锅炉给水调节阀型线和各开度下压差的计算.pdf

文章编号 100225855 2007 0620034204 作者简介邱宏军1979 - ,男,黑龙江哈尔滨人,助理工程师,现从事阀门设计与试验研究工作。 锅炉给水调节阀型线和各开度下压差的计算 邱宏军1,张乃波2 1 1 哈尔滨哈锅阀门股份有限公司,黑龙江 哈尔滨150046 ; 21 黑龙江北方阀业有限责任公司,黑龙江 牡丹江157000 摘要 介绍了调节阀在型线设计过程中,可以通过计算公式求得在每个开度下的压差,论述 了如何将调节阀在最小开度下的节流面积融合在总面积之中,使调节阀的特性曲线更趋于合理。 关键词 锅炉;调节阀;压差计算;特性曲线 中图分类号 TH134 文献标识码 A The calculation of characteristics curve and differential pressure under each opening on boiler feed water control valve QIU Hong2jun1ZHANG Nai2bo2 1. Harbin HBV Valve Company Ltd. , Harbin 150046 , China ; 2.Heilongjiang North Valve Company Ltd Liability , MudanJiang 157000 , China Abstract This article introduces that during the characteristics curve designing , how to use the for2 mulas to calculate the differential pressure of each opening and how to add valve minimum throttling area to total throttling area making the characteristics curve more reasonable. Key words boiler ; control valve , differential pressure calculation ; characteristics curve. 1 概述 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,确保锅炉安全运行的 一个不可缺少的调节系统。给水调节阀是锅炉给水 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。由 于在不同锅炉上的调节阀,在调节过程中压差变化 也会不同,如使用定速泵和变速泵,其在启动过程 中,系统压差相差几倍或十几倍,这样,要用一种 标准型线满足所有工况条件是不可能的。因此,除 了考虑高压差的合理分配外,对于调节阀性能的优 劣更是取决于其节流件型线的设计,是否与调节过 程中因负荷变化,压差随之变化而相适应。根据研 究确定,只要在设计节流件时,准确的把调节过程 中压差变化范围和型线计算结合在一起考虑,就可 以得到一种比较趋于合理的设计。 2 型线计算公式 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 线等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, 而使调节阀在预定的操作条件下图1 ,使通过 它的流量与它的行程具有相对均匀的稳定性,而保 证相对流量和相对行程的关系在直角坐标系内为一 条直线。其比例关系式为 图1 理想的工作特性曲线 d Qi Qmax d f l L C1 当用l 0 ,QiQN和lL,QiQmax的范 围对式1进行积分,可得 43 阀 门 2007年第6期 ∫ Qmax QN Qi Qmax C∫ L 0 d l L 简化得 1 Qmax Q max- QN C 当令R Qmax QN 时,则C 1- 1 R 。 当用ll,QiQi和l 0 ,QiQN的范围 对式1进行积分,可得 Qi-QN Qmax l L C2 将C值代入式 2 , 并简化后得 Qi Qmax 1 R [1 R -1 l L ]3 或 QiQmax 1 R [1 R - 1 l L ]4 式中 Qmax 调节阀在最大开度下的流量, t/ h Qi 调节阀在某一开度下的流量, t/ h QN 调节阀最小可调流量, t/ h R 可调比 l 调节阀在某一开度下的行程, m L 调节阀在全开时行程, m 式3在连续调节过程中,其压差为一定的 条件下,工作流量特性曲线为直线条件。根据这个 条件,导出对于在连续过程中,压差是在不断变化 的调节阀的节流件型线计算方程式。在节流过程中 Qi5104μiFiΔpγi5 Qmax 5104μmaxFmaxΔpmaxγmax6 所以 Qi Qmax μiFiΔpγi μmaxFmaxΔpmaxγmax 7 式中 μi 调节阀在某一开度下流量系数 μmax 调节阀在全开度下流量系数 Δpi 调节阀在某一开度下压差, MPa Δpmax 调节阀在全开度下压差, MPa Fi 调节阀在某一开度下流通面积, m2 Fmax 调节阀在全开度下流通面积, m2 γi 调节阀在某一开度下介质密度 γmax 调节阀在全开度下介质密度 在调节阀的调节过程中,大多数情况下给水温 度不会发生较大的变化,其密度也不会受到压力变 化的影响,可以假定 γiγmax,如果假设F1 γiFi、FγmaxFmax,则式7可以化简为 Qi Qmax F1Δpi FΔpmax 1 R [1 R 1 l L ] 即 F1 F R [1 R 1 l L ] Δpmax Δpi 8 式中 F1 调节阀在任意开度下的有限流通截 面积, m2 F 调节阀在全开度下的流通截面积, m2 调节阀在连续调节过程中,当压差由Δpi变化 到Δ pmax时,使调节阀的工作特性保持在线性状态 下,式8为在任意开度下的有效流通截面积的 计算公式。而当ΔpiΔpmax时,式8 为定压差 下在变速泵调节阀运行时在任意开度下的流通 截面积计算公式。 在运用式8时,其最大压差Δpmax是由用 户给定,F1按式6计算,调节比R按系统调 节的要求选定,相对行程l/ L由设计决定, 而Δ pi 则根据机组启动方式和锅炉给水方式选用。 3 调节阀压差 调节阀的压差,特别是在每个开度下的压差, 是设计调节阀流通面积的一个重要的数据。一个准 确的压差数据,是决定调节阀调节性能能否满足锅 炉给水系统自动化运行的保证。但压差和锅炉启动 方式、给水泵的特性以及给水系统的组成有着密切 的关系。一般情况下,用户或设计院将会提出较为 准确的最大压差,但不能提出调节阀在每个开度下 的压差,通过实践,提出了近似的但基本上可以满 足运行要求的计算公式。 311 锅炉定压启动时的计算公式 在锅炉内的介质压力与给水管内的压力变化不 大的运行情况下,调节阀的压差仅受给水系统阻力 的影响,可近似看作系统两端压力不变图2 , 其调节阀在每个开度下的压差为 Δpip1-p2-Δp39 式中 p1 给水管内压力, MPa p2 锅炉汽包内介质压力, MPa Δp3 给水系统各部件的阻力, MPa Δp3ξw 2 2g γ 10 10 w Qi 0136F2γi 11 式中 Qi 通过给水系统的流量, t/ h ξ 给水泵系统总的阻力系数由锅炉汽 水阻力计算而得 532007年第6期 阀 门 g 重力加速度g 918m/ s2 , m/ s2 γ 介质密度, kg/ m3 F2 给水管道截面积, m2 将式11代入式10可得 Δp3ξ Qi2 2514F22γ 12 令Δ pp1-p2,则有 ΔpiΔp-ξ Qi2 2514F22γ 13 式13可以用于在定压启动和水管制供水的 机组上的调节阀,计算调节阀在各个开度的流量下 的压差。在使用式13时,应注意公式中的阻力 系数ξ应是从给水泵出口至锅炉汽包之间,包括 弯头、管道、省煤器等所有产生阻力部件的阻力系 数之和。 图2 定压启动调节阀压差 312 锅炉滑压启动时的压差 目前在大容量的高温高压发电机组,基本上采 用滑压启动方式,在这类机组中锅炉的供水方式比 较复杂,有定速泵、变速泵、定速泵和变速泵交叉 以及水管制供水等多种形式。因此,使调节阀在滑 压启动中,其压差变化范围比较大,其中犹以定速 泵供水为最大。因为,在机组启动过程中,锅炉汽 包内的介质压力是随着锅炉的蒸发量增加而提高, 给水系统的阻力也是随着给水量的增加而增加,而 给水泵的出口压力则是随着流量的增加而降低图 3 ,造成了调节阀的压差随着开度的增加而降低。 由于锅炉升压曲线和锅炉蒸发量之间没有固定 的函数关系,给水泵的特性曲线也因其结构的不同 不尽相同,因此,调节阀在调节工程中各个开度下 的压差不能用一个函数式表达。但可以从锅炉机组 上锅炉升压特性曲线和给水泵的特性曲线上,查出 在同一流量下的锅炉汽包压力和给水泵出口压力, 其在不同开度下的压差Δpi为 ΔpiΔp-Δp314 图3 系统压力分配 图4 压差简化计算 图5 型线 式中 Δp 在同一流量下给水泵出口压力和锅 炉汽包压力之差, MPa Δpp3-p4 Δp3 系统阻力, MPa p3 在锅炉给水流量为Qi时水泵出口压 力, MPa p4 在锅炉给水流量为Qi时锅炉汽包压 力, MPa 在滑压启动机组中,锅炉供水为水管制时,则 式中的p3为给水水管内的介质压力,并可认为它 63 阀 门 2007年第6期 是一个定值。如果机组使用调速泵供水,在计算给 水旁路上的调节阀的压差时,p3可按调速泵最低 转速的特性曲线查得。此时,给水调节阀的压差 Δpi,可以做为一个常量,通常情况下,Δpi 0115～012MPa。 313 简化计算 在设计滑压启动机组上给水调节阀时,当无法 取得锅炉升压曲线、水泵的特性曲线以及给水泵有 关资料时,在用户只能提供通过调节阀最大流量和 最小流量的压差时,可以把水泵和锅炉的升压特性 曲线图 4 看作是两条直线,并认为给水系统的 阻力也在这两条线之内,由此,调节阀在任意开度 下的压差Δpi可以近似的计算, 其计算结果基本上 可以满足调节阀型线设计的要求。 ΔpiΔps- Δpa-ΔpbQi Qmax-QN 15 ΔpsΔpa Δpa-ΔpbQN Qmax-QN 16 式中 Δps 调节阀流量为零时的压差, MPa Δ pa 调节阀最小可调流量下的压差, MPa Δ pb 调节阀最大流量下的压差, MPa 按照式14计算调节阀在任意开度下的压 差,存在着调节阀实际流量特性曲线和理想特性曲 线有一定的偏差。但是这种计算方法可以解决设计 资料不足的困难,并且可以在缩小偏差的基础上, 满足锅炉给水系统自动化运行的要求,所以设计者 经常采用。 314 可调比的计算与选择 当用公式计算调节阀每开度下的压差后,应该 用最大压差和最小压差计算和选用调节阀的可调 比。当调节阀的压差随流量的变化而变化时,可调 比为 R Qmax1 QN1 Δpa Δpb 17 式中 Qmax1 最大可调流量, t/ h QN1 最小可调流量, t/ h 按式17计算的可调比,在实际应用时可以 适当的加大,一般情况下保留两位小数,末位数为 0或5。对于锅炉主给水调节阀和喷水减温调节阀, 由于其流量的起点不同,调节比的取值也应该不 同,这主要因为,喷水减温调节阀的工作状态是从 很小的开度下开始,并且要求是很精准和稳定的, 如果运行状况比较平稳,运行水平很高,则需要的 喷水量基本上保持在一个常数上,这就需要其调节 比很大,根据实际运行,调节比R 30～50。而 锅炉给水操纵台一般由两到三条管路组成,而主给 水调节阀的投入大多在30 负荷以上才开始投入 运行。以670t/ h锅炉为例,一投入运行,其流量 就应该是200t/ h以上,从可调比计算公式上也可 以看出,在小开度下流通面积如果过小,就加大了 给水旁路交接时调节开度,造成了主给水调节阀工 作流量特性曲线斜率过大,不利其瞬时调节既可满 足锅炉运行的需要,因此,对于锅炉主给水调节阀 的可调比建议采用R 10～20。 4 型线绘制 根据调节阀在每个开度下的压差以及流通面积 的计算,可以进行阀节流件型线的绘制。但是,不 论采用矩形法还是梯形法绘制窗口型线时,总要出 现图5所示的形状。形成这一现象的主要原因是当 l/ L 0时,F0 1 R Fmax,因此,在调节阀的行程 l 0时,在加上阀瓣和套筒之间的制造间隙所固 有的面积,无论是直线特性,还是等百分比特性, 就已经存在了F0 1 R FmaxF间隙的面积下的流量。 它不仅影响了调节阀的工作特性曲线形成不了一条 光滑的曲线,而且使小流量下,调节阀在运行过程 中不易控制,并给加工带来了一定的困难。因此, 在型线设计时,应将l 0时存在的F0 1 R Fmax F间隙的面积扣除,如图5中上部虚线部分放到下 部,就可以使调节阀的工作流量特性曲线的边光 滑,同时提高了调节阀的可调比,解决了调节阀在 小开度下的有效调节,并消除了加工上的困难。 5 结语 设计调节阀时,要针对不同的系统,掌握其工 作条件以及在不同负荷下的流量和压差变化范围等 参数,才能设计出理想的,适合系统运行的高质量 的产品,这是一项比较复杂的工作,要经过多次试 验与反复修正才能达到完善。特别是新设计的调节 阀,应对各种结构特性和运行工况进行有针对性的 试验,掌握其压差变化的规律,才能达到设计一个 较为理想的调节阀的目的。 参考文献 〔1〕 明赐东 1 调节阀计算选型使用 〔M〕1 四川成都科技大学 出版社, 19991 收稿日期 20071071 24 732007年第6期 阀 门