉筋一端连接旋风分离器料腿，另一端连接气缸。

所述执行机构的气缸外侧设有电气阀门定位器、气缸底部连接仪表气管路；控制装置向电气阀门定位器发出阀门控制的位置信号，电气阀门定位器将这个信号转化为气缸的运动命令，气缸内活塞在仪表气气源的动力下推动或者拉动阀杆，进而控制闸板的运动；

所述差压控制系统，控制装置采集引压基点与引压口之间的压差，通过压差计算出旋风分离器料腿内的物料高度，判断物料高度是否满足需求来控制密封阀内闸板的开度，这是一个动态过程，通过PID控制实时采集压差和控制闸板开度。

进一步地，所述闸板为矩形和半圆形组成的舌型耐高温不锈钢金属板片，闸板与阀杆的一端采用卡扣连接，阀杆带动闸板在阀体和闸板仓的联通空间内平移运动。

所述阀杆为耐高温不锈钢金属材质，阀杆的一端与闸板采用卡扣连接，另一端穿过闸板仓和阀盖与气缸采用螺纹相连，阀杆与阀盖之间采用密封环堆叠密封。所述阀杆定位销与阀杆的材质相同，阀杆定位销与阀杆焊接，阀杆带动阀杆定位销在闸板仓的空腔内平移运动，当阀杆定位销移动到闸板仓端部时起限位作用。

所述闸板仓为空心长方体金属壳体，闸板仓一端与阀体侧壁上的矩形开孔相连，另一端与阀盖相连，在闸板仓靠近阀盖一端的侧壁上设置有闸板仓反吹气管路，在闸板仓靠近阀盖一端的端面上设置有供阀杆穿过的圆孔，紧贴闸板仓侧壁面内部设置有耐火衬里，闸板仓内部空腔的外廓尺寸等于闸板的外廓尺寸加上盈余间隙。

所述耐火衬里为耐高温绝热材料，优选轻质刚玉莫来石。

所述斜拉筋为常规拉拽固定构件，其一端固定在料腿的侧壁面上，另一端则与气缸顶部相连。

所述阀盖为两个端面均设置圆孔的空心长方体金属壳体，阀盖的一端与闸板仓的一端采用法兰盘密封连接，阀盖的四周侧面设置有多层散热翅片，阀杆通过端面的圆孔穿过阀盖，阀杆与圆孔间采用密封环堆叠密封。

所述引压基点为料腿侧壁上开设的小孔，引压基点位于物料密相区的顶部，在料腿侧壁上沿引压基点向密相区底部等间距设置若干引压口，在引压基点和每个引压口之间设置一台差压变送器。

本发明提供了上述高温旋风分离器机械密封装置的控制方法，首先控制装置采集引压基点与引压口之间的压差，通过压差计算出旋风分离器料腿内的物料高度，判断物料高度是否满足需求，不满足需求则通过运算向电气阀门定位器发出阀门控制的位置信号，电气阀门定位器将这个信号转化为气缸的运动命令，气缸内活塞在仪表气气源的动力下推动或者拉动阀杆，控制闸板的运动，进而控制料腿内高温物料的下落。

进一步地，所述控制方法采用多段式PID控制逻辑，根据料腿内物料层（料封）高度与物料层压降之间的线性比例关系，通过DCS中PID回路控制阀门定位器进而调节阀门开度，使得物料层升高或降低，最终将引压口与引压基点之间的压差调整至设定值。所述引压口沿物料层高度方向采用多点布置形式以避免由于某一点引压口堵塞造成的数据测量误差和控制偏差。物料层压差与高度之间的函数关系式以及PID控制阀门开度的公式为：

ΔP = ρg H

其中：ΔP为物料层压差，H为物料层高度，ρ为物料层密度，g为重力加速度。

FeedBack = Kp × ((ΔΔP –ΔΔP_last) + Index × Ki × ΔΔP + Kd ×(ΔΔP - 2 × ΔΔP_last +ΔΔP_next))

其中：FeedBack为反馈给阀门的开度值，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，ΔΔP为本次测量ΔP与设定ΔP间的差值，ΔΔP_last为上次测量ΔP与设定ΔP间的差值，ΔΔP_next为上上次测量ΔP与设定ΔP间的差值，Index为积分分离系数。

本发明的有益效果：

（1）耐高温：采用耐高温材料，内衬耐火材料且阀盖设置散热翅片，使得本装置能够耐受较高温度。

（2）成本低：本发明与现有L阀、N阀相比结构简单、材料耗量小，成本较低。

（3）寿命长：本装置在使用中由于运动相对缓慢，又不需要绝对密封，与旋风物料不产生化学反应，可保证其长时间可靠运行。

（4）控制策略简单：本发明控制上仅仅采用普通的PI或PID调节方式就可实现稳定的料封控制，控制策略简单。

（5）控制精度高：由于采用了多段式PID控制逻辑，采用单点控制、多点监控的模式，可以有效提高控制精度。

（6）环境适应性强：本装置适用于各种高温旋风分离器的料封高度控制场合。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1为旋风分离器料腿；2为旋风分离器分离出的固体物料；3为引压基点；4为差压变送器；5为引压口；6为阀体；7为闸板；8为阀杆，9为闸板仓，10为阀杆定位销；11为耐火衬里；12为闸板仓反吹气管路；13为斜拉筋；14为阀盖；15为电气阀门定位器；16为气缸；17为仪表气管路。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1所示，一种高温旋风分离器机械密封装置，由密封阀、执行机构、差压控制系统三部分构成，所述密封阀由阀体6、闸板7、阀杆8、闸板仓9、阀杆定位销10、耐火衬里11、闸板仓反吹气管路12、斜拉筋13、阀盖14组成，所述执行机构由电气阀门定位器15、气缸16、仪表气管路17组成，所述差压控制系统由引压基点3、差压变送器4、引压口5以及控制装置组成；

所述阀体6为空心圆柱金属壳体，阀体6两端与旋风分离器料腿1通过法兰连接，阀体6中部设有闸板7，闸板7与阀杆8连接，能在阀体6内平移运动；紧贴阀体6内壁设置有耐火衬里11；阀体6侧面设有矩形开孔，开孔处与闸板仓9的一端相连，闸板仓9内部中心设有阀杆8，闸板仓9内水平方向设有阀杆定位销10，闸板仓9的端部设有阀盖；

阀杆8的另一端连接气缸16；斜拉筋13一端连接旋风分离器料腿1，另一端连接气缸16。

所述执行机构的气缸16外侧设有电气阀门定位器15、气缸16底部连接仪表气管路17；控制装置向电气阀门定位器15发出阀门控制的位置信号，电气阀门定位器15将这个信号转化为气缸的运动命令，气缸内活塞在仪表气气源的动力下推动或者拉动阀杆8，进而控制闸板7的运动；

所述差压控制系统，控制装置采集引压基点3与引压口5之间的压差，通过压差计算出旋风分离器料腿1内的物料高度，判断物料高度是否满足需求来控制密封阀内闸板的开度，这是一个动态过程，通过PID控制实时采集压差和控制闸板开度。

进一步地，所述闸板7为矩形和半圆形组成的舌型耐高温不锈钢金属板片，闸板7与阀杆8的一端采用卡扣连接，阀杆8带动闸板7在阀体6和闸板仓9的联通空间内平移运动。

所述阀杆8为耐高温不锈钢金属材质，阀杆8的一端与闸板7采用卡扣连接，另一端穿过闸板仓9和阀盖14与气缸16采用螺纹相连，阀杆8与阀盖14之间采用密封环堆叠密封。所述阀杆定位销10与阀杆8的材质相同，阀杆定位销10与阀杆8焊接，阀杆8带动阀杆定位销10闸板仓9的空腔内平移运动，当阀杆定位销移动到闸板仓端部时起限位作用。

所述闸板仓9为空心长方体金属壳体，闸板仓9一端与阀体6侧壁上的矩形开孔相连，另一端与阀盖14相连，在闸板仓9靠近阀盖14一端的侧壁上设置有闸板仓反吹气管路12，在闸板仓9靠近阀盖14一端的端面上设置有供阀杆8穿过的圆孔，紧贴闸板仓9侧壁面内部设置有耐火衬里11，闸板仓9内部空腔的外廓尺寸等于闸板7的外廓尺寸加上盈余间隙。

所述耐火衬里11为耐高温绝热材料，所述耐高温绝热材料包括轻质刚玉莫来石。

所述斜拉筋13为常规拉拽固定构件，其一端固定在旋风分离器料腿1的侧壁面上，另一端则与气缸16顶部相连。

所述阀盖14为两个端面均设置圆孔的空心长方体金属壳体，阀盖14的一端与闸板仓9的一端采用法兰盘密封连接，阀盖14的四周侧面设置有多层散热翅片，阀杆8通过端面的圆孔穿过阀盖14，阀杆8与圆孔间采用密封环堆叠密封。

所述引压基点3为旋风分离器料腿1侧壁上开设的小孔，引压基点3位于物料2密相区的顶部，在料腿1侧壁上沿引压基点向密相区底部等间距设置若干引压口5，在引压基点3和每个引压口5之间设置一台差压变送器4。

本发明提供了上述高温旋风分离器机械密封装置的控制方法，通过压差计算出旋风分离器料腿内的物料高度，判断物料高度是否满足需求，不满足需求则通过运算向电气阀门定位器发出阀门控制的位置信号，电气阀门定位器将这个信号转化为气缸的运动命令，气缸内活塞在仪表气气源的动力下推动或者拉动阀杆，控制闸板的运动，进而控制料腿内高温物料的下落。

进一步地，所述控制方法采用多段式PID控制逻辑，根据料腿1内物料层（料封）高度与物料层压降之间的线性比例关系，通过DCS中PID回路控制电气阀门定位器15进而调节阀门开度，使得物料层升高或降低，最终将引压口5与引压基点3之间的压差调整至设定值。所述引压口5沿物料层高度方向采用多点布置形式以避免由于某一点引压口堵塞造成的数据测量误差和控制偏差。物料层压差与高度之间的函数关系式以及PID控制阀门开度的公式为：

ΔP = ρg H

其中：ΔP为物料层压差，H为物料层高度，ρ为物料层密度，g为重力加速度。

FeedBack = Kp × ((ΔΔP –ΔΔP_last) + Index × Ki × ΔΔP + Kd ×(ΔΔP - 2 × ΔΔP_last +ΔΔP_next))

其中：FeedBack为反馈给阀门的开度值，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，ΔΔP为本次测量ΔP与设定ΔP间的差值，ΔΔP_last为上次测量ΔP与设定ΔP间的差值，ΔΔP_next为上上次测量ΔP与设定ΔP间的差值，Index为积分分离系数。

下面通过具体的实施例来说明本发明的技术方案。

实施例：

循环流化床煤气化炉高温旋风分离器料腿1的上部为分离出的高温（700-1100℃）物料2，旋风分离器料腿1下部安装有机械密封装置，该装置的阀体6横向放置并与旋风分离器料腿1之间采用法兰连接，阀体6为DN500的碳钢圆柱壳体，阀体6的右侧壁面开设300mm×140mm的矩形狭孔，阀体6在开孔处与闸板仓9的左端相连通，紧贴阀体6侧壁面内部设置有一层厚度150mm的氧化铝刚玉耐火衬里11，闸板7为230mm×200mm×40mm的310S舌型不锈钢板片，闸板7与阀杆8的左端采用卡扣连接，阀杆8为φ30mm、长120mm的310S不锈钢圆柱，阀杆8的右端穿过闸板仓9和阀盖14与气缸16采用螺纹相连，阀杆8与阀盖14之间采用密封环堆叠密封，闸板仓9为空心长方体灰铸铁金属壳体，其内部空间尺寸为200mm×300mm×140mm，闸板仓9的右端与阀盖14的左端相连，闸板仓9的右端侧壁上设置有闸板仓反吹气管路12，反吹气N₂从闸板仓9的右端向左端流动最终进入阀体6中，闸板仓9的右端面中心位置设置有一个供阀杆8穿过的φ30mm圆孔，阀杆8与圆孔间采用密封环堆叠密封，紧贴闸板仓9侧壁面内部设置有一层50mm厚的氧化铝刚玉耐火衬里11，阀杆定位销10为φ8mm、长30mm的310S金属条，阀杆定位销10与阀杆8左端之间的距离为50mm，斜拉筋13为304钢丝绳索，阀盖14为400mm×300mm×100mm的空心圆柱体金属壳体，阀盖14的左端与闸板仓9的右端采用法兰盘密封连接，阀盖14的左右端面中心位置各设置有一个供阀杆8穿过的φ30mm圆孔，阀杆8与圆孔间采用密封环堆叠密封，阀盖14的四周侧面设置有10层不锈钢散热翅片，借助散热翅片可将阀盖14和阀杆8外表面温度控制在60℃以下，引压基点3为料腿1侧壁上开设的φ10mm小孔，从引压基点3向下以4m的间距设置3个引压口5，引压基点3和每个引压口5之间设置一台差压变送器4。

运行过程中，首先根据物料层密度ρ和设定物料层高度计算出设定压差值，将压差设定值、阀门开度控制逻辑、阀门开度计算公式写入控制程序中，初始状态下闸板7为关闭状态，随着旋风分离器的持续工作，闸板7上方的物料2逐渐累积，随着物料层高度增加差压变送器4的读数逐渐增大，当差压读数达到并超过设定值后，DCS中的PID回路根据阀门开度公式控制电气阀门定位器15进而增大阀门开度，此时闸板7上方的物料2开始从闸板7打开的缝隙中落下，料层高度开始降低，当料层高度低于设定高度时DCS中的PID回路根据阀门开度公式控制电气阀门定位器15进而减小阀门开度，使得物料层高度始终位于设定值附近。

以上详细说明仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的范围。即凡是依据本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (10)

1.一种高温旋风分离器机械密封装置，其特征在于：由密封阀、执行机构、差压控制系统三部分构成，所述密封阀由阀体、闸板、阀杆、闸板仓、阀杆定位销、耐火衬里、闸板仓反吹气管路、斜拉筋、阀盖组成，所述执行机构由电气阀门定位器、气缸、仪表气管路组成，所述差压控制系统由引压基点、差压变送器、引压口以及控制装置组成；

所述阀体为空心圆柱金属壳体，阀体两端与旋风分离器料腿通过法兰连接，阀体中部设有闸板，闸板与阀杆连接，能在阀体内平移运动；紧贴阀体内壁设置有耐火衬里；阀体侧面设有矩形开孔，开孔处与闸板仓的一端相连，闸板仓内部中心设有阀杆，闸板仓内水平方向设有阀杆定位销，闸板仓的端部设有阀盖；

阀杆的另一端连接气缸；斜拉筋一端连接旋风分离器料腿，另一端连接气缸；

所述执行机构的气缸外侧设有电气阀门定位器、气缸底部连接仪表气管路；控制装置向电气阀门定位器发出阀门控制的位置信号，电气阀门定位器将这个信号转化为气缸的运动命令，气缸内活塞在仪表气气源的动力下推动或者拉动阀杆，进而控制闸板的运动；

所述差压控制系统，控制装置采集引压基点与引压口之间的压差，通过压差计算出旋风分离器料腿内的物料高度，判断物料高度是否满足需求来控制密封阀内闸板的开度，这是一个动态过程，通过PID控制实时采集压差和控制闸板开度。

2.根据权利要求1所述的高温旋风分离器机械密封装置，其特征在于：所述闸板为矩形和半圆形组成的舌型耐高温不锈钢金属板片，闸板与阀杆的一端采用卡扣连接，阀杆带动闸板在阀体和闸板仓的联通空间内平移运动。

3.根据权利要求1所述的高温旋风分离器机械密封装置，其特征在于：所述阀杆为耐高温不锈钢金属材质，阀杆的一端与闸板采用卡扣连接，另一端穿过闸板仓和阀盖与气缸采用螺纹相连，阀杆与阀盖之间采用密封环堆叠密封；

所述阀杆定位销与阀杆的材质相同，阀杆定位销与阀杆焊接，阀杆带动阀杆定位销在闸板仓的空腔内平移运动，当阀杆定位销移动到闸板仓端部时起限位作用。

4.根据权利要求1所述的高温旋风分离器机械密封装置，其特征在于：所述闸板仓为空心长方体金属壳体，闸板仓一端与阀体侧壁上的矩形开孔相连，另一端与阀盖相连，在闸板仓靠近阀盖一端的侧壁上设置有闸板仓反吹气管路，在闸板仓靠近阀盖一端的端面上设置有供阀杆穿过的圆孔，紧贴闸板仓侧壁面内部设置有耐火衬里，闸板仓内部空腔的外廓尺寸等于闸板的外廓尺寸加上盈余间隙。

5.根据权利要求1所述的高温旋风分离器机械密封装置，其特征在于：所述阀盖为两个端面均设置圆孔的空心长方体金属壳体，阀盖的一端与闸板仓的一端采用法兰盘密封连接，阀盖的四周侧面设置有多层散热翅片，阀杆通过端面的圆孔穿过阀盖，阀杆与圆孔间采用密封环堆叠密封。

6.根据权利要求1所述的高温旋风分离器机械密封装置，其特征在于：所述耐火衬里为耐高温绝热材料，所述耐高温绝热材料包括轻质刚玉莫来石。

7.根据权利要求1所述的高温旋风分离器机械密封装置，其特征在于：所述斜拉筋为常规拉拽固定构件，其一端固定在料腿的侧壁面上，另一端与气缸顶部相连。

8.根据权利要求1所述的高温旋风分离器机械密封装置，其特征在于：所述引压基点为料腿侧壁上开设的小孔，引压基点位于物料密相区的顶部，在料腿侧壁上沿引压基点向密相区底部等间距设置若干引压口，在引压基点和每个引压口之间设置一台差压变送器。

9.一种权利要求1~8任一项所述的高温旋风分离器机械密封装置的控制方法，其特征在于：

首先控制装置采集引压基点与引压口之间的压差，通过压差计算出旋风分离器料腿内的物料高度，判断物料高度是否满足需求，不满足需求则通过运算向电气阀门定位器发出阀门控制的位置信号，电气阀门定位器将这个信号转化为气缸的运动命令，气缸内活塞在仪表气气源的动力下推动或者拉动阀杆，控制闸板的运动，进而控制料腿内高温物料的下落。

10.根据权利要求9所述的高温旋风分离器机械密封装置的控制方法，其特征在于：所述控制方法采用多段式PID控制逻辑，根据料腿内物料层高度与物料层压降之间的线性比例关系，通过DCS中PID回路控制电气阀门定位器进而调节阀门开度，使得物料层升高或降低，最终将引压口与引压基点之间的压差调整至设定值；

所述引压口沿物料层高度方向采用多点布置形式以避免由于某一点引压口堵塞造成的数据测量误差和控制偏差；物料层压差与高度之间的函数关系式以及PID控制阀门开度的公式为：

ΔP = ρg H

其中：ΔP为物料层压差，H为物料层高度，ρ为物料层密度，g为重力加速度；

FeedBack = Kp × ((ΔΔP –ΔΔP_last) + Index × Ki × ΔΔP + Kd × (ΔΔP- 2 × ΔΔP_last +ΔΔP_next))

其中：FeedBack为反馈给阀门的开度值，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，ΔΔP为本次测量ΔP与设定ΔP间的差值，ΔΔP_last为上次测量ΔP与设定ΔP间的差值，ΔΔP_next为上上次测量ΔP与设定ΔP间的差值，Index为积分分离系数。

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