蔡佐君，白榮騰，李 泓，倪 平

· （1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海 200031；2.杭州汽輪機(jī)股份有限公司，浙江 杭州 310022）

壓差調(diào)節(jié)器輸出壓差特性研究

蔡佐君1，白榮騰2，李 泓2，倪 平1

· （1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海 200031；2.杭州汽輪機(jī)股份有限公司，浙江 杭州 310022）

對(duì)汽輪給水泵壓差調(diào)節(jié)器的輸出壓差特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲得輸出壓差與信號(hào)壓差的關(guān)系曲線，并對(duì)試驗(yàn)曲線進(jìn)行分析，建立試驗(yàn)曲線的規(guī)范化處理方法。

汽輪給水泵；壓差調(diào)節(jié)器；輸出壓差特性；規(guī)范化處理方法

0 引言

汽輪給水泵為鍋爐提供用于生成高溫高壓蒸汽的給水工質(zhì)，是船舶動(dòng)力系統(tǒng)中的一類關(guān)鍵輔機(jī)設(shè)備。給水泵的泵送量需要隨時(shí)與鍋爐負(fù)荷匹配，因而必須有可靠的工況自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。某型汽輪給水泵采用水介質(zhì)作為調(diào)節(jié)用工質(zhì)，具有抗燃、簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)[1]，調(diào)節(jié)系統(tǒng)中起工況調(diào)節(jié)作用的關(guān)鍵部件是一個(gè)壓差調(diào)節(jié)器，圖1是該部件的控制原理簡(jiǎn)圖。

圖1 壓差調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)控制原理圖[2]

壓差調(diào)節(jié)器采用射流管式的滑閥隨動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)，利用鍋爐給水調(diào)節(jié)閥前后的壓力信號(hào)來改變機(jī)組工況，給水調(diào)節(jié)閥在給水泵出口與鍋爐之間，此類結(jié)構(gòu)具有加工公差較低，對(duì)污染物不敏感，多用于低功率系統(tǒng)中[3]。給水調(diào)節(jié)閥前后的信號(hào)壓力分別作用在壓差調(diào)節(jié)器的兩個(gè)波紋管上，波紋管1接收給水調(diào)節(jié)閥閥前的壓力信號(hào)，即給水泵出口壓力，波紋管2接收給水調(diào)節(jié)閥閥后的壓力信號(hào)，即鍋爐的壓力信號(hào)。當(dāng)鍋爐負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，給水調(diào)節(jié)閥前后的壓差也會(huì)改變，壓差增加表明鍋爐負(fù)荷降低，因此壓差調(diào)節(jié)器內(nèi)的杠桿逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，使得壓差調(diào)節(jié)器的輸出壓差改變，即通往蒸汽調(diào)節(jié)閥活塞左側(cè)腔室壓力增高，右側(cè)腔室壓力減小，因此蒸汽調(diào)節(jié)閥關(guān)小，機(jī)組工況降低，反之亦然。

壓差調(diào)節(jié)器的輸出壓差作為蒸汽調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行動(dòng)力，它的工作特性關(guān)系到機(jī)組的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，因此必須著重并加以研究。本文對(duì)不同給水調(diào)節(jié)閥閥后壓力下的輸出壓差與信號(hào)壓差的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了相應(yīng)的試驗(yàn)曲線，并對(duì)試驗(yàn)曲線進(jìn)行分析，通過規(guī)范化處理后，可獲得統(tǒng)一的試驗(yàn)結(jié)果處理方法，有助于今后直接利用試驗(yàn)曲線對(duì)機(jī)組的調(diào)節(jié)特性進(jìn)行仿真計(jì)算。

1 試驗(yàn)裝置及方法

圖2是壓差調(diào)節(jié)器輸出特性的試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖，壓差調(diào)節(jié)器的工作用水通過水泵從水箱泵入。采用兩個(gè)壓力校驗(yàn)儀給波紋管提供模擬的信號(hào)壓力，與實(shí)際對(duì)應(yīng)，波紋管1接收給水調(diào)節(jié)閥閥前壓力，波紋管2接收閥后壓力，用一個(gè)雙針壓力表顯示壓差調(diào)節(jié)器的輸出壓差。在試驗(yàn)中，水泵出口壓力保持一定，固定給水調(diào)節(jié)閥閥后壓力，逐漸升高閥前壓力，記錄輸出壓差。

圖2 壓差調(diào)節(jié)器輸出特性試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行工況，試驗(yàn)中選取了三個(gè)給水調(diào)節(jié)閥閥后壓力進(jìn)行壓差調(diào)節(jié)器輸出特性的測(cè)量，閥后壓力分別取3.5、5.0、6.6MPa。圖3是三個(gè)閥后壓力下的輸出壓差與信號(hào)壓差的試驗(yàn)關(guān)系曲線，這是典型的射流管式滑閥裝置的靜態(tài)特性曲線形式[4]。由試驗(yàn)曲線可見，三個(gè)閥后壓力下的輸出特性曲線基本呈平行狀態(tài)，相當(dāng)于同一條輸出特性曲線在不同閥后壓力下進(jìn)行了平移。為了證明這一點(diǎn)，需要對(duì)壓差調(diào)節(jié)器的作用過程進(jìn)行分析。

圖3 壓差調(diào)節(jié)器輸出特性試驗(yàn)曲線

2.2 數(shù)學(xué)模型

圖4是壓差調(diào)節(jié)器進(jìn)行簡(jiǎn)化后建立的物理模型。P1和P2分別是給水調(diào)節(jié)閥閥前和閥后壓力，F(xiàn)k是彈簧補(bǔ)償力，根據(jù)模型可建立平衡方程：

圖4 壓差調(diào)節(jié)器作用原理圖#

式中：A是波紋管作用面積，K是彈簧剛度，x0是彈簧初始預(yù)緊力，即杠桿位于中間位置時(shí)的彈簧壓縮量，x是閥前閥后壓力改變后的彈簧壓縮改變量。進(jìn)一步可整理為：

記信號(hào)壓差ΔP=P1-P2，j=A/(Kc)從而有：

彈簧壓縮改變量x即反映了杠桿的位移改變量，也與杠桿在壓差調(diào)節(jié)器輸出孔處的遮擋位置對(duì)應(yīng)。相同的遮擋位置，必然對(duì)應(yīng)相同的輸出壓差。因此可根據(jù)這一原則建立不同閥后壓力下的關(guān)系式：

聯(lián)立式(3)、(4)有：

可見，相同的杠桿位移x即相同的輸出壓差下，信號(hào)壓差改變量Δ與閥后壓差改變量Δ2間的關(guān)系如式(6)所示，呈線性比例關(guān)系。以輸出壓差為0的信號(hào)壓差帶入式(6)，對(duì)三個(gè)閥后壓力進(jìn)行比較，根據(jù)試驗(yàn)用的壓差調(diào)節(jié)器幾何尺寸可得(b-a)/a為0.371，對(duì)比結(jié)果見表1所示?？梢?，計(jì)算值與試驗(yàn)值十分接近，試驗(yàn)曲線的周期平移特性較明顯。

表1 結(jié)果對(duì)比表

2.3 規(guī)范化處理

可將式(3)整理成如下形式：

當(dāng)工作水壓力一定時(shí)，壓差調(diào)節(jié)器的輸出壓差只與杠桿位置(即x值)有關(guān)，由式(7)中間式子可見，整理成u的形式后，輸出壓差只受一個(gè)變量x的影響，因?yàn)楫?dāng)壓差調(diào)節(jié)器整定完成后，x0和ja都不變。將三條不同閥后壓力下的輸出特性試驗(yàn)數(shù)值帶入式(7)可獲得輸出壓差關(guān)于u的特性曲線，見圖5所示?？梢姡龡l試驗(yàn)曲線十分一致，因此對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)范化處理后，可用一條試驗(yàn)曲線來代表不同信號(hào)壓差、不同閥后壓力下的壓差調(diào)節(jié)器輸出壓差特性。

圖5 規(guī)范化后的輸出特性曲線

3 試驗(yàn)曲線的處理方法

壓差調(diào)節(jié)器的輸出壓差直接推動(dòng)蒸汽調(diào)節(jié)閥運(yùn)動(dòng)，因此它的工作性能關(guān)系機(jī)組的調(diào)節(jié)特性，為今后可對(duì)機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，必須掌握調(diào)節(jié)關(guān)鍵部件壓差調(diào)節(jié)器的輸出特性。根據(jù)壓差調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)可知，如果從流體力學(xué)角度進(jìn)行分析，必定無法準(zhǔn)確掌握詳細(xì)的流動(dòng)細(xì)節(jié)，因此無法建立較為準(zhǔn)確的方程來描述輸出壓差特性。

由前面的分析知，不同閥后壓力下的輸出壓差與信號(hào)壓差的關(guān)系曲線本質(zhì)上是周期平移的，由圖5還可見，規(guī)范化處理后的試驗(yàn)曲線十分一致，因此知道一條閥后壓力下的輸出特性試驗(yàn)曲線，就可掌握其余閥后壓力下的輸出特性。調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真中，可用一條試驗(yàn)曲線為基礎(chǔ)，獲得不同閥后壓力下的輸出特性，從而較為準(zhǔn)確地模擬壓差調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)特性。

壓差調(diào)節(jié)器輸出特性試驗(yàn)曲線在調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真計(jì)算中可作如下步驟的處理：1）建立某個(gè)閥后壓力下的輸出壓差與信號(hào)壓差間的關(guān)系曲線，并利用式(7)得到一些列規(guī)范化后的ui值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記為(ΔPi,ui)，ΔPi表示ui對(duì)應(yīng)的輸出壓差值；2）任意閥后壓力及信號(hào)壓差時(shí)，帶入式(7)可得up，根據(jù)up在先前一些列ui值中的位置，可以插值獲得up對(duì)應(yīng)的輸出壓差ΔPp。

4 結(jié)論

對(duì)某型汽輪給水泵用于調(diào)節(jié)機(jī)組工況的壓差調(diào)節(jié)器部件進(jìn)行了輸出壓差特性的試驗(yàn)研究，獲得了三個(gè)閥后壓力下的輸出壓差特性曲線。同時(shí)根據(jù)壓差調(diào)節(jié)器的工作原理，對(duì)試驗(yàn)曲線進(jìn)行了分析，并將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比。將試驗(yàn)曲線進(jìn)行規(guī)范化處理后，可用一條試驗(yàn)曲線表征不同信號(hào)壓差、不同閥后壓力下的輸出壓差特性，有助于在仿真計(jì)算中直接應(yīng)用試驗(yàn)曲線，從而更準(zhǔn)確掌握機(jī)組的調(diào)節(jié)特性。

[1]維列爾 B H.汽輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)[M].北京:電力工業(yè)出版社,1980.

[2]倪 平,陸偉民,郭大泉,等.壓差調(diào)節(jié)器靜態(tài)特性試驗(yàn)研究[J]．機(jī)電設(shè)備,2007(12):45-57.

[3]梅里特 HE.液壓控制系統(tǒng)[M].北京:科學(xué)出版社,1978.

[4]李特文-謝多依 M.自動(dòng)工程系統(tǒng)中的液壓傳動(dòng)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1961.

Research on Characteristics of Output Pressure Difference of Differential Pressure Regulator

CAI Zuo-jun1,BAI Rong-teng2,LI Hong2,NI Ping1
(1.No.704 Research Institute,CSIC,Shanghai 200031,China; 2.Hangzhou Steam Turbine Co.,Ltd.,Hangzhou 310022,China)

The output pressure difference characteristics of differential pressure regulator of turbine driven feed pump is experimental studied.The relation of output pressure difference and signal pressure difference is obtained.The experimental curve is analyzed and the normalized method is set up.

turbine driven feed pump; differential pressure regulator; output pressure difference characteristics; normalized method

U664.113

A

蔡佐君（1982-），男，工程師，碩士，研究方向?yàn)槠啓C(jī)設(shè)計(jì)。