超超临界机组自力式液动高加给水三通阀关闭瞬态动力学分析.pdf

FL UI D MACHI NERY Vo 1 4 0， No 3， 2 01 2 文章编号 ： 1 0 0 5 0 3 2 9 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 4 4一 o 4 超超临界机组 自力式液动高加给水三通阀 关闭瞬态动力学分析 余建平 ， 余龙 ， 俞树荣 ， 程俭学 ， 孟新凌 ， 孙强 ( 1 兰州理工大学， 甘肃兰州 7 3 0 0 5 0 ； 2 河南开封高压阀门有限公司， 河南开封 4 7 5 0 0 2 ) 摘要： 建立了超超临界机组 自力式液动高加给水三通阀关闭瞬态动力学方程式， 并采用 MA T L A B编程求解了动力 学微分方程式， 计算得到了三通阀关闭速度、 关闭时间等重要特征参数。计算表明液动阀在毫秒级的时间内完成从静止 到加速过程， 此后以恒定速度完成阀的关闭。液压缸在3 5 M P a高压差的作用下， 最大阀芯最大关闭速度约为 0 9 m s ； 液 压缸进出口管径的大小对阀关闭时间有着重要的影响， 应在合理设计进出口管径基础之上再选择适当的调节阀， 以便精 确控制阀关闭时间。 关键词： 超超临界机组； 三通阀； 高压加热器； 液动 ； 关闭时间； 动力学分析 中图分 类号 ： T H1 3 8 ； T K 7 3 0 文献标识码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 2 0 3 0 1 0 Dy n a mi c S t u d y o n Hy d r a u l i c T h r e e - wa y F e e d i n g W a t e r Va l v e Cl o s i n g Pr o c e s s o f USC Uni t Hi g h p r e s s ur e He a t e r Y U J i a n p i n g ! ， Y U L o n g ， Y U S h u r o n g ， C H E N G J i a n X U e ， ME N G X i n 1 i n g ， S U N Q i a n g ( 1 L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0， C h i n a ； 2 H e n a n K a i f e n g H i g h P r e s s u r e V a l v e C o ， L t d ， K a i f e n g 4 7 5 0 0 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e d y n a mi c e q u a t i o n o n h y d r a u l i c t h r e e - wa y f e e d i n g w a t e r v alv e c l o s i n g p r o c e s s of US C u n i t i s e s t a b l i s h e d Th e i m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i c p a r a me t e r s ，s u c h a s c l o s i n g t i me a n d v e l o c i t y of s h a f t i s g a i n e d b y s o l v i n g t h e d i ff e r e n t i al e q u a t i o n Calc u l a t i o n s h o ws t h a t i n a f e w mi l l i s e c o n d t h e v a l v e c a n fi n i s h t h e a c c e l e r a t e d mo v e me n t T h e ma x i mu m c l o s i n g s p e e d i s a b o u t 0 9 m S u n d e r 3 5 Mp a d i ff e r e n t i a l p r e s s u r e C a l c u l a t i o n als o i n d i c a t e s t h a t d i a me t e r of p i p e t a k e s a n i mp o r t a n t r o l e o n t h e s h u t o f f t i me o f v alv e T o a c c u r a c y c o n t r o l the s h u t o ff t i me o f v alv e，i t i s i mp o rt a n t t o c h o o s e the d i a me t e r o f p i p e a n d r e g u l a t i n g v alv e K e y w o r d s ： U S C u n i t ( u l t r a s u p e r e ri t i c al u n i t ) ； t h r e e w ay v al v e ； h i g h p r e s s u r e h e a t e r ； c l o s i n g t i me ； d y n a m i c anal y s i s 1 前言 液动高加给水三通阀专为高压加热器运行和 解列切换而设计， 是保障锅炉给水系统安全运行 的重要 的控 制阀门。当锅炉系统正常运行时 ， 锅 炉给水从三通阀的主回路进入高压加热器 ， 通过 出口阀至锅炉。当高加 出现故障时 ， 高加给水三 通阀的主回路快速关闭， 旁通回路打开， 以保证高 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 53 0 修稿 日期 ： 2 0 1 2一 O 11 l 基金项 目： 兰州理工大学博士基金( B S 0 5 2 0 0 9 0 7 ) 压加热器解列 ， 但不影响锅炉正常供水。 超超临界机组常用的高加给水三通阀按启闭 方式有电动和液动 自力式等形式。电动形式 采用多种结 构的电机执行机构 实现三通 阀的开 闭。液动自力式三通阀是根据高加给水管路里的 差压来进行动作的。由于 自力式三通阀不需要额 外 的动力源 ， 且阀门启闭时间可根据需要进行调 整。因而具有操作简便 、 可靠耐用等优点 ， 在高参 2 0 1 2年第 4 0卷第 3期 流体机械 4 5 数的机组 中得到广泛的应用 心 3 。 液动 自力式三通阀工作过程是 ： 当高压加热 器系统出现故障时， 锅炉控制系统输出信号， 打开 控制针阀及快开阀( 如图 1所示 ) ， 控制针 阀开启 将执行机构液压缸上腔充液加压 ， 快开 阀开启将 液压缸下腔压力泄放 。2个 阀开启后在液压缸产 生压力差 ， 阀芯在压差 的推动下向下运动 ， 关闭主 回路 ， 同时打开旁路 ， 完成高加解列 ； 当进 口、 出 口 旁路阀关到位后 ， 液压缸上腔继续保持压力 ， 以确 保旁路 阀动作安全可靠 。 图 1 三通 阀结构不 意 由液动 自力式三通阀工作过程可知 ， 液压缸 内压 力的变化决 定 着 阀芯 的运动状 态 ， 对 阀芯 的运 动过 程 的控 制是 有重 要 的工程 意义 的， 其 作用表现在 2个方 面 ： ( 1 ) 液动 阀关 闭时 间过 长则会 影 响高加 解 列 ， 不利于系统安全运行 ， 故锅炉 给水 系统 工艺 设计要求液动阀关 闭时间小 于 5 s ； ( 2 ) 如液动阀关闭时 间过短 ， 则意 味着 阀芯 以很高的速度 关 闭 ， 这 样会 在关 闭 的瞬 间 阀芯 与阀体产生较大 的冲击作 用力导致 阀芯或 阀体 密封面损坏 。 因而对阀芯关 闭时间进行理论分析将有助于 给水三通 阀的安全长寿运行。 2 液压缸动力分析 对三通阀的液压缸 的结构进行简化可得如下 结构示意图( 如图 2所示 ) 。 为了便 于说明问题 ， 将 水的流动通道分 为 3 部分 ： 控制针形阀所在的管道称 为管路 1 ； 快开阀 所在管道称为管路 2 ； 由于液压缸下腔 阀杆与 阀 体之间有一圆环形狭缝 ， 经计算狭缝 的面积及与 阀 1和阀2的流通截面积数量级相当， 不能忽略。 故将这个水 流通道称为管路 3 ， 各管路的参数符 号如表 1 所示。 P， A Q P A Q 图 2 三通阀液压缸示意 表 1 管路参数符号 管路 人 口压力 出 口压力 面积 流阻 流量 流速 管路 1 P f P l l t Q 1 管路 2 P 2 A 2 Q 2 2 管路 3 P f A 3 Q 3 3 2 1 阀杆动力学分析 阀杆受力来源于两部分 ， 一是液压缸对 阀杆 的作用力 。二是阀芯处水流对 阀杆的作用力 ， 如 阀芯运动时水对 阀芯的阻力等。由于液压缸对阀 杆的作用力远大于阀芯处水流作用力。因而忽略 锅炉给水在阀芯上产生 的各项作用力 ， 仅分析液 压缸作用于阀杆上的力。 液压缸作用于阀杆上的力有 3个 ： ( 1 ) 液压缸活塞上下表面压力差4 P=P 一 P ； ( 2 ) 液压缸活塞与缸体的摩擦力 ； ( 3 ) 阀杆及液压缸的重力 m g 。 由此建立动力学方程式 ： m = 一 f +m g ( P 1 - p 2 ) A- f+r a g ( 1 ) 式中A 液压缸截面积 液压缸移动速度 式( 1 ) 边界条件为 ： t=0时 V=0； 要求解式 ( 1 ) 需要知道液压缸内上下腔的压力 P 和P ： 。 FL UI D MACHI NERY Vo 1 4 0， No 3， 2 01 2 2 2 液压缸上腔压力的计算 由伯努利方程知对于压差为 p的管路， 压差 与流速之间存在如下表达式 引： 2 却= 等 ( 2 ) 因而对于管路 1 存在 ： Pl 一Pl ( 3 ) 又根据液压缸移动知 Q 。=A V， 代人式 ( 3 ) 化简得 ： p t p ， 一 t 俨 ( 4 ) 式( 4 ) 示出液压缸上腔压力计算， 表明液压 缸上腔压力受到控制针阀人口压力及管路特性参 数的影响。 2 3 液压缸 下腔压力的计算 类 比式 ( 3 ) ， 对于管路 2及管路 3的进 出口 压力差计算式： p 2 = 其中 p 2=P 2一P 0 p ， 其中 p 3= 一P 2 由此可得到 ： ) 2A p 3 A ) (6 ) 由液压缸移动规律可知 ： Q =Q ：一Q ，=AV ( 7 ) 将式( 5 ) 与( 6 ) 代入式( 7 ) 中得： ( ) 一 2 A p ，3A ( 8 ) 令 2 则式 ( 8 ) 改写为： u 2 一 3 V P f - P 2=A V( 9 ) 式( 9 ) 为液压缸下腔的压力计算。液压缸下腔 压力P 与液压缸移动速度 V 之间为一隐式表达式。 3 计算结果分析 式 ( 1 ) 为一阶非线性微分方程 ， 对其采用变 步长四阶五级 R u n g eK u t t a法在 MA T L A B下 编 程求解 训 。 计算过程中采用的参数如表 2所示。表中流阻 系数取 自文献 4 ， 结构尺寸取 自阀门设计参数。 表 2 计算参数 项目 数值 液压缸直径 D( m) 0 1 6 液压缸行程 日( m) 0 1 6 入 口管道直径 d ， ( m) 0 O 2 O 出口管道直径 d 2 ( m) 0 O 2 0 阀杆直径 d ( i n ) 0 O 6 o 孑 L 隙直径 d d ( m) 0 0 6 2 快开阀出口压力p 0 ( MP a ) 03 O 控制阀进 口压力p ， ( M P a ) 3 5 控制针阀流阻 1 4 快开阀流阻 3 5 狭缝流阻 2 阀质量 m( k g ) 1 2 5 摩擦力， ( N) 2 7 6 9 5 流体密度P( k g m ) 9 9 8 3 1 液压缸上下腔压力分析 图3 示出在快开阀不同出口压力条件下液压 缸上腔压力随快时间变化的曲线。 皇 3 5 粤 3 3 培 出 31 O 000 0 6 时间( s ) 图3 液压缸上腔压力与时间关系 皇 3 1 5 3 0 5 幽 链2 9 5 O 0 0 0 06 时间( s ) 图4 液压缸下腔压力与时间关系 从图3中可看出液压缸上腔压力受快开阀出口 压力的影响。当快开阀出口压力较低时， 液压缸压 力也相应较低。但快开阀出口压力对液压缸上腔压 2 0 1 2年第 4 0 卷第3期 流体机械 4 7 力影响不是很大 ， 快开阀出口压力从 01 0 M P a变 化， 液压缸上腔压力也仅有 2 M P a的变化。 图4示出在快开阀不同出 口压力条件下液压 缸下腔压力随时间变化 的曲线。 与图 5类似 ， 快开阀出口压力对液压缸上腔 压力影响不是很大。 结合图 3与图 4可看 出， 液压缸上下腔压力 在不到 0 4 m s的时间内达到平衡 状态 ， 即上下缸 压力相同且保持不变。这也意味此时上下液压缸 的压力差 、 阀芯与阀杆重力 、 活塞摩擦力三者之间 达到平衡 。此时阀芯作匀速运动直到关闭。 3 2 阀芯关闭速度分析 阀芯的关闭速度大小会影响到阀芯与阀座接 触瞬态时 的应力 ， 过大会 导致 阀座损坏。当控制 针 阀前 的压力恒定 时 ， 最可能影 响到阀芯关闭速 度的是快开阀出口的压力 。图 5示 出阀芯在快开 阀出 口不同压力下的关闭速度。 O 8 篆0 4 拍 匿 O 时 间( s ) 图 5 快开阀出 口压力变化对 阀关 闭速度 的影响 从 图中可看 出： ( 1 ) 阀芯初 始时速度为零 ， 逐 渐增大 。当阀杆受力达到平衡状态时阀芯速度达 到最大且保持恒定。阀芯最终 以匀速运动实现关 闭。( 2 ) 阀芯达到最大速度所需 的时间很短 ， 仅 在毫秒级达到最大速度。( 3 ) 快开阀出口压力对 阀芯关闭速度有一定影响。当快开阀出口压力由 3 0 MP a降低到 0 MP a时 ， 阀芯关闭速度 由0 2 m s 增大到 0 9 m s 。 3 3阀芯关闭时间分析 阀芯关 闭时间影响到高压加热器能否快速解 列 ， 对 于现场操作有重要意义。严格说表 2中任 何一个 因素的改变都可以影 响阀芯关闭时间 ， 为 简化问题仅分析工程中可控制或操作的因素， 如 控制针阀流阻、 管径等因素对阀关闭时间的影响。 仔细分析可知 ， 控制针 阀改变流阻与改变管 道直径 的机理是一样的 ， 当控制针阀开度减小 。 也 意味着流体的流通截面积的减小 ， 但是调节阀调 节流通截面的能力有限 ， 比如一 闸板阀在 1 8开 度时流阻系数为 9 7， 再小开度时不易精确控制流 量。这时需要首先设计一个适 当的管道直径再配 合调节阀调节作用 可较为精确地 控制阀关闭时 间。图 6示 出不同流阻系数、 不同管径下的阀关 闭时间， 可以看出， 管道的直径对阀关闭时间有着 较大的影响， 对于 1 0 m m 的管道 ， 阀关闭时间在 1 5 s ， 而管径加大到 2 0 m m时 ， 阀关闭时间则不到 2 s 。计算结果提示设计阀门液压缸时应首先考虑 管道直径对阀关闭时间的影响。当选定适当的管 道直径后再配合控制针阀的开度大小调节阀关闭 时间。还需要说明的是 ， 在计算过程 中不考虑管 道及阀可能处于阻塞流工况 ， 如处于阻塞 流工况 则需会延长 阀关 闭时间 ， 阻塞流状况在高压差下 是有可能发生的。 6 厘 莒3 取 斗 K O O 5 O 1 o o 调节 阀流阻 系数 图6 管径及调节阀流阻对阀关闭时间的影响 3 4 计算公式的简化 当阀芯在微小的时间内便达到稳态， 在工程 中计算阀芯关闭时间及速度时可不用考虑。此 时， 阀芯的关闭速度的计算式可简化为 ： ( p 1一P 2 ) A一 +m g =0 ( 1 0 ) 式( 1 0 ) 虽然是关 于速度 的隐函数表达式 ， 直接求解还有诸多不便 ， 但不用求解偏微分方程 是一大优势。 4结语 ( 1 ) 阀的关 闭过程是一个非稳态过程 ， 速度 由零达到某一最大速度 ， 计算表 明， 本图所给结构 阀芯最大运动速度约为 0 9 m s ， 在后续设计 中可 参考这速度分析阀芯关闭时是否会对阀座造成冲 击损坏 ； 。 ( 下转第4 3页) 2 0 1 2年第 4 0卷第 3期 流体机械 4 3 粒径为 O 3 2 m， 再加上采用独特的化学气相 沉积法工艺和设备， 因而质地均一， 加工后的密封 面精度和光洁度极高， 具有极佳的机械密封性能 和摩擦磨损特性 。目前德 国、 日本 、 英国、 俄罗斯 ， 乌克兰等国， 在各 向同性热解石墨材料研制 和应 用方面都处于领先地位 ， 俄罗斯研制的各 向同性 热解石墨材料 ， 具有抗烧蚀 ， 抗氧化 ， 致密 ， 光滑细 腻， 气孔降低， 耐磨性好等特点， 在宇航军工和高 性能机械密封领域都有着广泛应用； ( 2 ) 碳 一碳复合材料 的研 制和应用 ， 也 是碳 石墨材料科技进展的重点 ； 虽然制造方法较多 ， 但 碳纤维材料的加入制造的碳 一碳复合材料更引人 注 目。它不仅 能显著提高碳 一碳 复合材料 的抗 压、 抗 折强度和模 量 ， 降低摩擦系数 ， 而且 能大大 提高碳石墨环的摩擦磨损性 能和抗 冲击强度 ， 可 满足更复杂工况条件下产品的使用要求； ( 3 ) 高强度高密度碳石墨密封材料虽有 良好 的力 学 性 能 ， 我 国 也 进 行 了 研 制 和 应 用 工 作【 8 引， 但 目前应用 并不普遍 ， 要进 一步提 高产 品质量， 降低生产成本， 以快速发展的趋势迎合市 场发展的需要 。 上述碳石墨材料的发展趋势我 国都有一定的 技术进展 ， 但产品质量较发达国家仍有较大差距。 为了满足 国民经济快速发展的需要 ， 建议有关部 门组织协同攻关 ， 发挥好国内人力 ， 财力和设备等 有关资源 ， 以实现我 国碳石墨材料快速发展 的美 好未来 ， 早 日赶超世界先进水平。 参 考文献 1 密封材料专利文摘 ( 一， 二， 三分册 ) E B O L 机 械工业密封科技情报网， 1 9 8 5 2 宋正芳 碳石墨材料的性能及其应用 M 北京： 机 械工业出版社 ， 1 9 8 7 3 沈辽湘， 关于高强度细颗粒碳石墨密封材料制造工 艺的研究 J 电碳， 1 9 8 8 ， ( 4 ) ： 1 0 - 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1 5 3 5 翟瑞彩 数值分析 M 天津： 天津大学 出版社， 2 0 0 0： 2 7 6 - 2 8 9 6 贾秋玲 基 于 MA T L A B 7 X MU L I N K S T A T E F L O W 系统仿真 、 分析及设计 M 西安： 西北工业 大学出版社， 2 0 0 6 ： 1 0 5 - 1 8 3 7 王正林 精通 MA T L A B 7 M 北京： 电子工业出版 社 。 2 0 0 6 作者简介 ： 余建平( 1 9 7 0一) ， 男 ， 博 士 ， 主要从 事热能工程研 究 ， 通讯地址 ： 7 3 0 0 5 0甘肃兰州市七里河 区兰工坪 2 8 7号兰州理 工大学石油化工学院。