閥門流量特性分析與優(yōu)化

陳 松

（絡(luò)科實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇揚(yáng)州211400）

0 引言

近年來的研究發(fā)現(xiàn)證明，閥門的流量特性以及針對(duì)閥門流量的調(diào)節(jié)控制與優(yōu)化是影響管道系統(tǒng)水錘效應(yīng)的關(guān)鍵性因素，然而，關(guān)于管道系統(tǒng)閥門的選型以及閥門在管道系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)性應(yīng)用研究較多，而在管道系統(tǒng)內(nèi)系統(tǒng)地研究分析閥門流量特性以及閥門流量特性對(duì)管道系統(tǒng)水錘效應(yīng)的影響關(guān)系的研究較少。

1 閥門流量特性分析

一般情況下，閥門的流量特性可以通過閥門開度與閥門流量之間的函數(shù)關(guān)系表示，即：

式中，q為流過閥門的流量大??；Q為瞬間流過閥門的流量大??；Qmax為流過閥門流量的最大值；Y為瞬間閥門的開度大?。籝max為閥門開度的最大值；τ為相應(yīng)情況下的閥門開度大小。

另外，閥門前后兩端的水壓差對(duì)閥門的流量特性具有十分明顯的影響，閥門流量特性通常是指閥門前后兩端水壓差為一定值時(shí)的流量特性。通過以往的研究分析可知，典型的閥門流量特性主要包括四種，即線性、拋物線、等百分比、快開等，該四大類特性可用同一數(shù)學(xué)模型表示，即：

式中，K為閥門流量特性系數(shù)；n為相關(guān)指數(shù)，不同的取值代表不一樣的含義，即取值不同，該數(shù)學(xué)模型指代不一樣的閥門流量特性，當(dāng)n=0時(shí)，表示閥門線性流量特性，當(dāng)n=0.5時(shí)，表示閥門拋物線流量特性，當(dāng)n=1時(shí)，表示閥門等百分比流量特性，當(dāng)n=-1時(shí)，表示閥門快開流量特性。

若考慮閥門流量中的流量最小值Qmin，并引入流量大小調(diào)節(jié)比R：

針對(duì)n所代表的不同取值大小，對(duì)上式進(jìn)行相應(yīng)的積分，可進(jìn)一步得到四種典型閥門流量特性方程，具體如下：

線性流量特性方程可表示為：

拋物線流量特性方程可表示為：

等百分比流量特性方程可表示為：

快開流量特性方程可表示為：

通常情況下，管道系統(tǒng)內(nèi)的閥門均不會(huì)在閥門前后恒壓差下運(yùn)行，在閥門開啟和關(guān)閉的過程中，閥門上下游的壓力差在不斷變化，因此閥門在原有的典型流量特性方程上會(huì)產(chǎn)生一定的偏差，此時(shí)閥門表現(xiàn)的為閥門的工作流量特性。閥門的工作流量特性方程與典型流量特性方程密切相關(guān)，影響閥門工作流量特性方程的因素主要包括管道系統(tǒng)的布置情況、管道系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)大小、各種型號(hào)閥門的組合運(yùn)用形式及管道系統(tǒng)運(yùn)行控制要求等。

基于閥門的固有流量特性方程，結(jié)合管路系統(tǒng)及閥門的安裝布置情況，得出上述四種典型流量特性方程相對(duì)應(yīng)的閥門工作流量特性方程，引入流量系數(shù)相對(duì)值kv來進(jìn)一步分析閥門的工作流量特性：

工作閥門在開口全部開啟和開口全部關(guān)閉的情況下，拋物線流量的流量系數(shù)相對(duì)值與閥門開度的平方成正比，快開流量的流量系數(shù)相對(duì)值與閥門開度的開方成正比；另外，在管道系統(tǒng)中閥門的實(shí)際工程運(yùn)用，不同閥門的實(shí)際流量特性方程也存在不同程度的差別?；谏鲜龇治觯姆N典型的流量特性曲線如圖1所示。

圖1 四種典型的流量特性曲線

2 閥門流量特性優(yōu)化方法

2.1 比例偏置模式

在閥門控制模式下，總閥門位置指令x在閥門管理特性方程f1（x）中計(jì)算得到閥門的開度大小，在其他閥門情況下，閥門位置指令x經(jīng)過kx+b的坐標(biāo)變換，然后再經(jīng)過閥門調(diào)節(jié)曲線方程，計(jì)算得到該閥門的開度大小，具體變換如下：

式中，k、b為一常數(shù)值，依據(jù)不同的閥門型號(hào)來確定上述方程的具體參數(shù)值。

2.2 閥門聯(lián)合調(diào)節(jié)模式

在閥門聯(lián)合調(diào)節(jié)模式下，各個(gè)閥門的調(diào)節(jié)曲線方程不一樣，第一個(gè)閥門的調(diào)節(jié)曲線方程為f1（x），第二個(gè)閥門的調(diào)節(jié)曲線方程為f2（x），后面的閥門依次類推，即具體的表現(xiàn)形式如下：y=f1（x），y=f2（x），…（10）

與比例偏置模式相比，在通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得第一個(gè)閥門的流量特性方程后，將f1（x）替換為優(yōu)化處理后的流量特性方程f1′（x），此時(shí)，只針對(duì)第一個(gè)閥門進(jìn)行了優(yōu)化處理，對(duì)第二個(gè)閥門以及后續(xù)的閥門的流量特性曲線沒有產(chǎn)生明顯影響，此時(shí)可以按照對(duì)第一個(gè)閥門的處理方式對(duì)后續(xù)閥門進(jìn)行相同的優(yōu)化處理。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

在通過實(shí)驗(yàn)得到閥門流量測(cè)量值以及相對(duì)應(yīng)的閥門開度測(cè)量值等一系列相關(guān)參數(shù)后，需要對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化處理，即盡可能地用一條光滑的曲線來表示實(shí)際測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，因此，該光滑曲線必須能夠充分反映出閥門流量在不同閥門開度情況下的變化特征。假設(shè)閥門流量特征曲線符合多項(xiàng)式，則該表達(dá)式可表示為：

至此，依據(jù)數(shù)值分析的計(jì)算方法，確定上述表達(dá)式中各個(gè)系數(shù)參數(shù)的具體數(shù)值，進(jìn)而得到與測(cè)量值匹配程度最好的光滑函數(shù)曲線，依據(jù)數(shù)據(jù)分布的非線性特征，本文選擇最常見的也是最通用的最小二乘法來計(jì)算得到相應(yīng)的系數(shù)參數(shù)，其具體的目標(biāo)泛函可確定為：

同時(shí)，從測(cè)量得到的數(shù)據(jù)中可以看出，閥門流量調(diào)節(jié)特性具有兩端突變的特點(diǎn)，即閥門從開啟到具有一定開度的這段時(shí)間內(nèi)，閥門流量的增加不是特別明顯，且在未達(dá)到閥門開度全開時(shí)，閥門流量基本已經(jīng)接近全峰最大值。

3 結(jié)語

閥門是管道系統(tǒng)組成里比較重要的部件之一，同時(shí)，閥門在管道系統(tǒng)的流量控制中也起著至關(guān)重要的作用，因此，研究分析閥門的流量特性具有十分重要的意義。本文分析了閥門固有的流量特性方程，并結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)固有流量特性方程進(jìn)行了修正，得到了閥門工作流量特性方程，由于閥門的流量特性方程是事實(shí)存在的，不能進(jìn)行人為修改，因此只能結(jié)合閥門流量特性方程，對(duì)管道系統(tǒng)曲線進(jìn)行相應(yīng)的修改，本文給出了修改管道系統(tǒng)曲線的優(yōu)化分析方法。

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