電站鍋爐用先導(dǎo)式安全閥AMESim建模及仿真研究

佟得吉，梁奎，劉翔

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

0 引言

電站鍋爐是電廠用來(lái)發(fā)電的鍋爐，一般容量較大。常見(jiàn)的主力機(jī)組為600MW。目前較先進(jìn)的是超臨界鍋爐，容量可達(dá)1000MW。電站鍋爐主要有煤粉爐和循環(huán)流化床鍋爐兩類(lèi)[1]。安全閥是電站鍋爐中重要安全附件，主要用于鍋爐的超壓保護(hù)。目前安全閥種類(lèi)主要有彈簧機(jī)械式安全閥和先導(dǎo)式安全閥[2]。彈簧機(jī)械式安全閥主要以安全閥彈簧的機(jī)械式壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的密封，系統(tǒng)壓力通過(guò)克服彈簧壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟并排放工質(zhì)。先導(dǎo)式安全閥是一種非直接作用式安全閥，由主閥和導(dǎo)閥組成，依靠從導(dǎo)閥排出介質(zhì)來(lái)驅(qū)動(dòng)或控制主閥的啟閉，適用于高背壓、大口徑、大流量和安裝位置緊湊的場(chǎng)合。當(dāng)系統(tǒng)壓力超壓時(shí)，先導(dǎo)式安全閥能夠及時(shí)開(kāi)啟，泄放壓力從而保護(hù)鍋爐容器系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定[3]。

GB /T 28778—2012 對(duì)于先導(dǎo)式安全閥的起跳調(diào)壓力有嚴(yán)格的要求，然而實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，一些先導(dǎo)式安全閥開(kāi)啟過(guò)程中壓力超調(diào)量大[4]。

鑒于此，以電站鍋爐用AF46Y-25先導(dǎo)式安全閥為例，在分析元件工作原理的基礎(chǔ)上，利用AMESim仿真軟件建立了仿真模型，仿真研究分析先導(dǎo)閥阻尼孔面積、主閥彈簧腔容腔體積、主閥彈簧剛度、先導(dǎo)閥彈簧剛度對(duì)閥壓力超調(diào)量等特性的影響，所得結(jié)論為先導(dǎo)式安全閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化提供參考依據(jù)。同時(shí)，所建立的AF46Y-25先導(dǎo)式安全閥PCD模型為其他型號(hào)的安全閥模型建立提供了參考，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 AF46Y-25先導(dǎo)式安全閥結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1所示為AF46Y-25型先導(dǎo)式安全閥結(jié)構(gòu)原理圖。

圖1 AF46Y-25先導(dǎo)式安全閥結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí), 先導(dǎo)閥閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)壓力通過(guò)下導(dǎo)管、先導(dǎo)閥控制閥腔、上導(dǎo)管，進(jìn)入主閥閥瓣頂部圓頂氣室的同時(shí)作用在先導(dǎo)閥控制活塞下端。

當(dāng)系統(tǒng)壓力到達(dá)先導(dǎo)閥調(diào)定壓力時(shí)，系統(tǒng)壓力克服先導(dǎo)彈簧力通過(guò)頂桿推動(dòng)導(dǎo)閥閥芯上移，導(dǎo)閥開(kāi)啟的同時(shí)關(guān)閉導(dǎo)閥進(jìn)氣通道，主閥上腔氣室壓力通過(guò)先導(dǎo)閥泄壓口泄壓，主閥閥芯在閥芯上下腔壓差的作用下上移，主閥閥瓣完全打開(kāi)，通過(guò)主閥泄放降壓。

當(dāng)系統(tǒng)壓力降低到回座壓力時(shí)，先導(dǎo)閥克服進(jìn)口壓力作用在滑閥上的力使導(dǎo)閥復(fù)位，頂桿頂開(kāi)滑閥，進(jìn)口壓力氣體通過(guò)滑閥重新進(jìn)入主閥上腔，主閥重新關(guān)閉。

2 建模及AMESim仿真分析

2.1 模型建立

根據(jù)AF46Y-25先導(dǎo)式安全閥結(jié)構(gòu)及工作原理，利用AMESim仿真軟件[5]建立模型如圖2所示。

圖2 AF46Y-25先導(dǎo)式安全閥 AMESim仿真模型

2.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)AF46Y-25先導(dǎo)式安全閥樣本結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)定系統(tǒng)主要元件AMESim各模塊的參數(shù)如表1所示。其他參數(shù)保持默認(rèn)值。

表1 參數(shù)設(shè)置

2.3 動(dòng)態(tài)特性仿真分析

1)仿真驗(yàn)證分析

設(shè)定恒壓源0～10 s時(shí)段為2MPa。仿真時(shí)間為10s，仿真步長(zhǎng)為0.01s，進(jìn)行仿真，得到先導(dǎo)式安全閥主閥進(jìn)口壓力如圖3所示。

圖3 先導(dǎo)式安全閥進(jìn)口壓力及局部放大曲線

由圖3(b)可知，0.15s時(shí)先導(dǎo)式安全閥主閥閥芯開(kāi)啟，閥口開(kāi)啟壓力峰值為1.525MPa，最終穩(wěn)定壓力為1.491MPa，壓力超調(diào)量為0.03MPa，符合GB /T 28778—2012的要求[6]。

根據(jù)表1中先導(dǎo)閥彈簧預(yù)緊力為338N、主閥閥芯直徑為17mm，可計(jì)算得出減壓閥出口穩(wěn)定壓力為1.489MPa，與仿真結(jié)果基本一致。證明了所建立模型的正確性和精確性。

2)先導(dǎo)閥阻尼孔通流面積對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性影響分析

利用AMESim批處理功能對(duì)先導(dǎo)閥阻尼孔通流面積進(jìn)行研究分析，設(shè)定先導(dǎo)閥阻尼孔通流面積分別為0.5mm2、1.0mm2、1.5mm2、2.0mm2，仿真得到不同先導(dǎo)閥阻尼孔通流面積下主閥進(jìn)口處壓力曲線如圖4所示(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問(wèn)請(qǐng)咨詢(xún)作者)。

圖4 不同先導(dǎo)閥阻尼孔通流面積先導(dǎo)式安全閥進(jìn)口處壓力及局部放大曲線

從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：先導(dǎo)閥阻尼孔通流面積0.5mm2時(shí)其閥口開(kāi)啟壓力峰值為1.525MPa，最終穩(wěn)定壓力為1.491MPa，壓力超調(diào)量為0.034MPa；阻尼孔通流面積為1.0mm2時(shí)其閥口開(kāi)啟壓力峰值為1.532MPa，最終穩(wěn)定壓力為1.500MPa，壓力超調(diào)量為0.041MPa；阻尼孔通流面積為1.5mm2時(shí)其閥口開(kāi)啟壓力峰值為1.538MPa，最終穩(wěn)定壓力為1.507MPa，壓力超調(diào)量為0.047MPa；阻尼孔通流面積為2.0mm2時(shí)其閥口開(kāi)啟壓力峰值為1.543MPa，最終穩(wěn)定壓力為1.513 MPa，壓力超調(diào)量為0.052MPa。即隨著阻尼孔通流面積的增加，壓力超調(diào)量、穩(wěn)定壓力值有增加的趨勢(shì)，主閥入口達(dá)到峰值壓力的響應(yīng)時(shí)間基本不變，但達(dá)到穩(wěn)定壓力的響應(yīng)時(shí)間逐漸縮短。

3)主閥彈簧剛度對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性影響分析

利用AMESim批處理功能對(duì)主閥閥彈簧剛度進(jìn)行研究分析，設(shè)定主閥彈簧剛度分別為1N/mm、6N/mm、11N/mm、16N/mm，仿真得到不同主閥彈簧剛度下主閥進(jìn)口處壓力曲線如圖5所示。

圖5 不同主閥彈簧剛度下先導(dǎo)式安全閥進(jìn)口處壓力及局部放大曲線

從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：主閥彈簧剛度為1N/mm時(shí)其閥口開(kāi)啟壓力峰值為1.526MPa，最終穩(wěn)定壓力為1.491MPa，壓力超調(diào)量為0.035MPa；主閥彈簧剛度為6N/mm時(shí)其閥口開(kāi)啟壓力峰值為1.526MPa，最終穩(wěn)定壓力為1.494MPa，壓力超調(diào)量為0.035MPa；主閥彈簧剛度為11N/mm時(shí)其閥口開(kāi)啟壓力峰值為1.527MPa，最終穩(wěn)定壓力為1.496 MPa，壓力超調(diào)量為0.036MPa；主閥彈簧剛度為16N/mm時(shí)其閥口開(kāi)啟壓力峰值為1.528MPa，最終穩(wěn)定壓力為1.498MPa，壓力超調(diào)量為0.037MPa。即隨著主閥彈簧剛度越大，最終穩(wěn)定壓力值、壓力超調(diào)量有增加的趨勢(shì)，但增加幅度小，主閥入口達(dá)到峰值壓力的響應(yīng)時(shí)間基本不變，但達(dá)到穩(wěn)定壓力的響應(yīng)時(shí)間逐漸縮短。

4)先導(dǎo)閥彈簧剛度對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性影響分析

利用AMESim批處理功能對(duì)先導(dǎo)閥彈簧剛度進(jìn)行研究分析，設(shè)定先導(dǎo)閥彈簧剛度分別為10N/mm、20N/mm、30N/mm、40N/mm、50N/mm，仿真得到不同先導(dǎo)閥彈簧剛度下主閥進(jìn)口處壓力曲線如圖6所示。

圖6 不同先導(dǎo)閥彈簧剛度下先導(dǎo)式安全閥進(jìn)口處壓力及局部曲線

從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：先導(dǎo)閥彈簧剛度為10N/mm時(shí)其閥口開(kāi)啟壓力峰值為1.497MPa，最終穩(wěn)定壓力為1.479MPa，壓力超調(diào)量為0.006MPa；先導(dǎo)閥彈簧剛度為20N/mm時(shí)其閥口開(kāi)啟壓力峰值為1.498MPa，最終穩(wěn)定壓力為1.482MPa，壓力超調(diào)量為0.007MPa；先導(dǎo)閥彈簧剛度為30N/mm時(shí)其閥口開(kāi)啟壓力峰值為1.499MPa，最終穩(wěn)定壓力為1.485 MPa，壓力超調(diào)量為0.008MPa；先導(dǎo)閥彈簧剛度為40N/mm時(shí)其閥口開(kāi)啟壓力峰值為1.510MPa，最終穩(wěn)定壓力為1.489MPa，壓力超調(diào)量為0.009MPa；先導(dǎo)閥彈簧剛度為50N/mm時(shí)，其閥口開(kāi)啟壓力峰值為1.525MPa，最終穩(wěn)定壓力為1.491MPa，壓力超調(diào)量為0.034MPa。即隨著先導(dǎo)閥彈簧剛度增大，最終穩(wěn)定壓力值、壓力超調(diào)量有增加的趨勢(shì)，但增加幅度小，主閥入口達(dá)到峰值壓力的響應(yīng)時(shí)間基本不變，但達(dá)到穩(wěn)定壓力的響應(yīng)時(shí)間逐漸縮短。

5)主閥彈簧容腔體積對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性影響分析

利用AMESim批處理功能對(duì)主閥彈簧容腔體積進(jìn)行研究分析，設(shè)定主閥入口容腔體積分別為0.0005L、0.0010L、0.0015L、0.0020L、0.002 5 L，仿真得到不同閥彈簧容腔體積下主閥進(jìn)口處壓力曲線如圖7所示。

圖7 不同主閥彈簧容腔體積下先導(dǎo)式安全閥進(jìn)口處壓力及局部放大曲線

從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：隨著主閥彈簧容腔體積的增加，最終穩(wěn)定壓力值、壓力超調(diào)量基本保持不變，分別為1.491MPa和0.03MPa，但主閥入口達(dá)到峰值及穩(wěn)定壓力的響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，主閥彈簧容腔體積由0.0005L增加到0.0025L時(shí)，響應(yīng)時(shí)間由0.16s延長(zhǎng)至0.22s。

3 結(jié)語(yǔ)

以電站鍋爐用AF46Y-25先導(dǎo)式安全閥為例，利用AMESim仿真軟件建立了仿真模型并進(jìn)行仿真研究。研究結(jié)果表明：阻尼孔通流面積、先導(dǎo)閥及主閥彈簧剛度對(duì)閥的壓力超調(diào)量、穩(wěn)定壓力及達(dá)到穩(wěn)定壓力的響應(yīng)時(shí)間影響較大，而對(duì)主閥入口達(dá)到峰值壓力的響應(yīng)時(shí)間影響較??；主閥彈簧容腔體積對(duì)主閥入口達(dá)到峰值及穩(wěn)定壓力的響應(yīng)時(shí)間影響較大，對(duì)壓力超調(diào)量、穩(wěn)定壓力影響較小。