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新型泄放水调节阀工作特性试验研究

发布时间:2017-01-10

jiaoshitiaojiefa 摘 要:论文研究的泄放水调节阀其原理是通过控制伺服活塞所受的压差来实现阀门各个工作状态之间的转换。为了获得该调节阀的动态响应特性并验证其动作可靠性,在模拟的试验回路上,对阀门的压力特性、密封特性和动作寿命等进行了研究。 关键字:调节阀 流量特性 伺服控制 论文研究的泄放水调节阀其原理是通过控制伺服活塞所受的压差来实现阀门各个工作状态之间的转换。为了获得该调节阀的动态响应特性并验证其动作可靠性,在模拟的试验回路上,对阀门的压力特性、密封特性和动作寿命等进行了研究。试验结果表明:阀门动作响应快,工作状态转换平稳;阀头行程最大偏差为0.53%,调节阀磨损小,工作寿命长;旁通阀与调节阀可共同调节流量;增加阀杆直径可提高阀门流量;且该调节阀可在高压差工况下在小范围内调节流量,且降压效果良好。

0 引言

核潜艇二回路泄放水系统的功能,是把来自蒸汽发生器的高温高压饱和水进行减压然后排入泄放水蒸发器,以达到减少蒸汽动力工质的损失和净化淡水的目的,系统的调节功能主要由泄放水调节阀来实现。蒸汽发生器与泄放水蒸发器之间压差很高,泄放水蒸发器正常工作状态下的水位需保持在一个合理范围内,这就对调节阀提出了特殊的要求(如:在高工作压差下能实现流量微调节和保持高频动作可靠性)。 调节阀的种类分别有:气动调节阀、电动调节阀和电液调节阀等,它们各存在优点与不足。气动调节阀已大量应用于核能水力系统,采用先进的阀门定位器可克服这类阀门调节精度低的缺点(如:Siemens等生产的阀门定位器控制精度高达0.1%)。但阀门定位器在使用过程中会受振动、温度变化等因素的影响,使反馈信号不准确,导致调节精度降低;弹性元件参数受温度和工作时间的影响较大,需要在实际工作中经常调整,增加了操作难度。 综合电动调节阀与电液调节阀有调节精度高、工作寿命长等优点。哈尔滨工程大学研发了一种采用节流管作为调控手段的新型调节阀,该阀门借助流体压差产生驱动力;这样的工作原理在以前的阀门设计中几乎尚未得以应用。沈阳等采用CFD软件,对节流管式调节阀的动态响应特性进行了数值模拟。孙小波和郑红丽应用FLUENT,对一种节流管式泄放水调节阀进行了稳态仿真模拟,并利用ANSYS对阀体强度进行分析。目前的研究状况,主要还是通过数值模拟对节流管式调节阀进行研究,试验研究很少。而本文对应用于泄放水系统的新型节流管调节阀进行了在高温高压试验台上的试验研究,考察其实际动态响应特性与动作可靠性,这对新型阀门的研究具有一定的指导意义。

1 工作原理

新型泄放水调节阀是一种简化的流体动力反馈控制系统,它对传统阀门流体控制系统进行了简约化改造,使节流管具有定位与位置传感功能,同时简化位置测量系统。该调节阀直接利用工作介质提供驱动力,通过电机来牵引提升或者下插节流管,以改变伺服活塞两侧压差力,使活塞上下运动,进而带动阀头运动。调节阀结构示意图如图1所示。 调节阀工作时,入口流体大部分经由套筒和阀头流向出口端;其一小部分流体由阀门入口与活塞腔连接的连通管流入活塞腔,然后通过节流管下端面与活塞上端面形成的可变节流口节流后,流向阀门出口端。由于节流管的节流作用,液体在活塞的上、下端面的压差为 对应某一确定的压力P1,节流管可变节流口总会有一个确定的间隙δ与之对应,使活塞受力平衡。当下插节流管时,δ减小,ΔP增加,活塞下移,阀门开启。反之,当向上移动节流管时,可变节流口间隙的δ增大,ξ减小,ΔP减小,在复位弹簧作用下,活塞向上移动,阀门关闭。可变节流口阻力系数ξ与间隙δ存在一一对应关系,通过对节流管升、降、停的控制可实现阀门在各个工作状态之间的切换。 当阀门保持某一开度、活塞处于平衡位置时,合力为0。若出现正压力扰动,导致P1增大,活塞受到的合力大于0,于是活塞下降,可变节流口间隙增大,使压差减小。当活塞下降到某一位置时会建立新的平衡,使其静止。反之,当出现负压力扰动,导致P1减小,活塞所受的合力小于0,活塞在上升到某一位置时会建立新的平衡。因此,该阀门具有水力自锁功能。

2 试验系统

试验系统(如图2所示)由电加热蒸汽发生器、压力表、实验调节阀、压差传感器、电磁流量计和数据采集系统等组成。试验时,以去离子水为工质,系统温度和压力通过蒸发器中的热功率和压力设定装置进行调节。试验参数由微机循环检测。 阀门两端压差、活塞腔压力、工作流量等由相应传感器(见图2)测量,并由数据采集系统输入计算机。按GB/T4213-2008中规定对阀门进行相关试验。 调节阀公称通径25mm,阀头直径32mm,阀高330mm,活塞直径50mm,调节阀电机功率30W。压差传感器测量精度0.5%,电磁流量计精度0.20%。

3 试验结果与分析

3.1 响应时间特性 阀门响应时间,是从输入信号改变开始起直到输出信号开始相应改变时所测量得到的时间,包括:阀门组件的时滞时间(一个静态时间)和阀门组件的动态时间。本文中阀门特性试验研究主要是研究活塞受到压力驱动阀头的运动动态,以及考察活塞腔压力对阀门响应时间的影响,且进行压力试验。四种工况下的试验曲线如图3所示,图中Ta、Tb和Tc为压力临界点。 时间t1开始输入信号,由于阀门在开启时要克服作用在阀头上的压差力,活塞腔开始充压,压力达到临界点后,阀头开始移动。阀门最大响应时间t~ta约为1s;随着活塞腔工作压力增大,阀门响应时间t~tc可较压力为临界点时减小约33%,这主要因为工作压力升高会加快活塞腔充压,进而缩短阀门时滞时间;而活塞腔压力对阀门组件动态响应时间无影响。当活塞腔压力大于30kPa后,响应时间t~tc基本不变。 3.2 可靠性试验 3.2.1 热态密封试验 阀门的密封性是衡量阀门性能的重要指标,阀门的内、外泄漏问题严重威胁着装置的正常运行。为此,对调节阀进行热态密封试验,试验压力选取7.0MPa,保压30min,经多次测量,试验结果如图4所示。 由图4可知,阀门关闭时,阀门两端压差不变,且阀后无流量,说明阀头具有良好反向密封功能,调节阀无任何内泄漏。此外,试验中在阀杆密封处无任何可见外泄漏。 3.2.2 动作寿命试验 泄放水调节阀在长期运行过程中调节频繁,阀门的调节精度和传动副的磨损是二个重要问题。为此,进行动作寿命试验,使调节阀在冷态连续运行5000次,热态连续运行15000次,试验时间不少于48h。试验后,重新测量阀门性能,结果如表1所示。 由表1可知:升程与降程中,阀头行程几乎相等,试验前后阀头行程最大误差为0.53%,远低于2.5%的允许误差。试验中,阀门未出现功能失效或调节能力下降的情况,电机、传动副和阀杆等零件无损伤、变形等现象。而某国外名牌电动调节阀在相同试验条件下发生了损 本文调节阀工作时,调整阀头开度的主要动力来自于受控流体,对电动执行机构和传动副而言其负荷是很小的;而且活塞与节流管之间始终存在间隙,避免了因直接接触会导致的机械破坏。试验结果验证了该调节阀设计的合理性与优越性,对提高阀门动作寿命有积极影响。 3.3 流量特性试验 为了考察旁通阀与调节阀的配合能否达到控制流量的目的,进行了工作压力为2.4MPa的冷态流量试验,结果如表2所示。 旁通阀参与调节可使流量增大。在二者5%开度下共同作用时的流量比它们单独作用下的流量之和大23.5%。在调节阀电动机构失灵或者阀门流量调节出现较大偏差时,旁通阀可参与调节。图5为不同直径阀杆时流量比较。 在相同工作压力2.4MPa时,随阀杆直径D增加,相同开度下流量增大;阀杆直径每增加2mm,最大流量的增幅分别为38.9%和33.3%。阀杆的直径对阀门流量有显著影响。 为更有效地控制阀门流量,在阀杆下端安装一个厚1mm、与阀杆装配间隙为0.1mm的小环套,其热态流量试验结果如图6所示。由图6可知,在全行程范围内,阀的升程流量与降程流量二者基本一致;阀门开度K每增长10%,流量变化7.7%~26.7%,尽管其百分比变化幅度较大,但流量变化的最大数值仅为0.32t/h,这表明在高压差时也可实现流量的小范围调节。 3.4 压降试验 泄放水蒸发器处于低压工作环境,故泄放水调节阀应具有较好的降压功能。对调节阀进行压降试验,试验结果如图7所示。 阀前压力Pa不变时,阀后压力Pb与开度K成正比。阀前压力Pa升高,在相同开度K下的阀后压力Pb增大,阀门降压效果有所减弱,但降压幅度仍可达87%~92%。可见,阀门对高压给水具有较好的降压效果。

4 结语

本研究阐明了新型泄放水调节阀的组成及工作原理,并选取典型工况对其进行试验研究,结果表明: (1)升高活塞腔工作压力在一定程度上可缩短阀门响应时间;但压力大于30kPa后,它对响应时间的影响可忽略。 (2)在动作寿命试验后,阀头的调节精度不变。这表明阀门的结构设计能保证其调节精度和延长工作寿命。 (3)调节阀与旁通阀共同调节模式下的流量,大于调节阀与旁通阀单独调节时的流量叠加;增加阀杆直径可大幅提高阀门流量;阀门可在高压差时对流量进行小范围调节,并有效降低流体压力。 

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