基于波紋管的汽輪給水泵調(diào)節(jié)控制

覃天云

（四川東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

0 引言

汽輪給水泵是一種以蒸汽輪機(jī)為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)給水泵，輸出一定水壓力與流量的給水裝置。汽輪給水泵調(diào)節(jié)控制主要是通過控制蒸汽輪機(jī)的汽閥開度，改變汽輪機(jī)的蒸汽進(jìn)入量，從而改變機(jī)組轉(zhuǎn)速，通過對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速的控制，獲得需要的水泵出口壓力與流量。

傳統(tǒng)的汽輪給水泵閉環(huán)控制系統(tǒng)需要由傳感器 （用于提供泵出口壓力的反饋）、偏差比較器（比較泵出口壓力目標(biāo)值與反饋值）、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器（驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)汽閥以消除偏差）構(gòu)成。這種用不同的設(shè)備完成反饋-比較-執(zhí)行功能的系統(tǒng)，往往顯得復(fù)雜，而且由于構(gòu)成系統(tǒng)的元器件增多，使得系統(tǒng)的滯環(huán)加大，且整體可靠性降低。

本文介紹的汽輪給水泵 （離心泵）壓力調(diào)節(jié)控制器，利用波紋管的隔離、彈性性質(zhì)來設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的傳感器、偏差比較器、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器融為一體；進(jìn)而構(gòu)成一種較傳統(tǒng)更為簡(jiǎn)單、可靠、高效的控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

由波紋管為主體構(gòu)成的汽輪給水泵壓力調(diào)節(jié)控制器簡(jiǎn)稱為壓力調(diào)節(jié)器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 壓力調(diào)節(jié)器及汽輪給水泵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

如圖1所示波紋管的前端焊于法蘭上，后端與閥芯桿的后凸臺(tái)焊接；法蘭、波紋管、閥芯桿構(gòu)成一個(gè)整體，稱為閥芯組件。通過焊接，閥芯組件內(nèi)的波紋管內(nèi)部被隔離出一個(gè)密閉的腔室，該腔室通過法蘭上的開孔可與前部的蒸汽相通；但波紋管外部的水壓力 （即水泵出口水壓）不能進(jìn)入該腔室。閥芯組件裝入殼體后，與后端端蓋一同構(gòu)成一個(gè)外部密封腔室，該腔室用于承載水泵出口水壓。閥芯組件前端裝汽閥閥芯，閥芯桿的移動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)汽閥閥芯運(yùn)動(dòng)；閥芯組件外部裝彈簧；閥芯組件后端裝活塞，用于壓縮彈簧；活塞后部設(shè)有調(diào)節(jié)螺母，用于調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓力。閥芯桿前部裝有限位環(huán)，與法蘭配合作用，用于限制閥芯桿的向后位移。

2 受力分析

閥芯組件為壓力調(diào)節(jié)器的核心部件，汽輪給水泵系統(tǒng)的控制、反饋均通過該部件實(shí)現(xiàn)，其受力分析見圖2。

圖2 閥芯組件受力分析圖

其中：F1：閥芯組件所受外部水壓力 （即給水泵出口水壓力） （d1：水壓力作用面積直徑）；

F2：閥芯組件所受內(nèi)部蒸汽壓力 （即汽機(jī)調(diào)節(jié)閥前汽壓） （d2：蒸汽力作用面積直徑）；

F3：波紋管彈性力；

F4：彈簧彈性力；

F5：汽機(jī)調(diào)節(jié)閥軸向作用力 （由于汽機(jī)調(diào)節(jié)閥采用滑閥結(jié)構(gòu)，蒸汽的軸向作用力與F1～F4比較極小，可忽略，故F5=0）；

當(dāng)閥芯組件受力平衡時(shí)，汽閥開度穩(wěn)定于某一位置上，此時(shí)：

其中：

P1－水泵出口水壓力； P2－蒸汽壓力； K2－彈簧剛度；L0－彈簧預(yù)壓縮量；K1－波紋管剛度；L1－波紋管壓縮量 （在機(jī)組未運(yùn)行時(shí)，波紋管處于自由狀態(tài)，即L1=0；機(jī)組運(yùn)行時(shí)，L1=機(jī)組運(yùn)行前汽閥開度－機(jī)組運(yùn)行時(shí)汽閥開度。 （6）

3 閉環(huán)控制原理

壓力調(diào)節(jié)器采用負(fù)反饋的方式，對(duì)汽輪給水泵 （離心泵）的泵出口水壓力自動(dòng)進(jìn)行閉環(huán)控制。

汽輪給水泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其蒸汽參數(shù) （流量、壓力、溫度）保持在額定值，汽機(jī)轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，給水泵出口水壓、流量也維持在額定值上。此時(shí)若關(guān)小泵出口閥門，減小水泵出口流量，泵出口水壓隨之升高，閥芯組件受力平衡被打破，閥芯組件將向前端移動(dòng)，直到式 （1）表示的受力平衡關(guān)系滿足；隨著閥芯組件向前移動(dòng)，汽閥的開度將減小，使得進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量減少，汽機(jī)轉(zhuǎn)速 （即水泵轉(zhuǎn)速）隨之降低；水泵轉(zhuǎn)速的降低，泵出口水壓也降低；汽輪泵自動(dòng)重新建立一個(gè)新的平衡，并保持穩(wěn)定，泵出口水壓回復(fù)穩(wěn)定。

4 計(jì)算與實(shí)例驗(yàn)證

以某機(jī)組使用的汽輪給水泵為例，計(jì)算壓力調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。

計(jì)算輸入條件：

汽機(jī)運(yùn)行參數(shù)：額定蒸汽壓力2.64 MPa；

水泵運(yùn)行參數(shù)：額定出口流量不小于20 t/h，額定出口壓力不小于3.43 MPa；

彈簧剛度：K2=38.3 N/mm；

波紋管：d1=48.6 mm，d2=47 mm；波紋管剛度見表1。

表1 波紋管剛度表

汽機(jī)運(yùn)行要求：機(jī)組運(yùn)行前汽閥開度：8.3 mm；額定工況運(yùn)行時(shí)汽閥開度：5.8～5.7 mm。

計(jì)算目的：求解出滿足機(jī)組額定工況運(yùn)行時(shí)的彈簧預(yù)壓量L0（即控制系統(tǒng)靜態(tài)工作點(diǎn)）。

根據(jù)式（6）得出額定工況運(yùn)行時(shí)波紋管壓縮量L1=2.5～2.6 mm，根據(jù)波紋管剛度表，按L1值選擇波紋管剛度K1=45 N/mm；當(dāng)選取彈簧預(yù)壓縮量L0=41 mm時(shí)，根據(jù)式（1～5）計(jì)算得出機(jī)組額定工況運(yùn)行時(shí)汽閥開度L1=2.55 mm。這表明通過調(diào)整調(diào)節(jié)螺母，將彈簧預(yù)壓縮41 mm左右時(shí)，可滿足機(jī)組運(yùn)行要求。

需要說明的是，由于波紋管本身的特性，其彈性剛度是非線性的，因此計(jì)算獲得的彈簧預(yù)壓縮量?jī)H是一個(gè)理論參考值，機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中必須重新調(diào)整彈簧預(yù)壓縮量來滿足工況要求。

以下是本例機(jī)組的試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù) （見表2）。

試驗(yàn)運(yùn)行條件：保持汽機(jī)進(jìn)汽壓力、溫度額定不變，水泵進(jìn)口壓力不變；通過改變水泵出口閥門開度，改變泵出口流量。

表2 汽輪給水泵試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)表

數(shù)據(jù)表明：泵的出口流量在額定值 （100%～75%）內(nèi)變化時(shí)，其出口壓力基本保持不變，壓力波動(dòng)小于1.5%。

5 結(jié)束語(yǔ)

波紋管具有隔離、彈性性質(zhì)，將其運(yùn)用于汽輪給水泵 （離心泵）出口壓力調(diào)節(jié)控制可有效地簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)整體可靠性，對(duì)汽輪給水泵機(jī)組整體結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化具有積極的作用。

[1]金以惠,主編.過程控制[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.

[2]成大先,主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第 3卷：第四版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[3]范存德,主編.液壓技術(shù)手冊(cè)[M].沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2004.

[4]全國(guó)船用機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)管系附件分技術(shù)委員會(huì).金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件GB/T 12777-2008[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.