渣鎖斗液壓開關(guān)閥開關(guān)時間的分析研究

賀欣

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

液壓執(zhí)行機構(gòu)在工程機械領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如挖掘機的機械臂控制系統(tǒng)、冶金行業(yè)軋機壓下系統(tǒng)、輪船舵機系統(tǒng)等。傳統(tǒng)化工控制領(lǐng)域中，在某些苛刻工況下，采用的液壓執(zhí)行機構(gòu)具有體積小、推力大、響應(yīng)快和抗偏離能力強等特點，如“神寧爐”氣化工藝中的“渣鎖斗子系統(tǒng)”管線上的開關(guān)閥，簡稱為渣鎖斗閥，采用的就是液壓執(zhí)行機構(gòu)。

1 渣鎖斗子系統(tǒng)

1.1 渣鎖斗子系統(tǒng)的功能與工作流程

“神寧爐”由中國五環(huán)工程有限公司與神華寧煤集團共同研發(fā)，是在西門子干煤粉氣化爐(GSP爐)基礎(chǔ)上，根據(jù)神華寧煤集團多年的運行經(jīng)驗優(yōu)化發(fā)展而來?！吧駥帬t”氣化工藝采用干煤粉氣化加水激冷的技術(shù)路線，干煤粉在氣化爐燃燒室內(nèi)與O2和H2O發(fā)生反應(yīng)，生成以H2和CO為主要成分的粗合成氣，粗合成氣攜帶煤渣進入氣化爐激冷室，經(jīng)過水浴冷卻和過濾后，從氣化爐排出并進入下游工序，而煤渣與水的混合廢料則留在了氣化爐的底部，每隔一段時間需要將這些渣料排出。排渣的過程中，渣鎖斗除了集渣，還在高壓系統(tǒng)(氣化爐)和常壓系統(tǒng)(撈渣機)之間起過渡作用?！霸i斗子系統(tǒng)”簡化的工藝流程如圖1所示，XV-0201，XV-0202，XV-0203,XV-0204，XV-0218，XV-0219為渣鎖斗閥。其工作流程分為如下幾個步驟:

1) 集渣計時器到達設(shè)定值40 min時，XV-0201和XV-0202依次關(guān)閉。渣鎖斗開始泄壓，待渣鎖斗內(nèi)壓力減至常壓時，XV-0203和XV-0204依次打開。渣鎖斗內(nèi)的渣水排入撈渣機中，待渣鎖斗內(nèi)渣水排盡后，XV-0203和XV-0204依次關(guān)閉。

2) 集渣計時器歸零，渣鎖斗開始通過高壓循環(huán)水管線進行沖壓，當渣鎖斗壓力與氣化爐壓力之差小于1.0 MPa時，XV-0201和XV-0202依次打開，被破渣機粉碎后的煤渣與水的混合廢料開始排入渣鎖斗中，集渣計時器開始計時。

3) 集渣計時器到達設(shè)定值40 min時，重回步驟 1)。

從上述流程中可以看出，渣鎖斗閥關(guān)閉時起到隔離上下游高、低壓系統(tǒng)的作用，而開啟時則串聯(lián)了上下游等壓系統(tǒng)。XV-0218和XV-0219設(shè)置在沖洗水罐與渣鎖斗之間的管線上，定時依次開啟沖洗渣鎖斗，防止渣鎖斗堵塞。

圖1 “渣鎖斗子系統(tǒng)”簡化的工藝流程示意

1.2 渣鎖斗閥采用氣動執(zhí)行機構(gòu)的缺點

渣鎖斗開關(guān)閥閥芯形式為球閥，口徑最小為DN350，最大為DN400，關(guān)閉差壓達5.2 MPa，因而閥門開關(guān)過程中所需要的力矩非常大。如果采用氣動執(zhí)行機構(gòu)有如下缺點:

1) 由于氣動執(zhí)行機構(gòu)工作壓力范圍在400～600 kPa，根據(jù)力與壓強F=pS的關(guān)系，想要獲取較大推力，則必須增加執(zhí)行機構(gòu)上活塞的受力面積，勢必導(dǎo)致氣缸體積巨大和笨重，給管道布置帶來麻煩，不利于閥門的安裝、調(diào)試、維護及下線維修。

2) 渣鎖斗進出口管線垂直于地面敷設(shè)，因而閥門只能安裝于垂直管線上，使閥桿處于水平位置。由于氣缸質(zhì)量大，閥桿在杠桿原理的作用下向下彎曲，導(dǎo)致閥門填料上下受力不均勻，閥桿轉(zhuǎn)動時對填料造成偏磨，影響了閥門的壽命。

3) 儀表空氣屬于可壓縮的介質(zhì)，活塞推力在達到能克服閥芯阻力矩之前，儀表空氣有一個壓縮過程，因而閥門響應(yīng)慢。另外在儀表壓縮過程中氣缸內(nèi)壓力不穩(wěn)定，導(dǎo)致執(zhí)行機構(gòu)輸出的力矩不穩(wěn)定，尤其在閥門即將開啟或者即將關(guān)閉的瞬間，閥門上下游的差壓變化巨大，不穩(wěn)定的力矩易造成閥門運行的不穩(wěn)定，造成管線震動。

4) 由于氣缸體積巨大，并且工藝要求開關(guān)時間在10 s左右，因而閥門動作時的瞬時耗氣量很大，另外渣鎖斗閥屬于高頻開關(guān)閥，這就對儀表空氣系統(tǒng)的設(shè)計帶來挑戰(zhàn)，如果設(shè)計考慮不周，渣鎖斗閥動作時可能會發(fā)生“搶氣”現(xiàn)象，導(dǎo)致周圍的氣動閥得不到足夠的儀表空氣量而工作不正常，形成安全隱患。

1.3 渣鎖斗閥液壓控制方案

對于液壓系統(tǒng)，可將工作介質(zhì)的工作壓力調(diào)至遠大于儀表空氣管網(wǎng)壓力的水平，因而可大幅度減小執(zhí)行機構(gòu)活塞受力面積，執(zhí)行機構(gòu)的體積與質(zhì)量也相應(yīng)大幅減小。另外液壓油的不可壓縮性使得系統(tǒng)響應(yīng)時間優(yōu)于氣動執(zhí)行機構(gòu)，且輸出力矩能保持穩(wěn)定。因此，渣鎖斗閥采用液壓執(zhí)行機構(gòu)能很好地克服氣動執(zhí)行機構(gòu)的缺陷。

該項目渣鎖斗閥的液壓系統(tǒng)采用“一拖六”的技術(shù)方案，即1套煤氣化的6臺液動渣鎖斗閥共用1臺油站，該液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

油站配2臺油泵，互為備用，對液壓油持續(xù)進行加壓，維持油站出口恒定的工作壓力。渣鎖斗閥的液壓執(zhí)行機構(gòu)采用雙油缸的形式，每臺閥門配1個電磁閥組，DCS通過遠程信號對電磁閥組進行控制，切換油路，達到開關(guān)閥門的目的。蓄能器為能量存儲單元，在油泵故障時，仍能保證渣鎖斗系統(tǒng)正常運行若干次。

圖2 渣鎖斗閥液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 開車階段渣鎖斗閥開關(guān)時間不達標的原因分析

渣鎖斗閥采用液壓控制方案使得整個系統(tǒng)的復(fù)雜性大幅增加，影響閥門工作性能的因素也相應(yīng)增多，設(shè)計及施工中的疏漏會引起各種各樣的問題。該項目中渣鎖斗閥門及其相應(yīng)液壓系統(tǒng)施工完畢時已至寒冷的冬季，開車階段渣鎖斗閥的開關(guān)時間一直達不到工藝要求的10 s，一般在20～40 s內(nèi)，夜間溫度極低時，閥門開關(guān)時間甚至超過1 min。本節(jié)將詳細闡述渣鎖斗液壓閥開關(guān)時間的計算方法，并分析開關(guān)時間不達標的原因。

2.1 渣鎖斗閥開關(guān)時間的計算方法

根據(jù)“渣鎖斗子系統(tǒng)”工作流程的描述，6臺閥門均不在同一時間動作，因而可以單獨對每臺閥門進行建模計算。本文僅以XV-0204為例，其液壓系統(tǒng)可簡化如圖3所示。

圖3 XV-0204對應(yīng)液壓系統(tǒng)示意

計算渣鎖斗閥開關(guān)時間所需要的條件較多，涉及閥門自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，液壓油的物理性質(zhì)，液壓系統(tǒng)管路規(guī)格尺寸、敷設(shè)長度以及閥門與油站的高差等，如下所列:

1) 閥門計算書中相關(guān)數(shù)據(jù)。閥桿所受的總力矩MΣ=19 042.19 N·m；活塞直徑DH=0.42 m；閥桿直徑dF=0.12 m；油缸容積VH=0.01 m3；主管內(nèi)徑d1=0.02 m；支管內(nèi)徑d2=0.01 m；油站出油口壓力p1=12 MPa；工藝要求的閥門開關(guān)時間tR=10 s。

2) 液壓油物理性質(zhì)及條件。20 ℃時，液壓油的密度ρ=850 kg/m3；液壓油的動力黏度μ=0.22 Pa·s，運動黏度ν=μ/ρ=2.59×10-4m2/s。

3) 現(xiàn)場條件。油站與閥門的高差Z=15 m；主管敷設(shè)距離L1=5 m，支管敷設(shè)距離L2=25 m；重力加速度g=9.81 m/s2。

(1)

SH為油缸內(nèi)活塞的受力面積，其計算如式(2)所示:

(2)

pH為油缸內(nèi)的壓強，其計算如式(3)所示:

(3)

t為每次循環(huán)迭代時設(shè)定的閥門開關(guān)時間；v1，v2分別為根據(jù)設(shè)定的t值計算出的主管和支管內(nèi)液壓油的流速，v2，VH，t之間的關(guān)系如式(4)所示:

(4)

由于d1=2d2，則S1=4S2，根據(jù)流體一致性原理：S1v1=S2·v2，則v1，v2之間的關(guān)系如式(5)所示:

(5)

Re1，Re2分別為根據(jù)v1和v2計算出的主管和支管內(nèi)液壓油的雷諾數(shù)，計算如式(6)所示:

(6)

f1，f2分別為液壓油與主管和支管管壁的摩擦系數(shù)，計算如式(7)所示:

(7)

(8)

hf為液壓油在管路中的總摩擦頭損失，即在主管和支管內(nèi)摩擦頭損失之和，計算如式(9)所示:

(9)

t′為渣鎖斗閥門的開關(guān)時間的驗算值，v1′，VH和t′之間的關(guān)系如式(10)所示:

(10)

以油站出口為參考點，對油站出口與XV-0204油缸進油口之間的液壓油列出不可壓縮流體的一般能量方程如式(11)所示:

(11)

將式(8)和式(9)代入式(11)中得:

(12)

將式(12)變形整理得:

(13)

按照圖4所示的流程對XV-0204開關(guān)時間進行循環(huán)迭代計算，計算過程中的重要數(shù)據(jù)見表1所列。

圖4 渣鎖斗閥開關(guān)時間循環(huán)迭代計算流程示意

迭代次數(shù)t/sv2/(m·s-1)v'2/(m·s-1)t'/s計算結(jié)果11012.78.315.4t'≠t不收斂2158.56.718.9t'≠t不收斂3206.45.821.7t'≠t不收斂4225.85.622.9t'≠t不收斂523.75.45.423.7t'=t收斂

在上述條件下經(jīng)過5次迭代，t=t′=23.7 s，計算過程最終收斂，即XV-0204開關(guān)時間為23.7 s，與開車階段數(shù)據(jù)吻合。閥門XV-0204離油站最近，如要計算其他位號閥門開關(guān)時間，則需更改計算條件中L2和Z的數(shù)值，計算結(jié)果也將大不相同。

2.2 渣鎖斗閥開關(guān)時間不達標的原因分析

根據(jù)2.1節(jié)中的敘述，渣鎖斗閥開關(guān)時間的大小取決于支管內(nèi)液壓油流速值，因而可以得出結(jié)論，影響支管內(nèi)液壓油流速的因素即為影響渣鎖斗閥開關(guān)時間大小的因素。根據(jù)式(4)～式(13)可知，這些因素包括ρ，ν，L1，L2。由于在環(huán)境最低溫與液壓系統(tǒng)操作溫度之間的ρ變化可忽略不計，因而影響閥門開關(guān)時間的因素只有ν，L1，L2。

2) 油路主管、支管的敷設(shè)長度L1和L2對渣鎖斗閥開關(guān)時間的影響。安裝時，液壓系統(tǒng)廠家明確要求每個電磁閥組應(yīng)布置在相應(yīng)閥門的附近。由于6臺渣鎖斗閥分布在不同的樓層，因此L1必然長，L2必然短。但是業(yè)主運行人員為方便管理，將所有電磁閥組集中布置在地勢最低油箱旁，從而導(dǎo)致L1變短，L2變長。下面通過改變L1和L2的值模擬廠家和業(yè)主對電磁閥組的安裝要求，并按2.1節(jié)的步驟分別計算兩種情況下XV-0204的開關(guān)時間，并比較差異。按廠家要求，令L1=42 m，L2=8 m，Z=15 m；按業(yè)主要求，令L1=5 m，L2=45 m，Z=15 m，計算過程數(shù)據(jù)詳見表2和表3所列。

表2 XV-0204開關(guān)時間在廠家要求條件下的計算過程數(shù)據(jù)

表3 XV-0204開關(guān)時間在業(yè)主要求條件下的計算過程數(shù)據(jù)

表2和表3的計算結(jié)果表明，業(yè)主將電磁閥組集中布置的方案引起了渣鎖斗閥開關(guān)時間的極大變化，因而L1短，L2長是渣鎖斗閥開關(guān)時間不達標的另一個重要原因。如果疊加第一個原因，就解釋了為什么在冬季夜間渣鎖斗閥的開關(guān)時間會超過1 min。

2.3 解決方案

2.2節(jié)從理論上找到了渣鎖斗閥開關(guān)時間不達標的影響因素，根據(jù)這些影響因素采取相應(yīng)的解決方案:

1) 油箱上增加電加熱器，冬季氣化爐開車時，先打開電加熱器，預(yù)熱液壓油，該措施消除了低溫對液壓油ν的影響。

2) 改造液壓油管路，按廠家要求將電磁閥組布置在相應(yīng)渣鎖斗閥的附近。

3) 將液壓油管路上的90°直角彎頭全部換成平滑過渡的大彎頭,從流體力學(xué)的角度看，平滑的大彎頭產(chǎn)生的壓損小于直角彎頭所產(chǎn)生的壓損。

經(jīng)過上述3步改造，最終將所有的渣鎖斗閥的開關(guān)時間均控制在10 s左右。

3 結(jié)束語

閥門出廠前的開關(guān)時間均能達到小于10 s的要求，是廠家在受限條件下得到的數(shù)據(jù)。若在現(xiàn)場模擬廠家的受限條件，令L1=5 m，L2=10 m，Z=2 m，按2.1節(jié)的計算方法，閥門開關(guān)時間為9.6 s。因此，在與廠家簽技術(shù)協(xié)議時，務(wù)必要求廠家按閥門的實際布置以及環(huán)境溫度的變化調(diào)整相關(guān)參數(shù)，并出具閥門開關(guān)時間計算書，以確保出廠的產(chǎn)品能在一個很寬的范圍內(nèi)滿足開關(guān)時間的要求。