超超臨界機組三通閥關閉瞬態(tài)動力學方程的建立

超超臨界機組三通閥關閉瞬態(tài)動力學方程的建立

1液動自力式三通閥液體動脈高壓給水的三通閥設計為高中加熱裝置的運行和單元變換。這是確保鍋爐供水系統(tǒng)運行的重要控制裝置。當鍋爐系統(tǒng)正常運行時,鍋爐給水從三通閥的主回路進入高壓加熱器,通過出口閥至鍋爐。當高加出現(xiàn)故障時,高加給水三通閥的主回路快速關閉,旁通回路打開,以保證高壓加熱器解列,但不影響鍋爐正常供水。超超臨界機組常用的高加給水三通閥按啟閉方式有電動和液動自力式等形式。電動形式采用多種結構的電機執(zhí)行機構實現(xiàn)三通閥的開閉。液動自力式三通閥是根據(jù)高加給水管路里的差壓來進行動作的。由于自力式三通閥不需要額外的動力源,且閥門啟閉時間可根據(jù)需要進行調(diào)整。因而具有操作簡便、可靠耐用等優(yōu)點,在高參數(shù)的機組中得到廣泛的應用。液動自力式三通閥工作過程是:當高壓加熱器系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,鍋爐控制系統(tǒng)輸出信號,打開控制針閥及快開閥(如圖1所示),控制針閥開啟將執(zhí)行機構液壓缸上腔充液加壓,快開閥開啟將液壓缸下腔壓力泄放。2個閥開啟后在液壓缸產(chǎn)生壓力差,閥芯在壓差的推動下向下運動,關閉主回路,同時打開旁路,完成高加解列;當進口、出口旁路閥關到位后,液壓缸上腔繼續(xù)保持壓力,以確保旁路閥動作安全可靠。由液動自力式三通閥工作過程可知,液壓缸內(nèi)壓力的變化決定著閥芯的運動狀態(tài),對閥芯的運動過程的控制是有重要的工程意義的,其作用表現(xiàn)在2個方面:(1)液動閥關閉時間過長則會影響高加解列,不利于系統(tǒng)安全運行,故鍋爐給水系統(tǒng)工藝設計要求液動閥關閉時間小于5s;(2)如液動閥關閉時間過短,則意味著閥芯以很高的速度關閉,這樣會在關閉的瞬間閥芯與閥體產(chǎn)生較大的沖擊作用力導致閥芯或閥體密封面損壞。因而對閥芯關閉時間進行理論分析將有助于給水三通閥的安全長壽運行。2水的流動通道對三通閥的液壓缸的結構進行簡化可得如下結構示意圖(如圖2所示)。為了便于說明問題,將水的流動通道分為3部分:控制針形閥所在的管道稱為管路1;快開閥所在管道稱為管路2;由于液壓缸下腔閥桿與閥體之間有一圓環(huán)形狹縫,經(jīng)計算狹縫的面積及與閥1和閥2的流通截面積數(shù)量級相當,不能忽略。故將這個水流通道稱為管路3,各管路的參數(shù)符號如表1所示。2.1液壓缸作用于閥桿上的作用力閥桿受力來源于兩部分,一是液壓缸對閥桿的作用力。二是閥芯處水流對閥桿的作用力,如閥芯運動時水對閥芯的阻力等。由于液壓缸對閥桿的作用力遠大于閥芯處水流作用力。因而忽略鍋爐給水在閥芯上產(chǎn)生的各項作用力,僅分析液壓缸作用于閥桿上的力。液壓缸作用于閥桿上的力有3個:(1)液壓缸活塞上下表面壓力差Δp=p1-p2;(2)液壓缸活塞與缸體的摩擦力f;(3)閥桿及液壓缸的重力mg。由此建立動力學方程式:式中A——液壓缸截面積V——液壓缸移動速度式(1)邊界條件為:t=0時V=0;要求解式(1)需要知道液壓缸內(nèi)上下腔的壓力p1和p2。2.2液壓缸上腔壓力由伯努利方程知對于壓差為Δp的管路,壓差與流速之間存在如下表達式:因而對于管路1存在:又根據(jù)液壓缸移動知Q1=AV,代入式(3)化簡得:式(4)示出液壓缸上腔壓力計算,表明液壓缸上腔壓力受到控制針閥入口壓力及管路特性參數(shù)的影響。2.3/2.2壓力計算類比式(3),對于管路2及管路3的進出口壓力差計算式: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)由液壓缸移動規(guī)律可知:Q1=Q2-Q3=AV(7)將式(5)與(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則式(8)改寫為:u2p2?p0??????√?u3pf?p2??????√=AV(9)u2p2-p0-u3pf-p2=AV(9)式(9)為液壓缸下腔的壓力計算。液壓缸下腔壓力P2與液壓缸移動速度V之間為一隱式表達式。3matlab求解式(1)為一階非線性微分方程,對其采用變步長四階五級Runge-Kutta法在MATLAB下編程求解。計算過程中采用的參數(shù)如表2所示。表中流阻系數(shù)取自文獻,結構尺寸取自閥門設計參數(shù)。3.1快開閥出口壓力圖3示出在快開閥不同出口壓力條件下液壓缸上腔壓力隨快時間變化的曲線。從圖3中可看出液壓缸上腔壓力受快開閥出口壓力的影響。當快開閥出口壓力較低時,液壓缸壓力也相應較低。但快開閥出口壓力對液壓缸上腔壓力影響不是很大,快開閥出口壓力從0～10MPa變化,液壓缸上腔壓力也僅有2MPa的變化。圖4示出在快開閥不同出口壓力條件下液壓缸下腔壓力隨時間變化的曲線。與圖5類似,快開閥出口壓力對液壓缸上腔壓力影響不是很大。結合圖3與圖4可看出,液壓缸上下腔壓力在不到0.4ms的時間內(nèi)達到平衡狀態(tài),即上下缸壓力相同且保持不變。這也意味此時上下液壓缸的壓力差、閥芯與閥桿重力、活塞摩擦力三者之間達到平衡。此時閥芯作勻速運動直到關閉。3.2快開閥出口壓力閥芯的關閉速度大小會影響到閥芯與閥座接觸瞬態(tài)時的應力,過大會導致閥座損壞。當控制針閥前的壓力恒定時,最可能影響到閥芯關閉速度的是快開閥出口的壓力。圖5示出閥芯在快開閥出口不同壓力下的關閉速度。從圖中可看出:(1)閥芯初始時速度為零,逐漸增大。當閥桿受力達到平衡狀態(tài)時閥芯速度達到最大且保持恒定。閥芯最終以勻速運動實現(xiàn)關閉。(2)閥芯達到最大速度所需的時間很短,僅在毫秒級達到最大速度。(3)快開閥出口壓力對閥芯關閉速度有一定影響。當快開閥出口壓力由30MPa降低到0MPa時,閥芯關閉速度由0.2m/s增大到0.9m/s。3.3不同管道直徑下的閥關閉時間閥芯關閉時間影響到高壓加熱器能否快速解列,對于現(xiàn)場操作有重要意義。嚴格說表2中任何一個因素的改變都可以影響閥芯關閉時間,為簡化問題僅分析工程中可控制或操作的因素,如控制針閥流阻、管徑等因素對閥關閉時間的影響。仔細分析可知,控制針閥改變流阻與改變管道直徑的機理是一樣的,當控制針閥開度減小,也意味著流體的流通截面積的減小,但是調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流通截面的能力有限,比如一閘板閥在1/8開度時流阻系數(shù)為97,再小開度時不易精確控制流量。這時需要首先設計一個適當?shù)墓艿乐睆皆倥浜险{(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)作用可較為精確地控制閥關閉時間。圖6示出不同流阻系數(shù)、不同管徑下的閥關閉時間,可以看出,管道的直徑對閥關閉時間有著較大的影響,對于10mm的管道,閥關閉時間在1～5s,而管徑加大到20mm時,閥關閉時間則不到2s。計算結果提示設計閥門液壓缸時應首先考慮管道直徑對閥關閉時間的影響。當選定適當?shù)墓艿乐睆胶笤倥浜峡刂漆橀y的開度大小調(diào)節(jié)閥關閉時間。還需要說明的是,在計算過程中不考慮管道及閥可能處于阻塞流工況,如處于阻塞流工況則需會延長閥關閉時間,阻塞流狀況在高壓差下是有可能發(fā)生的。3.4不要考慮到產(chǎn)品供給的情況下,也不要考慮到產(chǎn)品方面當閥芯在微小的時間內(nèi)便達到穩(wěn)態(tài),在工程中計算閥芯關閉時間及速度時可不用考慮。此時,閥芯的關閉速度的計算式可簡化為:(p1-p2)A-f+mg=0(10)式(10)雖然是關于速度V的隱函數(shù)表達式,直接求解還有諸多不便,但不用求解偏微分方程是一大優(yōu)勢。4閥芯關閉速度的影響(1)閥的關閉過程是一個非穩(wěn)態(tài)過程,速度由零達到某一最大速度,計算表明,本圖所給結構閥芯最大運動速度約為0.9m/s,在后續(xù)設計中可參考這速度分析閥芯關閉時是否會對閥座造成沖擊損