先導式減壓閥的動靜態特性研究

2015-02-02 王程勇湖北三江航天紅峰控制有限公司

　　介紹了氣體先導式減壓閥的工作原理，建立了減壓閥閥芯節流數學模型，分析了減壓閥靜態特性和動態特性。

1、先導式減壓閥的概述

　　減壓閥是一種自動降低管路工作壓力的專門裝置，作用是在給定減壓范圍后，將閥前管路較高的壓力降低至閥后管路所需的水平。減壓閥廣泛用于高層建筑、城市給水管網水壓過高的區域、礦井和氣體管路等。隨著工業控制精度的提高，減壓閥的控制精度也逐步提高，要求閥后壓力穩定，過流能力大，反向壓力損失小，瞬態恢復時間短，減壓和卸壓時間短，壓力超調率低，開展減壓閥靜態和動態特性研究，有利于了解其控制能力和狀態。

2、先導式減壓閥的工作原理

　　先導式減壓閥主要由閥體、主彈簧、主閥芯、主閥座、活塞、先導彈簧、先導閥芯、先導閥座、先導活塞和調整彈簧等組成(圖1) 。擰動調節螺釘，壓縮調整彈簧，頂開先導閥芯，介質從進口側進入活塞上方，由于活塞面積大于主閥閥芯面積，推動活塞向下移動，使主閥打開，由閥后壓力平衡調節彈簧的壓力改變導閥的開度，從而改變活塞上方的壓力，控制主閥芯的開度使閥后壓力保持恒定。

1. 閥體2. 主彈簧3. 主閥芯4. 主閥座5. 活塞6. 先導彈簧7. 先導閥芯8. 先導閥座9. 先導活塞10. 調整彈簧

圖1 先導式減壓閥

　　減壓閥基本原理是采用氣體在管路中的節流效應而減壓。閥芯節流處方程為

3、先導式減壓閥的仿真建模

　　先導式減壓閥采用AMESim 軟件( Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering System) 建模( 圖2) 。假設氣體為理想氣體，滿足理想氣體狀態方程。忽略減壓閥工作過程的溫度變化和節流處的阻尼，工作過程中節流處流量系數不變; 各容腔內的壓力場均勻分布，氣源為恒壓源。

1. 主彈簧2. 活塞3. 主閥芯4. 出口5. 氣體屬性 6. 氣源7. 調整彈簧8. 先導閥芯9. 先導活塞10. 先導彈簧

圖2 先導式減壓閥AMESim 模型

4、先導式減壓閥的特性分析

　　減壓閥的特性分靜態特性和動態特性兩種。靜態特性是指在穩定流動狀態下，減壓閥出口壓力與進口壓力或流量等參數間的函數關系。動態特性是指在進口壓力或流量突然變化或其他擾動因素的作用下，減壓閥出口壓力與時間的函數關系。

　　4.1、靜態特性

　　靜態仿真結果如圖3 所示，P1為進口試驗壓力( P1 = 20MPa) ，P2為出口試驗數據，P2 - 20、P2 - 15和P2 - 10分別為進口試驗壓力為20MPa、15 MPa 和10MPa 下的仿真出口壓力。從試驗結果分析，進口壓力為20 MPa 時，其試驗數據和仿真P2 - 20數據變化

　　趨勢基本相同，初始階段出口壓力快速上升。經過適當振蕩后壓力逐漸穩定，超調量較小僅為3%，最終試驗數據穩定在4. 35 MPa，P2 - 20穩定在4.25MPa，兩者有一定差異，但在可接受范圍內，模型較準確。利用模型仿真的進口壓力15 MPa 和10MPa下出口壓力的變化情況，對比P2 - 20、P2 - 15和P2 -10曲線可以發現，三條曲線變化趨勢相同。在穩定階段壓力波動狀態完全一致，在不同壓力下出口壓力也不相同，進口壓力越小則出口壓力也越小，但比進口壓力減小比例小，即出口壓力變化小，符合減壓閥設計要求。

1. P1—進口試驗數據　2. P2—出口試驗數據　3. P2 - 20—仿真進口壓力為20MPa 時的出口數據　4. P2 - 15—仿真進口壓力為15MPa 時的出口數據　5. P2 - 10—仿真進口壓力為10MPa 時的出口數

圖3 進口壓力和出口壓力的試驗和仿真數據

　　4.2、動態特性

　　根據靜態特性分析，對模型進行了優化處理，首先模型中增加了彈性元件的總剛度Kt以提高活動系統的固有頻率，提高抗干擾能力，其次減小了模型中活動件質量，活動件質量越小，運動時慣性力越小，這樣較小的阻尼力就可抑制系統的自激振蕩。

　　將進口壓力P1從20 ～ 10MPa 變化，觀察出口壓力P2的變化( 圖4) 。1 ～ 2s 時進口壓力從20MPa逐漸降為15MPa，2 ～ 3s 時進口壓力逐漸降為10MPa。在此過程中，出口壓力也逐漸降低。在1～ 2s 和2 ～ 3s 期間出口壓力微小波動，最終穩定，平均出口壓力分別為3. 7MPa 和3. 2MPa，與靜態分析中三種進口壓力條件下出口壓力值一致。在1s 和2s 時出口壓力隨著進口壓力降低而突降，當3s 時進口壓力升至20MPa，出口壓力突升至4MPa。出口壓力在進口壓力突降和突升過程中壓力沒有出現明顯的波動。