超超临界机组三通阀关闭瞬态动力学方程的建立

超超临界机组三通阀关闭瞬态动力学方程的建立

1液动自力式三通阀液体动脉高压给水的三通阀设计为高中加热装置的运行和单元变换。这是确保锅炉供水系统运行的重要控制装置。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,在高参数的机组中得到广泛的应用。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。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5s;(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水的流动通道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。2.1液压缸作用于阀杆上的作用力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Δp=p1-p2;(2)液压缸活塞与缸体的摩擦力f;(3)阀杆及液压缸的重力mg。由此建立动力学方程式:式中A——液压缸截面积V——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p1和p2。2.2液压缸上腔压力由伯努利方程知对于压差为Δp的管路,压差与流速之间存在如下表达式:因而对于管路1存在:又根据液压缸移动知Q1=AV,代入式(3)化简得: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入口压力及管路特性参数的影响。2.3/2.2压力计算类比式(3),对于管路2及管路3的进出口压力差计算式:其中Δp2=p2-p0其中Δp3=pf-p2由此可得到:Q2=(2Δp2A22ρξ2)1/2(5)Q2=(2Δp2A22ρξ2)1/2(5)由液压缸移动规律可知:Q1=Q2-Q3=AV(7)将式(5)与(6)代入式(7)中得:(2Δp2A22ρξ2)1/2−(2Δp3A23ρξ3)1/2=AV(8)(2Δp2A22ρξ2)1/2-(2Δp3A32ρξ3)1/2=AV(8)令ui=(2A2iρξi)1/2‚i=2ui=(2Ai2ρξi)1/2‚i=2、3则式(8)改写为:u2p2−p0−−−−−−√−u3pf−p2−−−−−−√=AV(9)u2p2-p0-u3pf-p2=AV(9)式(9)为液压缸下腔的压力计算。液压缸下腔压力P2与液压缸移动速度V之间为一隐式表达式。3matlab求解式(1)为一阶非线性微分方程,对其采用变步长四阶五级Runge-Kutta法在MATLAB下编程求解。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,结构尺寸取自阀门设计参数。3.1快开阀出口压力图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。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力影响不是很大,快开阀出口压力从0～10MPa变化,液压缸上腔压力也仅有2MPa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0.4ms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快开阀出口压力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。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30MPa降低到0MPa时,阀芯关闭速度由0.2m/s增大到0.9m/s。3.3不同管道直径下的阀关闭时间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97,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10mm的管道,阀关闭时间在1～5s,而管径加大到20mm时,阀关闭时间则不到2s。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。3.4不要考虑到产品供给的情况下,也不要考虑到产品方面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:(p1-p2)A-f+mg=0(10)式(10)虽然是关于速度V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阀芯关闭速度的影响(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0.9m/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