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 蒸汽锅炉给水电动调节阀的应用

摘 要:在蒸汽锅炉给水系统中,变流量给水系统极为普遍,然而实际工程中,变流量空调系统经常出现监而不控、控而不优的情况,这与控制系统的调节阀有着直接的联系。调节阀作为系统的一个控制中的执行器,在流量调解中起着调节和控制流量的作用。调节阀作为系统一个控制环节,它选择的正确与否直接关系到变流量给水系统是否能够正常运行。

关键字:调节阀 选型 工作特性 安全节能


0 概述

蒸汽锅炉给水自动调节系统是锅炉基本调节系统之一,它是控制锅炉汽包水位、三冲量调节的关键因素,是确保锅炉安全运行的一个不可缺少的调节系统。给水电动调节阀是锅炉给水自动调节系统中的一个重要的部件,它的性能直接影响到调节系统工作的可靠性和自动化的程度。调节阀的性能取决于与系统的压差配合,而前提关键在于调节阀节流件的型线设计,是指把调节阀的流通面积按照一定的比例(直线、等百分比、抛物线、快开等,如图1)分配到各个行程上的设计中去,这种比例就是要使调节阀在调节过程中和变化的压差相适应。

图1 调节阀的理想流量特性曲线

目前普遍存在的一个问题是,很多人忽略了给水电动调节阀阀权度对其调节性能的影响,导致在某些情况下阀门的流量特性不按既定行程,使阀门的调节性能大为下降。另外也出现在阀门开度仅为20%以下时就达到了锅炉给水满负荷运行,调节精度下降,不利于节能,对锅炉安全性、阀门使用性产生一定的影响。

本文结合锅炉给水系统、给水电动调节阀的流量特性及北京经济技术开发区热力公司给水系统运行特性,得出给水调节选型及阀权度对给水系统调节的影响规律,确保给水电动调节阀能够实现良好调控。

1 调节阀流量特性

调节阀的流量特性,是指流体介质流过调节阀的相对流量比与调节阀的相对开度之间的特定关系,其公式为:

    (1)

式中:G—给水电动调节阀在某一开度时的流量,

Gmax—调节阀全开时的流量,

l—调节阀某一开度时阀芯的行程,

lmax—恒温阀全开时阀芯的行程。

调节阀所能控制的最大流量与最小流量之比成为可调比R。

    (2)

Gmin是调节阀可调流量的下限值,并不等于调节阀全关时的泄漏量,一般最小可调流量为最大流量的2%~4%,而泄漏量仅为最大流量的0.1%~0.01%。

一般来说,改变调节阀的阀芯与阀座之间的节流面积便可调节流量,但实际上由于种种因素的影响,在节流面积变化的同时,还发生阀前后的压差变化,而压差的变化也会引起流量的变化。因此,流量特性有理想流量特性和工作流量特性两个概念。为便于分析比较,先假定阀前后的压差为一定值,即先研究理想流量特性,然后再引申到真实情况的讨论,即讨论工作流量特性。

1.1 理想流量特性

当调节阀前后压差固定不变时,其流量特性称为理想流量特性。典型流量特性曲线有直线流量特性、等百分比(对数)流量特性、快开流量特性和抛物线流量特性四种类型,典型的流量特性曲线如图1。

而调节阀自身所具备的固有流量特性曲线取决于阀芯的形状。以下只分析直线及等百分比流量特性阀门。

1.1.1 直线流量特性曲线

直线流量特性是指调节阀的相对流量和相对开度成直线关系,即单位行程变化所引起的流量变化是一个常数。由图1可以看出,直线流量特性调节阀的单位行程变化所引起的流量变化是相等的,也就是在调节阀全行程内其放大系数(即曲线斜率)是一个定值。线性流量特性的调节阀在变化相同行程的情况下,流量小时,流量相对值变化大;而流量大时,流量相对值变化小。

计算公式:

    (3)

1.1.2 等百分比流量特性

等百分比流量特性是指单位行程变化引起相对流量变化与该点的相对流量成正比,即调节阀的放大系数是变化的,它随相对流量的增加而增大。用数学式表达为:

    (4)

经过积分,同直线特性的推导过程一样,将上式代入边界条件,定常数项,最后得:

    (5)

式中:d、k为数学函数。

从上式看出,相对开度与相对流量成对数关系,故称对数特性。为了和直线特性比较,同样以开度10%、50%和80%三点为例,当开度变化10%时,我们得出:

 

可见,单位位移变化引起的流量变化与该点的原有流量成正比,而流量相对变化的百分比总是相等的,故又称等百分比特性。

由于对数特性的放大系数K随开度增加而增加。在小开度时,流量小,流量的变化也小,调节阀放大系数小,调节平稳缓和;在大开度时,流量大,流量的变化也大,调节阀放大系数大,调节灵敏有效。

当R=30时,其相对开度下的相对流量如表1。

表1 各种流量特性下的相对开度和相对流量表

1.2 调节阀的工作流量特性

在实际使用时,调节阀前后包括管道和其他部件,设备的阻力损失会随流量变化而同向变化,如果采取系统定压运行,则调节阀前后的压差不能保持不变,虽在同一开度下,通过调节阀的流量将与理想特性时所对应的流量不同。研究工作条件下的流量特性十分关键。调节阀工作流量特性是指调节阀在前后压差随负荷变化的工作条件下,调节阀的相对开度与相对流量之间的关系。如图2所示调节阀串联在管道,串联管道的压力损失与通过管道的流量成一次至二次方关系,一次至二次方关系取决于管路长度与管径的比值(此文不予论述)。总之,当系统两端总压差ΔP一定时,随之通过管道流量的增大,串联管道的压力损失也增大,这样就使调节阀前后压差减小,如图2所示。

图2 管道串联时直通调节阀压差变化情况

2 阀权度对调节阀流量调节特性的影响

通常运行中,调节阀的工作流量特性与阀权度有关,与阀门所在系统压力有关。找到合适的阀权度对于系统节能及调节性能起着关键的作用。在串联管路中,阀权度过大,阀门特性在系统中更趋近于阀门理想特性曲线;阀权度的选择过小,会偏离理想特性曲线。偏离理想特性曲线并不能简单定义为选型的不恰当,在一定情况下需要阀门偏离特性曲线来满足系统所需阀门的调节性能。

2.2 阀权度公式应用

ΔP0表示调节阀全开时,流量为设计流量下的两端压差,也是调节过程中最小压降;当调节阀全关时,流量变为0,此时系统中其他设备管道的压降为0,系统压降达最大值ΔPmax,且全部由调节阀承担。定义调节阀在系统调节过程中的最小压降与最大压降的比值为阀权度β,其公式为:

    (6)

调节阀流通能力的计算公式:

    (7)

C——调节阀的流通能力,流通能力与面积正比关系;

ΔP——调节阀前后的压差;

ρ——介质密度。

相对流量:

    (8)

引入阀权度β的概念,则

    (9)

由公式(8)可知,当阀权度等于1时,即当调节阀上的压降等于系统全部压降时,调节阀的相对流量等于理想特性下的数值,即此时调节阀工作调节特性等于理想调节特性。当阀权度小于1时,调节阀从全开状态逐渐关小时,其两端压降逐渐增大,在相同的相对开度下,此时通过调节阀的相对流量将大于理想调节特性下的相对流量,调节特性失真。线性调节特性趋向于快开特性,等百分比特性曲线趋向于线性特性。阀权度值越小,阀的调节失真越严重,如图3。因此,阀权度是衡量调节阀工作调节特性的一个重要指标,它能直接判断调节阀在工作状态下调节特性的失真程度。在实际工程中,阀权度的确定,是正确选择、设计调节阀的重要依据。

图3 串联管道时直通调节阀工作流量特性(以q100为参比值)

3 实验分析

3.1 实验背景

北京经济技术开发区热力公司蒸汽锅炉热源厂,35蒸吨锅炉运行压力为0.8MPa,给水泵运行压力维持在1.45MPa,锅炉燃烧负荷在80%~90%,锅炉给水电动调节阀门开度仅为15%左右,阀门可调区间非常小,阀门阀芯长期处于高压疲劳工作状态,不仅不利于阀门的调节,不利于锅炉给水PID控制调节,同时使阀门工作状态严重偏离设计运行曲线,对安全生产造成隐患,阀门精度下降,不利于阀门的使用调节,不利于公司节能经济运行。受于给水流量计量程所限,本文中相对流量的最大值选取流量计最大量程42t/h。

3.2 实验目的

针对上述问题,二号热源厂对给水系统进行运行降压试验及更换给水调节阀,并进行初期试验摸索,通过对累计运行数据进行分析,找出公司给水系统节能降耗及安全运行方式方法。

3.3 实验记录

3.3.1 实验前分析

锅炉给水系统水位三冲量(汽包水位,给水流量,蒸汽流量)调节需求是阀门开度与流量为线性关系,电动调节阀原设计选型为型线为直线型。在使用过程中发现阀门可调区间仅为10%~20%,在开度为20%时即已达到给水泵满负荷运行,未达到调节阀30%~70%经济可调区间,在费电耗能的不利条件下对于锅炉稳定运行也造成影响,阀门调节性能失真。经过分析,认为系统压差过大,阀权度小于1,可调区间小,阀门开度在20%时即已达到满负荷。

3.3.2 线性流量特性给水调节阀降压实验

逐渐降低给水系统定压压力,由1.45MPa降低到1.28MPa,发现锅炉运行稳定,见图4。

图4 改造前给水阀特性曲线

由图4可知:

(1)阀门开度由10%逐渐开大到100%,发现当阀门开度为50%时即已接近水量最大值,阀门开度增大流量增长缓慢。调节阀的流量调节特性曲线为快开特性,改变原调节阀门线性特性。阀门在0%~30%为直线特性。阀门开度35%以下流量曲线为线性特性,才能满足PID调节需求。

(2)直线型调节阀的工作轨迹偏离设计轨迹成快开曲线。为满足PID调节的线性要求无法进一步降低定压值,调节阀的流量特性发生很大的畸变。公司热源厂锅炉给水阀门的理想状态为调节阀在工作时相对流量和相对行程的关系在直角坐标系内为一条直线,使通过它的流量与它的行程具有相对均匀的稳定性,即线性调节特性曲线(如图5),以利于三冲量更精准的控制调节,利于锅炉安全运行。根据实验结果,考虑更换给水调节阀,选取调节阀门特性为等百分比特性,预测通过阀门开度与给水压力的共同作用,将相对接近流量与相对开度成线性关系的结果,改造后做以下实验记录。

图5 线性调节阀工作流量特性

3.3.3 等百分比流量特性给水调节阀降压实验

公司热源厂将直线特性给水调节阀更换为等百分比特性阀门。给水定压分别为1.28MPa及1.10MPa,实验结果见图6。

图6 改造后给水定压不同的情况下调节阀特性曲线

由实验数据分析可知,改造后等百分比调节阀的流量特性曲线接近于线性,满足PID调节需求,1.28MPa定压点时55%的阀门开度流量为42t/h,下降到1.15MPa时,阀门开度75%时流量达到42t/h,可以满足35蒸吨锅炉的需求。

等百分比特性阀门,在管路阻力及阀门阀权度的共同作用下出现畸形,使相对流量与相对行程接近线性关系,而给水定压越高,系统阻力越大,阀门相对开度相同的情况下流量越大,在不影响锅炉安全运行的前提下,降压运行,节电节能。

根据现场数据计算阀权度约为0.3,调节阀开度与流量接近成线性关系。调节阀选型时,要针对不同的系统,掌握其工作调节以及在不同负荷下的流量和压差变化范围等参数,才能选择最理想的、适合系统运行的调节阀。

4 结论

由水泵的工作原理可知:水泵的轴功率与水泵的全压成3/2次方的关系,即

   (10)

根据公式可得:

y=0.797

1-0.797=0.203

通过计算可知降压运行后达到约20%的节电效益,对水系统节能降耗作用很大。

4.2 对阀门寿命的影响

通过给水降压试验可知,调节阀阀门开度由原来的10%~20%的可调区间扩大到30%~70%的经济可调区间,有利于延长阀门的使用寿命。阀门开度小,阀芯密封面离节流口近,有损于阀芯密封面,节流间隙小,流速大,冲刷厉害,急剧的流速、压力变化,超过阀的刚度时,阀稳定性差,甚至产生严重振荡,严重影响阀的使用寿命。

4.3 对调节精度的影响

使用等百分比给水流量调节阀,锅炉运行负荷(给水量)在20t/h~35t/h之间时,阀门开启度可处于30%~70%的最佳调控范围,相对于线性调节阀门大部分开度在7%~20%,提高给水阀门的调节精度,使给水流量与控制阀门趋于线型比例关系,有利于锅炉三冲量调节,汽包水位控制更加稳定,水泵工况运行稳定,避免大流量耗电的出现,提高水泵运行效率。

在本文中锅炉给水系统由省煤器、阀部件及管路共同组成,阀权度在0.3左右。因阀权度的作用需选择等百分比特性阀门,使其在系统中工作流量特性接近于线性。而在阀权度接近于1时运行工况会接近阀门的理想特性曲线,比如在除氧给水系统中调节阀之外阻力可以忽略不计,阀权度接近于1,此时就应该选择线性特性的调节阀。所以说在给水系统中,调节阀流量特性及阀权度的选取十分重要,不能一概而论,在应用时应充分了解阀门特性及管路阻力分布情况,使调节阀的工作特性满足系统运行要求。

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