阀门流量特性（共5篇）
阀门流量特性 篇1
引言
目前火电机组汽轮机大部分采用数字电液控制系统 (DEH) 。DEH是一个相对独立的系统, 主要的功能有转速控制、负荷控制、阀门控制、阀门管理、负荷限制等。DEH中, 阀门流量特性曲线是一个重要的函数, 是流经阀门的蒸汽流量与阀门开度的对应关系, 其与阀门实际特性是否吻合将直接影响调节系统的品质和机组运行的经济性。如果流量特性曲线与实际阀门流量特性存在差异, 则在阀门切换过程中负荷扰动就比较大, 运行中负荷控制精度降低。通过对某600MW超临界机组进行B修后阀门特性试验, 确认实际阀门流量特性曲线与厂家提供的设计曲线是否一致, 并适当进行修正。
1 B修后DEH阀门特性试验
2012年5月, 对某600MW机组进行B修后的汽轮机阀门特性试验。该机组为日本日立公司生产制造的600MW超临界压力汽轮机, DEH控制系统为日立H5000M系统。通过对修后汽轮机阀门特性试验, 确认实际阀门特性曲线是否偏离厂家提供的设计曲线, 如有偏离将对阀门特性曲线进行修正, 改善汽轮机DEH的调节品质, 满足机组稳定运行的要求。
1.1 试验条件
(1) 汽机有关油系统检修工作全部完毕, 经检查符合质量要求, 并具备试验条件;
(2) EH液压系统已投入正常运行, EH油质化验合格;
(3) 汽轮机调速油系统具备运行条件;
(4) 就地LVDT、伺服阀安装接线完毕, 具备调试、试验条件;
(5) 热工信号、测量和控制系统全面检查正确无误后, 已恢复正常运行, 画面显示无异常;
(6) 试验热工信号系统、显示画面、信号光字牌、音响报警、打印记录正常;
(7) 相关连锁试验结束, 并符合规定要求;
1.2 试验步骤
首先对阀门位置指示校准:
(1) 汽轮机处于停机状态, 检查油动机LVDT, 使油动机LVDT工作在其线性区内;
(2) 启动大机EH油泵和调速油泵, 检查油压、油温正常, 必要时投入油温冷却;
(3) 脱扣状态下, 检查测量油动机位置, 并做好标记;
(4) 检查影响大机挂闸的条件, 通过解除保护或强制信号, 使大机具备挂闸条件, 联系运行人员挂闸;检查就地油动机位置, 并与挂闸前位置比较, 调整伺服卡和LVDT信号, 使调门在全关状态下, 开度指示为零, 并使每个调门的两个LVDT信号基本一致;
(5) 通过操作员逐步增大调门指令, 就地检查调门实际位置变化, 当指令为100%, 测量伺服卡输出, 就地测量每个调门油动机的实际行程, 并与设计要求比较, 确认阀门全开时, 阀门开度指示为100%;
(6) 通过调门全开、全关调整后, 每个调门实际行程和位置应与设计要求基本一致;
(7) 如果伺服卡为双冗余配置, 调整伺服卡时, 应保证每个调门对应双输出信号基本一致, 保证正常运行无扰切换;逐一检查调门调节死区, 死区<1.0%。
其次调门零点、满度整定完毕, 通过操作员给定调门指令, 检查调门实际开度和DCS显示开度, 实际开度与设计基本误差应满足制造厂的规定值, 测量就地阀门实际行程及阀门位置指示装置 (LVDT) 反馈信号, 将数据记录在表1内 (限于本文需要, 阀门实际行程数据未列于表1内) 。
1.3 绘制阀门试验流量特性曲线
根据试验数据绘制阀门试验流量特性曲线, 见图1。
根据机组日立公司DEH系统中阀门特性曲线, 调出流量指令与DEH调门指令的相关数据表, 见表2。
根据DEH厂家流量指令与DEH调门指令的相关数据表绘制给定曲线, 并将试验获取的阀门流量特性曲线绘制在同一图表中, 分别得出CV1、CV2、CV3、CV4阀门试验曲线与厂家给定特性曲线的对比图, 见图2:
2 试验结果分析
通过对某600MW超临界机组B修后DEH控制系统阀门特性试验, 对比各个阀门的试验特性曲线与厂家给定特性曲线, 其DEH在不同流量指令下, 阀门实际开度与汽轮机厂家设计要求基本一致, 调门流量特性曲线不需要修改。DEH阀门控制精度较高, 可以满足机组启停及正常运行的要求。
3 结语
阀门特性曲线是汽轮机DEH中一个重要的参数, 如果曲线与阀门实际特性不符, 将影响机组的调节控制。在机组大修及阀门改造后, 需按规程要求进行阀门特性试验。如出现曲线偏离的情况, 可以根据机组运行情况进行适当修改, 改善汽轮机DEH调节品质, 确保机组安全稳定运行。
参考文献
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阀门流量特性 篇2
近年来, 中国电力系统多次发生由低频振荡引发的电网事故[1]。电力系统的低频振荡会严重影响电网及并网机组的安全稳定性。当电网稳定性遭到破坏时, 将对国民经济和人民生活造成严重损失。多个发达国家 (如美国、日本) 都曾有过这方面的惨重教训[2]。
目前, 电力系统低频振荡的起因和机理还不十分明确[3,4,5,6,7,8,9]。电力系统强迫振荡理论指出, 当系统持续的周期性功率扰动频率接近系统功率振荡固有频率时, 会引起大幅度的功率振荡, 扰动引起的响应不仅与电力系统本身的特性有关, 也与扰动变化规律有关[10,11]。
2008年4月21日, 南方电网发生一起低频振荡事故[12,13]:云南红河电厂2号机组在进行汽轮机调阀切换 (单阀切为顺序阀) 时, 由于机组运行工况控制不佳, 引发汽轮机调阀波动, 进而造成负荷波动 (负荷波动范围为142~165 MW) 。机组对电网产生一个持续的频率约为0.38 Hz的强迫扰动, 该扰动频率与系统固有频率比较接近, 从而使电网产生低频振荡。
汽轮机阀门流量特性是指汽轮机调节阀门开度与通过阀门的蒸汽流量呈对应关系。现有的汽轮机调速器模型通常不考虑阀门流量特性对模型结构的影响, 因此, 在实际应用过程中, 该模型难以解释某些条件下的汽轮机功率波动现象。例如:实际系统已发生功率波动, 而仿真结果却表明系统应能够稳定;或者实际系统只在特定的工况点发生波动的情况。
本文通过建立计及阀门流量特性的汽轮机调速器模型, 考察了汽轮机阀门流量特性对电源负荷波动的影响。研究表明, 机组阀门流量特性不理想时, 会造成功率的周期性波动。同时, 本文提出了汽轮机调速系统控制策略的改进方法, 该方法能够很好地提高系统阻尼, 迅速消除扰动, 平息功率波动, 并且不影响正常情况下的系统控制效果。
1 计及阀门流量特性的汽轮机及其调速系统建模
不考虑主蒸汽压力变化时, 计及阀门流量特性的汽轮机及其调速系统模型 (负荷控制方式) 如图1所示。
图1中:调节系统前馈作用的结果一般为汽轮机功率设定值与一次调频功率调整值之和;K为前馈作用的增益系数;T为执行机构的时间常数;汽轮机的调节阀门流量特性f (x) 为调节阀阀位的函数, 对应一定阀门开度条件下进入汽轮机的蒸汽流量。控制系统的传递函数GK (s) 为:
式中:KP, KI, KD分别为比例—积分—微分环节的比例系数、积分系数和微分系数。
当汽轮机阀门未到达极限位置 (完全关闭或开启) 时, 可以忽略执行机构中的饱和环节, 此时执行机构的传递函数GZ (s) 为:
大容量、高参数的汽轮机往往由高、中、低压缸3个部分组成, 中、低压缸由连通管连接。在实际的汽轮机及其调速系统参数测试过程中, 发现汽轮机连通管的蒸汽容积通常很小, 可以对中、低压缸进行合缸处理[14], 此时汽轮机模型的传递函数GT (s) 为:
式中:TCH为高压汽室蒸汽容积时间;TRH为再热蒸汽容积时间;FHP为高压缸功率系数;λ为高压缸功率过调系数。
实际上, 汽轮机阀门开度与进入汽轮机的蒸汽流量呈非线性关系。汽轮机实际调节系统通过设置阀门流量特性函数, 将流量指令转换为对应的阀位指令, 在汽轮机调速器模型中往往将流量指令等同于阀位指令。因此, 模型中的阀门流量特性实际对应等效阀位 (这时阀位指令等于流量指令) 与蒸汽流量间的关系。汽轮机阀门流量特性曲线通常是根据汽轮机厂家提供的技术参数确定的, 理论上能够与阀门实际特性对应, 所以当阀门流量特性函数能够准确反映实际的阀门流量特性时, f (x) =x (x为汽轮机等效阀位) , 这时可以不考虑阀门流量特性对系统的影响。阀门的制造、组装、检修或更换都有可能使阀门的实际特性与预设的阀门流量函数存在偏差, 此时必须在汽轮机及其调速系统建模过程中考虑汽轮机调节阀门流量特性的影响。用分段线性函数表征汽轮机阀门流量特性, 即
式中:kx为f (x) 的斜率;x2为相对于x1小开度变化范围内的稳态等效阀位。
当汽轮机阀门流量特性不理想时, k≠1, 且不同工况下的k不相等 (k代表阀门流量的局部特性) 。k可由式 (5) 近似得到, 即
模型结构决定了稳态条件下的蒸汽流量和等效阀位分别对应有功功率和流量指令, 则式 (5) 可表示为:
式中:P1和P2为有功功率;F1和F2为流量指令。
2 电力系统仿真计算
在计及汽轮机阀门流量特性的前提下, 利用电力系统综合分析程序 (PSASP) 对单机无穷大系统进行仿真计算。负荷控制方式下的单机系统接线如图2所示。
图2中:从发电机处反馈来的有功功率与机组功率设定值经汽轮机调速系统比较运算后生成用于控制汽轮机调节阀的阀位指令;调节阀根据阀位指令调整实际的阀门开度, 从而改变进入汽轮机的蒸汽流量;蒸汽流量在汽轮机内膨胀做功最终输出汽轮机的机械功率, 机械功率经发电机转换成电磁功率后注入电网。
图2中相关模型 (汽轮机及其调速系统、励磁系统等) 所用的参数为实测数据。利用PSASP的用户自定义功能可建立汽轮机及其调速系统模型。仿真计算用汽轮机及其调速系统部分参数见附录A表A1。发电机模型采用PSASP 6.26中的6型发电机模型, 其数学方程参见文献[15]。
实际发电机系统中, 不能忽略励磁系统及电力系统稳定器 (PSS) 的影响, 本文将在仿真计算中对其加以考虑。由于本文重点考察汽轮机阀门流量特性对系统的影响, 因此, 不对励磁系统及PSS的数学物理方程进行详细叙述。
2.1 阀门流量特性存在小偏差的电力系统仿真计算
一次调频试验是人为地模拟汽轮机转速的阶跃变化, 快速改变汽轮机出力, 从而考察该机组的频率响应特性。机组一次调频试验的实际波形如图3所示。由图3可以看出:转速阶跃改变后, 流量指令阶跃增大;40s后, 机组功率变化趋于稳定, 可以认为机组进入稳定状态, 与刚发生转速阶跃时的流量指令相比, 稳态流量指令较小。机组前馈增益系数为1, 即当机组阀门流量函数能够反映实际阀门流量特性时, 转速阶跃时的初始流量指令等于稳态流量指令。这说明, 此时的阀门流量函数与阀门流量特性之间存在偏差, 如果考虑试验过程中主蒸汽压力的下降, 则偏差将更大。
图3中, 主蒸汽压力的变化很小, 故可以用不考虑主蒸汽压力变化的汽轮机调速器模型来模拟该机组的实际运行特性, 模型中反映汽轮机局部阀门流量特性的k可由式 (6) 得到。由于该机组负荷控制回路的前馈增益系数为1, 故由式 (6) 可得, k由初始流量指令改变量与稳态流量指令改变量的比值决定, 其值约为1.2 (初始流量指令改变量是指转速阶跃变化时的流量指令改变量, 稳态流量指令改变量是指转速阶跃变化前后的稳态流量指令改变量) 。
汽轮机模型的仿真结果如图4所示。由图4可以看出, 阀门流量特性对仿真计算的准确性有较大的影响, 计及阀门流量特性的汽轮机模型仿真计算结果与实际情况更加吻合, 因此有必要考察机组阀门流量特性对电力系统工作特性的影响。
2.2 阀门流量特性存在大偏差的电力系统仿真计算
在2.1节基础上依次改变k值, 仿真结果见图5。由图5可以看出:随着阀门流量局部特性变差, 机组功率振荡的趋势增大;当k=5时, 机组功率出现持续振荡现象。
3 阀门流量特性对电力系统稳定性影响的机理分析
由图2可知, 负荷控制下的单机系统是闭环控制系统, 则其闭环特征方程为:
式中:GEN (s) 为发电机模型的传递函数。
发电机高阶模型的非线性程度较高, 如果再考虑励磁系统、PSS的影响, 发电机模型会变得更加复杂。基于Prony分析的思想基础:根据输出/输入在扰动作用下的关系, 可以从全阶模型中抽取出线性化的低阶模型, 从而得到相关的传递函数[16]。在基于实测参数的前提下, 计及励磁系统、PSS影响的发电机模型可表示为:
发电机的全阶模型和降阶模型在一定扰动输入下的计算曲线如图6所示。
当k为0到∞时, 式 (7) 的根轨迹如附录A图A1所示。可以看出, 随着k的增大, 有2个共轭极点延伸至实轴零点的右侧, 这时系统不再稳定。这就是阀门流量局部特性增大造成机组发生功率振荡的原因。
某机组阀门流量特性试验的部分数据[17]如表1所示。
由表1可以看出, 当流量指令在90%~95%附近时, k明显偏大。结合阀门流量特性对电力系统稳定性影响的机理分析结果, 可以很好地解释该机组流量指令在90%~95%附近的功率波动现象。其中,
式中:ΔFG为机组流量指令增加时的实际蒸汽流量增量;ΔFL为流量指令增量。
4 汽轮机的改进控制策略
文献[18]通过仿真和实际试验得出:当机组功率发生持续波动时, 将负荷控制切换为手动控制可以快速平息波动。然而由于控制模式需运行人员手动切换, 增加了不确定的主观因素。以南方电网2008年4月21日低频振荡事故为例, 红河电厂2号机组功率持续波动时间超过6 min, 而运行人员始终未进行干预。因此, 在控制策略的选择上需排除人为主观因素的影响。
从控制策略出发, 2.2节中的功率波动可以认为是控制器过度调节引发的。因此, 在控制系统的比例—积分—微分控制环节后增加速率限制环节, 以抑制此种过度调节。改进控制策略如图7所示。图7中速率限制环节的速率限值为30 MW/min。
以2.2节的算例为基础进行仿真计算, 改进后k=5时的仿真曲线如图8所示。
由图8可知, 改进后的控制策略能够在阀门流量特性不佳时减小控制器的过调, 从而抑制机组的功率波动。当局部阀门流量特性正常 (即k=1) 时, 改进策略与原始控制策略的仿真曲线如图9所示。
由图9可知, 在正常情况下, 改进的控制策略不影响控制系统的调节品质。
由电力系统低频振荡共振机制的推导可知, 共振振荡的振幅B为:
式中:F0为扰动幅值;ν为频率比;ξ为阻尼比;KS为发电机同步转矩系数。
当汽轮机功率无波动时, F0=0, B=0, 即低频振荡消失。因此, 改进后的控制策略能够有效预防功率波动引起的电网低频振荡。
5 结语
通过汽轮机阀门流量特性对电力系统安全稳定性的仿真计算和机理研究发现:当汽轮机阀门流量特性不理想 (表现为局部流量特性不佳) 时, 会引起机组在特定工况范围内的功率波动。当机组功率波动时的频率接近电力系统固有的功率共振频率时, 有可能引起电网的低频振荡。通过对系统控制策略的改进, 能够有效抑制机组的功率波动。鉴于机组阀门流量特性对电网安全稳定运行的重要影响, 对并网机组进行汽轮机阀门流量特性试验, 使机组阀门流量特性函数能够真实反映实际阀门流量特性变得很有意义。
管道阀门的安装及特性分析 篇3
(一) 按作用分
按照阀门的作用来看, 其可分为截断阀、调节阀、止回阀、分流阀以及安全阀。其中截流阀的作用是接通或者截断介质流, 截流阀包括针型仪表阀、碟阀、旋塞阀、隔膜阀、球塞阀、闸阀、柱塞阀、截止阀以及球阀等等;调节阀顾名思义其作用就是调节介质流的压力、流量等, 调节阀还有节流阀以及减压阀等;止回阀的作用是防止管道内介质倒流, 止回阀的结构有多种;分流阀则主要用于介质的混合、分离以及分配, 疏水阀、分配阀等都属于分流阀;此外还有安全阀, 在介质超压时, 安全阀会起到安全保护的作用。
(二) 按阀门主要参数分
1、压力
按压力进行分类, 阀门可以分为真空阀、低压阀、中压阀、高压阀以及超高压阀。其中真空阀的工作压力要低于标准大气压;低压阀的公称压力小于1.6 Mpa;中压阀的在2.5 Mpa到6.4Mpa之间;高压阀在10.0 Mpa到80.0 Mpa之间, 超高压阀的公称压力则大于100 Mpa。
2、介质温度
按照介质的温度来进行分类, 阀门可分由低到高五个等级, 即超低温阀、低温阀、常温阀、中温阀以及高温阀。其中超低温阀的介质温度小于-100℃, 低温阀的介质温度则大小-100℃到-40℃之间, 常温阀的介质温度在-40℃到120℃之间, 中温阀则在120℃到450℃之间, 介质温度大于450℃的要采用高温阀。
3、材料
按照材料分类阀门可以分为金属阀门、非金属阀门以及金属阀体衬里阀门。这其中铸铁阀门、碳钢阀门、蒙乃尔合金阀门、铝合金阀门、铸钢阀门、钛合金阀门、铅合金阀门、低合金钢阀门、铜合金阀门以及高合金钢阀门都是金属阀门;而非金属阀门有塑料、玻璃以及陶瓷等;衬塑料、衬搪瓷、衬铅的阀门则属于金属阀体衬里阀门等。
(三) 通用分类
除上述分类方法外, 还有一种国际、国内都常用到通用分类方法。通用分类按照阀门的结构、作用以及原理进行划分, 按照这种分类方法阀门一般可分为:底阀、排污阀、过滤器、疏水阀、止回阀、球阀、隔膜阀、仪表阀、闸阀、节流阀、蝶阀、旋塞阀、减压阀、柱塞阀、安全阀、截止阀、调节阀等等。
二、管道阀门的选择
(一) 阀门的选择步骤
首先要确定阀门在管道中的用途, 并确定其工作条件, 比如适用介质、环境温度以及压力等;第二, 然后再确定管道与阀门的连接方法以及公称通径, 连接方法有螺纹连接、法兰连接以及焊接连接三种, 下面会详细讨论;第三再确定操作阀门的方法, 一般有气动、液动、手动、电磁、电动、电液联动或电气联动等方法;第四选择阀门壳体及内件材料, 选择时要依据上述工作条件来确定, 通常有可锻铸铁、碳素钢、铜合金、灰铸铁、合金钢、球墨铸铁以及不锈耐酸钢等;第五, 确定阀门种类和形式;第六, 确定阀门的几何参数, 并利用现有的阀门产品样本、目录等最终确定使用何种阀门。
(二) 阀门的选择依据
选择阀门要按照阀门的工作环境、用途以及操控方法, 比如在选择泵房的水泵出口阀门时, 首先满足水泵可以闭阀启动和停止的要求, 以降低电流启动和停机时对水泵产生冲击;然后再装配止回阀, 从而防止水泵机且突然停转时可以快速的关闭阀门, 以免水泵长时间反转。然后还要考虑保证水磁机组安全运行, 配置消除水锤阀门。
此外还要根据阀门的工作环境来选择:仍以上述泵房水泵出口阀的选择为例, 如果选择微阻缓闭止回阀和电动蝶阀的组合, 止回阀可以防止水锤和水泵反转, 电动蝶阀则可以防止闭阀启动和停机, 这种组合结构比较简单, 因此故障率也相对较低, 不过这种组合对于安装空间有一定要求, 因为其水阻和长度都比较大, 较适用于对能耗要求不高的小型泵站。如果选用液控缓闭式回阀, 则可以满足水泵出口阀门的必须功能, 而且安装长度以及水阻都比较小, 不过其需要高压液压系统辅助, 所以结构复杂、故障率高, 一般用于有较多备用机组或者大型泵站等。如果水泵出口选择多功能控制阀, 它的安装长度会小于微阻缓闭止回阀和电动蝶阀的组合, 也不像液控缓闭止回阀那样需要一个液压系统, 因此结构简单故障率低, 而且消除水锤的效果很好, 不过水阻也是这三组选择中最高的一种, 因此适合无人值班或者水锤严重的泵站。
(三) 阀门选择的原则
1、开放和截止介质用阀门
直通式流道的阀门, 由于其流阻比较小, 所以一般选择开放和截止介质阀门;而向下闭合的阀门比如柱塞阀或者截止阀, 因为流道比较曲折, 因此流阻相对较高, 所以选择的比较少, 如果工作场合要以有较高的流阻, 则可以选择闭合阀门。
2、控制介质流量阀门
控制介质流量的阀门可以选择比较容易调节流量的阀门。一般向下的闭合阀门———比如截止阀———就比较适合, 因为其阀座尺寸和关闭间的行程成正比;而诸如旋塞阀、球阀、蝶阀等旋转阀门, 或者隔膜阀、夹紧阀之类的挠曲阀体阀门, 都可以用于控制介质流量, 不过会受到阀门口径是否适用的局限。此外, 由于闸阀是以圆盘闸板对圆形阀座口做横切运动, 只有在靠近关闭部位时控制介质流量的效果才比较好, 因此在流量控制时较少使用。
3、换向分流阀门
换向分流阀门通常按照换向分流的实际需要, 可以用三个或以上的通道。通常球阀和旋塞阀比较适用, 所以多数换向分流用的阀门都选择这类。不过有些特定的情况, 把若干个其它类型的阀门进行适当的组合、连接, 也可以用作换向分流。
4、含有悬浮颗粒介质阀门
如果介质中有悬浮颗粒, 则比较适用具备擦拭功能的阀门, 因为这类阀门的关闭件沿着密封面进行滑动, 具有一定的擦拭功能。不过如果关闭件和阀座的来回运动是垂直的, 就会夹带颗粒, 所以要在非密封面材料允许嵌入颗粒的情况下才能使用, 不然就只能用作基本清洁的介质。一般旋塞阀和球阀都有这种作用。
三、管道阀门的安装特性
(一) 螺纹连接
螺纹连接一般是把阀门的进出口两端做成直管锥管螺纹, 使其可以旋接管道或者锥管螺纹接头上。不过要注意这种连接方法会出现泄露沟道, 所以要用填料或者胶带等材料把这些沟通堵塞住。如果阀体材料能焊接, 那么还可以在连接后进行密封焊;不过要注意, 如果材料的膨胀系数有很大差异, 或者其工作温度有较大的变化范围, 则螺纹连接部位一定要做密封焊。一般公称通径小于50mm的阀门适用于螺纹连接, 如果公称通径的尺寸太大, 则会影响其连接部位的密封和安装。可以在管道系统的相应位置用管接头, 从而方便螺纹连接阀门的安装拆卸。用于公称通径小于50mm的阀门的管接头可以用管套节来代替, 其螺纹可以把需要连接的两个部位连接在一起。
(二) 法兰连接
阀门用法兰连接安装拆卸比较方便, 不过成本较高, 而且与螺纹连接来看也稍显笨重, 通常用于各个压力和通径管道连接。
(三) 焊接连接
焊接连接在各个温度和压力下都比较适用, 即使条件比较苛刻也可以使用, 而且比法兰连接更可靠。不过阀门焊接连接在拆卸以及后续的重新安装比较困难, 因此一般在高温场合或者条件苛刻的场合, 以及可以可靠、长期运行的场合, 比如核能火力发电站等管道
摘要：阀门在管道中起着调节流动介质流向、压力、速度以及控制的作用, 因此是管道安装中非常重要的部分。本文就从阀门的分类着手, 研究在安装时如何选择阀门, 并对其安装特性做出分析。
关键词：管道阀门,特性
参考文献
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[3]李景文.浅谈阀门在管道安装中的分类及特性[J].沿海企业与科技, 2009 (3) .
阀门流量特性 篇4
压力管道中的流体因启泵、停泵、阀门操作等原因而产生流速的急剧变化,进而引起管道内流体压力急剧变化的现象称为水击,也称流体瞬变过程。它是流体从一种稳定状态过渡到另一种稳定状态的非恒定流动,即流场中的一切运动要素(如流速、压强等)不仅随空间位置而变,而且随时间而变[1,2]。
随着管网输水的发展,管网水击的危害和影响也日益显著[3,4,5]。长期以来国内外对其进行了广泛而深入的研究,数值模拟因其具有省时、高效、精确度高等优点而成为重点研究方向之一。1983年Harten[6]提出并构造了一种总变差减小的格式,即TVD(Total Variation Diminishing)格式,从此开创了双曲型方程高分辨率格式研究的新纪元。它在溃坝波、洪水预报、空气动力学等领域得到了广泛的应用,取得了丰硕的成果[7,8,9]。TVD格式在水击数值模拟方面,尚处于起步阶段。刘韩生等[10]推导出水击方程的守恒形式,并将其成功运用到工程实践中,为TVD格式在水击中的应用奠定了理论基础;张丹[11]、樊书刚[12]运用TVD格式模拟了阀门突然关闭下的强间断水击波;黄逸军[13]、董瑜[14,15]将TVD格式运用到带调压室的水电站水击问题中,良好的模拟精度表明它是模拟调压室水击行之有效的方法;柳思源[16]将迎风性考虑在内,对现有TVD格式进行了改进。之前的文献[10,11,12,13,14,15,16]研究结果表明TVD格式是一种捕捉水击波的高分辨率格式,四通管中也存在水击问题,本文依此来选择在瞬变流工况下对四通管乃至管网安全运行无不良影响的阀门关闭方式。
简单管网———四通管水击问题不是单管水击的简单叠加,管网中瞬变流动过程与阀门特性、管网特征等密切相关,管道之间的水击波会相互影响,传播过程有本质变化。传统的模型试验耗时耗力,为了及时有效地处理各种原因引起的管网中的水力瞬变事故,将数值模拟技术应用到管网系统阀门的日常管理中,以期在发生事故时准确快捷地给出合适的关阀方案。
目前只有文献[17]涉及对四通管的研究,且该文侧重于研究管网布置设计对水击压力的影响。正确进行四通管水击及其影响分析并采取适当控制措施对管网安全运行有重要意义。相对于其他工程措施而言,优化阀门关闭规律是解决瞬变流问题的首选手段,因为它不需要增加工程投资,增添其他设备或加大工程量。本文基于TVD格式编制四通管水击阀门关闭模式的分析程序,以文献[17]中的灌溉管网为例,研究四通管阀门关闭特性对水击过程的影响,寻求瞬变流工况下保证管网安全运行的阀门关闭方式,以期为四通管乃至管网在瞬变工况下的安全运行提供理论依据和参考。
1 TVD格式在水击方程组中的应用
1.1 守恒性水击方程
考虑水头损失及管道倾斜度影响时,管道水击基本微分方程组为:
将一维水击方程写成守恒形式[18]:
其中
式中:H为测压管水头;v为断面平均流速;θ为管道倾斜度;为摩阻水头损失,其中f为沿程水头损失系数,D为管道直径;c为水击波速。
为了便于应用TVD格式,对方程(1)作解耦处理:
A为其Jacobi(雅可比)矩阵:
A的特征值为:
相应的右特征向量为:
1.2 TVD格式水击方程组
记Ui+1/2为Ui和Ui+1的算术平均值,ai+1/2,Ri+1/2,R-1i+1/2分别为雅可比矩阵A、右特征向量R和左特征向量R-1相应于Ui+1/2的取值。
定义
应用Sweby[19]构造的TVD格式:
数值通量为:
其中:
式中:为时空步长比;φ(r)为通量限制函数,本文采用Roe的Superbee型限量函数φ(r):
2 边界条件的处理
2.1 上游边界条件
压力管道的上游为已知水位的蓄水池,认为在短时间内水位不变,即[20]:
根据特征线理论,沿C-的特征线,入口的流速为:
2.2 下游边界条件
(1)管道下游边界为一阀门。根据特征线理论,沿C+特征线,管道下游末端节点的水头和流速为:
其中:
式中:vm为阀门全开时的管中流速;H0为恒定流时管道末端的作用水头;τj为j时刻管道末端的阀门相对开度。
(2)管道下游为一封闭端(瞬时关闭):此时vIj=0,根据特征线理论,沿C+特征线,管道下游末端节点的水头为:
2.3 分岔处的边界条件
如图1,管1末端的水头和流速的关系满足顺波特征方程,管2、3、4起始端的水头和流速的关系满足逆波特征方程,将其分别代入联立求解可得各管道在连接处的水头和流速为:
式中:
式中:ci、θi、λi、Δxi、Di、Ai分别为管道i的水击波速、倾斜角、沿程阻力系数、分段长度、内径及断面面积。
3 算例分析
本次研究基于文献[21]的灌溉管网模型,材料为给水用硬聚氯乙烯管材(PVC-U),管道布置形式为四通管,设一主管两支管,管材参数(管径,壁厚,弹性模量和泊松比)相同,主管长度32 m,支管各16 m,主管首末端各设一个蝶阀,两支管末端设置蝶阀,支管的分水角度为90°,分水口对置间距为0,分别在主支管阀门处设置模拟压力监测点A、B、C。
为了更加直观的表达该物理模型,将其简化为如图2的模型图:其中初始水头H0=30 m,管长L=16 m,管道内径D=0.2m,壁厚δ=5.33 mm,管道弹性模量E=3.387 6 GPa,水的相关参数取20℃时的值。水击波速经计算为333.64 m/s。阀门为PVC蝶阀,模拟所用的阀门关闭特性依据Bentley Hammer v8i软件定为τ=(1-Tt)1.85[21]。
3.1 四通管最优关阀规律的研究
关阀时间确定为5 s,关闭方式见图3。
(1)模式1。直线关闭τ=1-t/5。
(2)模式2。两阶段线性关闭:
(3)模式3。曲线关闭(先快后慢)τ=(1-t/5)1.85。
(4)模式4:曲线关闭(先慢后快)τ=(1-t/5)1/1.85。
分别按上述4种模式模拟同步关闭两支管的阀门,数值模拟各管道水击压力变化过程。其中支管4的水击压力变化数值模拟结果如图4所示。
可以看出,对于四通管的水击,当阀门关闭时间一定时,不同的关阀方式对管道产生的最大水击压力有一定的影响。模式3产生的水击压力最小且衰减的最快;模式2产生的水击压力次之,衰减的较快;模式1和4产生的水击压力较大且振荡强烈,且在出现前4个波峰的时候,模式4衰减的比模式1快。可见在管网水击中,两阶段直线关闭方式产生的水击压力明显小于直线关闭方式的水击压力,减速曲线关闭方式产生的水击压力明显小于加速曲线关闭方式的水击压力,这与简单管道水击阀门关闭规律是相吻合的[22,23,24,25,26],而两阶段直线关闭的方式与减速曲线关闭方式效果相当,考虑到曲线关闭方式的可操作性较差,故推荐两阶段直线关闭方式作为四通管的最佳阀门运行方式。
3.2 四通管最佳组合关阀方式的研究
仍采用模型中的算例,两支管采用3种不同的阀门关闭方式组合关闭,分别模拟主管和支管的水击压力变化过程,模拟结果如图5所示。
(1)组合1。两支管同时直线关闭。
(2)组合2。支管3直线关闭,支管4瞬时关闭。
(3)组合3。两支管同时瞬时关闭。
由图5中可以看出:
主管1在组合1模式下产生的水击波形良好,衰减较快且没有剧烈的水击波振荡,0.35 s时出现最大水击压力为65.92m,随后迅速衰减,11 s之后水击波基本在25 m上下波动;在组合2模式下,主管1的水击波形较组合1出现不规则振荡趋势,在5.88 s之后才开始衰减且在1.7~3.5 s之间水击波剧烈振荡,2.95 s时最大水击压力为68.31 m,5.88 s以后衰减的水击波形也不规则和顺滑,11 s之后的水击波也基本维持在25 m上下波动;在组合3模式下,主管1的水击波振荡最强烈且波形最不规则,在6 s之后才有衰减趋势,整个水击波从开始到结束一直振荡强烈,1.45 s时产生最大水击压力为66.89 m,水击波在11 s之后基本维持在25 m上下波动。
支管4在组合1模式下水击波形良好且衰减很快,无剧烈的水击波振荡现象出现,1.04 s时出现最大水击压力53.45 m;在组合2模式下支管4产生的水击波开始出现不规则振荡,0~3 s之间振荡强烈,水击波在5 s之后开始衰减,0.28 s时出现最大水击压力55.92 m,1.63 s之前有负压区出现,最大负压为2.97 m(1.03 s出现),在材料所能承受负压的极限范围内;在组合3模式下支管4的水击波出现大范围剧烈振荡且衰减相当缓慢,7 s之后水击压力在8~50 m之间波动,2.25 s出现最大水击压力93.26 m,7.33 s之前一直有负压区存在,2.75 s时最大负压为8.59 m,仍在材料所能承受负压的极限范围内,管网虽然不会破坏,但水击波整体衰减得很缓慢,负压区过长,故不推荐此方式作为组合关阀方式。
综上不论是主管还是支管,组合1产生的水击压力最小且衰减最快,无强烈不规则水击波振荡,组合2产生的水击压力较大,衰减速度比组合1稍快但有不规则较强烈振荡,组合3产生的水击压力最大且衰减相当缓慢,水击波振荡最强烈。对于支管4,组合2和3还产生了一定的负压区域,对管网安全运行产生不利影响。故推荐组合1即两阀门同时直线关闭模式作为保证四通管安全运行的组合关阀方式。
4 结语
(1)对于四通管的水击,当关阀时间一定时,两阶段直线关闭方式优于直线关闭方式,减速曲线关闭方式优于加速曲线关闭方式;就产生的最大水击压力和衰减快慢而言,两阶段直线关闭方式和减速曲线关闭方式效果相当,水击压力对管道的影响小,直线关闭方式产生的水击压力最大且波动最剧烈、衰减最缓慢。考虑到可操作性,推荐两阶段直线关阀方式作为保证四通管在瞬变流工况下安全运行的阀门关闭方式,以减小水击的影响。
阀门流量特性 篇5
阀门是保证管道安全的最基本配件，能够保证管路工作时的正常启闭，但由于阀门的连续性工作，在长期工作中无法对其实现好的保护，会导致阀门老化，产生泄漏情况。阀门的泄漏主要有内漏和外漏两种情况，外漏比较容易发现，并且外漏的检测方式也较为成熟[1,2]，已经能有效减少泄漏造成的浪费;而阀门的内漏在于内部的变化，在外面无法发现，阀门的内漏即为启闭件与阀座两密封面间接触处的泄漏，对于截断类阀门来说，其主要功能就是启闭管路，若产生内漏，阀门就失去了其本质功能，因此内漏是不允许的，这也是化工生产当中的重要隐患之一。目前，国内只有几大高校针对阀门内漏的定量诊断略有研究，也只是在实验室研究阶段，而且数据量较少，对现场阀门内漏定量检测尚无有效手段[3,4,5]。增加实验数据量，找出可以应用于现场的检测方法是阀门内漏诊断研究亟待解决的问题。
1 声发射检测技术理论
1.1 声发射技术
本文介绍通过声发射无损检测方法，进行阀门内漏的声学检测。阀门检测周期长，且检测方法不科学，大面积的阀门拆卸缺乏针对性，不仅造成人力物力的浪费，更有可能在拆卸或重新安装时导致阀门的破坏，而声发射检测方法正是解决这一问题的最佳方法。
声发射是指材料中的局域源能快速释放能量产生瞬态弹性波的现象[6]。声发射检测是一种新兴动态无损检测方法，可以在工业过程中实现实时监控或在线检测，尤其是在役设备可以在不停产的情况下检测到缺陷外部条件变化的连续信息，声发射技术在石油化工行业，例如储罐腐蚀、泄漏检测，轴承故障诊断，压力管道泄漏源定位等多方面，均有广泛应用[7,8,9,10]，在阀门内漏的检测方面也有着重要意义。
阀门关闭时，若有泄漏产生，流体会在泄漏处形成多向湍射流，流体紊乱，速度急速增加，而对管壁产生大的冲击力，激发应力波，应用传感器及声发射仪器接收此应力波，并对其特性进行研究，即可以定性发现阀门的泄漏，甚至可以定量研究阀门的泄漏量。因此提取声发射信号特征，提高内漏识别精度是我们现在研究的重点。
1.2 声发射特征参数与阀门泄漏量关系
由文献[11]可知，泄漏产生的声功率与声发射信号均方根AERMS关系为:
应用Lighthill气动方程推导声功率PS表示为:
式中，C0为比例常数，P1为阀门进口压力，d为泄漏孔径，α为流体在阀体中声速，ρ为流体密度，D为阀门内径。泄漏量Q用质量流量W表示为[12]:
式中，Cf为孔隙数，R为气体常量，T为环境温度，γ为绝热指数，令则泄漏孔径d表示为:
气体密度很易受到入口压力或温度的影响，根据波义耳定律定义理想气体密度，利用过程变量简化紊流声功率得到:
式(5)带入公式(1)，得到AERMS为:
化简得到AERMS与阀门泄漏量关系为:
2 气体管道阀门内漏声发射模拟实验
2.1 阀门气体内漏流场分析
截止阀为截断类阀门，由于其工作行程小，启闭时间短，密封性好，寿命较长等优点，在石油化工行业的应用也愈发广泛，关于阀门内漏检测的模拟研究很多，但很少有关于截止阀的检测，对截止阀检测的参考也无迹可寻[4,13,14,15]。
用声学方法研究在役阀门内漏检测，基本原理在于对内漏时产生的喷流噪声的检测来判断内漏是否发生，因此，分析内漏过程中流动特性则成为声学特性分析的基础[5]。
应用简化截止阀二维模型模拟气体泄漏，通过ansys workbench中的建模、划分网格、再进行流场模拟分析，对气体在截止阀中的流动状态进行研究，模拟主要研究闸板开启1mm时内部气体的流动状态，边界条件设置为速度进口，速度为5m/s，压力为0.5MPa，出口采用outflow。粘度模型采用k-ε双精度模型，图1为网格划分模型，网格总数量30184个，尺寸为1mm，采用多区域四边形网格为主的方式进行划分。采用迭代的计算方法进行计算。
图2为阀内气体速度场，射流核心在闸板周围泄漏缝隙处，沿闸板四周喷射，在阀体中形成湍流流场过渡区，阀门下游流场较靠近充分发展区，流速较为稳定;图3为阀内气体压力场，泄漏缝隙处有明显的压力变化，而到阀体下游压力趋于稳定。为了有良好的检测效果，传感器贴放位置应处于流速及压力较稳定部位，因此选择截止阀下游弯管处作为传感器贴放位置。
2.2 实验装置
本文针对截止阀的声发射源特性，以及相关特征参数进行分析，总结阀门泄漏量与声发射特征参数的相关量化关系。截止阀内漏检测实验装置如图4所示。实验装置主要分为实验部分和检测部分，实验部分主要有空气压缩机，3m3缓冲罐，控制球阀，压力表，待测截止阀(以下简称截止阀)，流量计组成。压缩机采用无声空气压缩机，使噪声达到最小，压力表范围为0～1.0MPa，流量计量程为0～80L/min，管道、球阀、截止阀公称口径均为DN80。检测部分主要有北京声华公司的SR150N传感器，前置放大器，数据采集板卡，声发射采集PC机。传感器的检测频率为22～220kHz，前置放大器增益为40dB，分辨率为16bit。
2.3 实验方案
本实验利用空气压缩机向储罐内输入空气，使压力为0.7MPa，全开控制球阀，确定流量表度数为0，稳压3min，待压力稳定。调试仪器，捕捉环境噪声，以此设定门槛为37dB，状况稳定。缓慢提升阀门开度，使泄漏率(即流量)达到6L/min，待流量表稳定，这种微漏会产生微弱的声发射信号，通过传感器接收，并经过前置放大器放大，板卡将所得信号进行A/D转换，由PC机接收数字信号，采集声发射信号15s;继续提升截止阀开度，改变泄漏率(分别为12 L/min、18 L/min、24 L/min、30L/min、36L/min、42L/min、48L/min、54 L/min、60L/min、66L/min、72L/min、78L/min)，分别实验，采集声发射信号。再通过左侧减压阀放气，改变储罐内空气压力(分别为0.6 MPa、0.5 MPa、0.4 MPa、0.3 MPa、0.2 MPa、0.1MPa)，分别在上述各泄漏率下进行以上实验，采集声发射信号。由于泄漏信号为复杂不稳定信号，为防止偶然性的发生，因此重复实验3次，取各特征参数平均值。
2.4 实验结果分析
图5和图6分别为压力0.3MPa，泄漏率48L/min时，压力0.5MPa，泄漏率48L/min时声发射频域波形，可见泄漏信号在频率为29.6～45.0kHz范围内均有一处峰值，在频率为135.0～166.2kHz范围内也有一处峰值，但远小于前一处峰值。通过对比发现峰值大小与进口压力关系不大。因此，可以根据对声发射信号的频域波形初步分析阀门是否泄漏。
阀门泄漏检测模拟实验过程中，振幅和ASL变化趋势类似，图7为0.5MPa压力下振幅和ASL随泄漏率变化曲线，振幅和ASL均随着泄漏率的增大而呈对数趋势增加，泄漏率越小，声发射参数振幅和ASL变化效果越明显，适合截止阀的小泄漏率内漏检测。图8为48L/min泄漏率下振幅和ASL随压力变化曲线，振幅和ASL均随压力的增大而增大，参数曲线呈线性分布。综合分析其他工况下参数分布，以上规律同样适用。
图9为能量-泄漏率变化关系图，相同压力下信号能量随阀门泄漏率变化而变化，0.5MPa压力下，6～78 L/min泄漏率时能量值分别为1641.722mV·μs、3282.097mV·μs、6502.105mV·μs、9676.571mV·μs、13992.92mV·μs、17680.5mV·μs、22404.31mV·μs、28237.06mV·μs、32316.61mV·μs、37854.53mV·μs、43650.05mV·μs、49440.78mV·μs、60613.79mV·μs，阀门泄漏率升高，能量增大，能量呈指数曲线分布;不同压力下能量变化明显，内漏率为48L/min时，0.1～0.7MPa压力下能量值分别为15132.15mV·μs、23289.3mV·μs、24910.44mV·μs、26367.04mV·μs、28237.06mV·μs、29940.17mV·μs、32620.9mV·μs,0.2MPa以上能量呈线性分布，根据能量的变化对泄漏率的定量检测有明显效果。
图10为AERMS-泄漏率变化拟合曲线图，同一压力下，AERMS随泄漏率的变化以四次多项式拟合，公式为:
系数值和标准差如表1所示，系数C、B1、B2、B3、B4与上下游压差、介质类型、阀门类型等有关。在相同压力下，阀门泄漏率升高，AERMS值变大，曲线拟合误差较小，实验结果与理论分析结果一致，可以作为诊断公式进行截止阀内漏率估算。
3 总结
1)通过对截止阀内漏过程中内部流体流动状态的模拟，可以确定传感器贴放位置，并且证明声发射技术适合对气体管道中截止阀内漏进行检测。
2)模拟气体管道中截止阀内漏声发射检测实验表明，在同一压力下，阀门泄漏率越大，声发射信号振幅与ASL值越大，同一泄漏率下，压力越大，振幅与ASL值越大。
3)截止阀不同压力下模拟内漏声发射检测实验结果对比表明，阀门所处管道的上下游压差越大，声发射信号能量及AERMS值越大。