渣鎖斗液壓開關閥開關時間的分析研究

賀欣

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

液壓執行機構在工程機械領域有著廣泛的應用，如挖掘機的機械臂控制系統、冶金行業軋機壓下系統、輪船舵機系統等。傳統化工控制領域中，在某些苛刻工況下，采用的液壓執行機構具有體積小、推力大、響應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”管線上的開關閥，簡稱為渣鎖斗閥，采用的就是液壓執行機構。

1 渣鎖斗子系統

1.1 渣鎖斗子系統的功能與工作流程

“神寧爐”由中國五環工程有限公司與神華寧煤集團共同研發，是在西門子干煤粉氣化爐(GSP爐)基礎上，根據神華寧煤集團多年的運行經驗優化發展而來?！吧駥帬t”氣化工藝采用干煤粉氣化加水激冷的技術路線，干煤粉在氣化爐燃燒室內與O2和H2O發生反應，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(氣化爐)和常壓系統(撈渣機)之間起過渡作用?！霸i斗子系統”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) 集渣計時器到達設定值40 min時，XV-0201和XV-0202依次關閉。渣鎖斗開始泄壓，待渣鎖斗內壓力減至常壓時，XV-0203和XV-0204依次打開。渣鎖斗內的渣水排入撈渣機中，待渣鎖斗內渣水排盡后，XV-0203和XV-0204依次關閉。

2) 集渣計時器歸零，渣鎖斗開始通過高壓循環水管線進行沖壓，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，渣鎖斗閥關閉時起到隔離上下游高、低壓系統的作用，而開啟時則串聯了上下游等壓系統。XV-0218和XV-0219設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”簡化的工藝流程示意

1.2 渣鎖斗閥采用氣動執行機構的缺點

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

1) 由于氣動執行機構工作壓力范圍在400～600 kPa，根據力與壓強F=pS的關系，想要獲取較大推力，則必須增加執行機構上活塞的受力面積，勢必導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、調試、維護及下線維修。

2) 渣鎖斗進出口管線垂直于地面敷設，因而閥門只能安裝于垂直管線上，使閥桿處于水平位置。由于氣缸質量大，閥桿在杠桿原理的作用下向下彎曲，導致閥門填料上下受力不均勻，閥桿轉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，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，因而閥門響應慢。另外在儀表壓縮過程中氣缸內壓力不穩定，導致執行機構輸出的力矩不穩定，尤其在閥門即將開啟或者即將關閉的瞬間，閥門上下游的差壓變化巨大，不穩定的力矩易造成閥門運行的不穩定，造成管線震動。

4) 由于氣缸體積巨大，并且工藝要求開關時間在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閥，這就對儀表空氣系統的設計帶來挑戰，如果設計考慮不周，渣鎖斗閥動作時可能會發生“搶氣”現象，導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，可將工作介質的工作壓力調至遠大于儀表空氣管網壓力的水平，因而可大幅度減小執行機構活塞受力面積，執行機構的體積與質量也相應大幅減小。另外液壓油的不可壓縮性使得系統響應時間優于氣動執行機構，且輸出力矩能保持穩定。因此，渣鎖斗閥采用液壓執行機構能很好地克服氣動執行機構的缺陷。

該項目渣鎖斗閥的液壓系統采用“一拖六”的技術方案，即1套煤氣化的6臺液動渣鎖斗閥共用1臺油站，該液壓系統結構如圖2所示。

油站配2臺油泵，互為備用，對液壓油持續進行加壓，維持油站出口恒定的工作壓力。渣鎖斗閥的液壓執行機構采用雙油缸的形式，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正常運行若干次。

圖2 渣鎖斗閥液壓系統結構示意

2 開車階段渣鎖斗閥開關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的復雜性大幅增加，影響閥門工作性能的因素也相應增多，設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液壓系統施工完畢時已至寒冷的冬季，開車階段渣鎖斗閥的開關時間一直達不到工藝要求的10 s，一般在20～40 s內，夜間溫度極低時，閥門開關時間甚至超過1 min。本節將詳細闡述渣鎖斗液壓閥開關時間的計算方法，并分析開關時間不達標的原因。

2.1 渣鎖斗閥開關時間的計算方法

根據“渣鎖斗子系統”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，其液壓系統可簡化如圖3所示。

圖3 XV-0204對應液壓系統示意

計算渣鎖斗閥開關時間所需要的條件較多，涉及閥門自身的結構參數，液壓油的物理性質，液壓系統管路規格尺寸、敷設長度以及閥門與油站的高差等，如下所列:

1) 閥門計算書中相關數據。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；主管內徑d1=0.02 m；支管內徑d2=0.01 m；油站出油口壓力p1=12 MPa；工藝要求的閥門開關時間tR=10 s。

2) 液壓油物理性質及條件。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) 現場條件。油站與閥門的高差Z=15 m；主管敷設距離L1=5 m，支管敷設距離L2=25 m；重力加速度g=9.81 m/s2。

(1)

SH為油缸內活塞的受力面積，其計算如式(2)所示:

(2)

pH為油缸內的壓強，其計算如式(3)所示:

(3)

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

(4)

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

(5)

Re1，Re2分別為根據v1和v2計算出的主管和支管內液壓油的雷諾數，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，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時間的驗算值，v1′，VH和t′之間的關系如式(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開關時間進行循環迭代計算，計算過程中的重要數據見表1所列。

圖4 渣鎖斗閥開關時間循環迭代計算流程示意

迭代次數t/sv2/(m·s-1)v'2/(m·s-1)t'/s計算結果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

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

2.2 渣鎖斗閥開關時間不達標的原因分析

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

2) 油路主管、支管的敷設長度L1和L2對渣鎖斗閥開關時間的影響。安裝時，液壓系統廠家明確要求每個電磁閥組應布置在相應閥門的附近。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，從而導致L1變短，L2變長。下面通過改變L1和L2的值模擬廠家和業主對電磁閥組的安裝要求，并按2.1節的步驟分別計算兩種情況下XV-0204的開關時間，并比較差異。按廠家要求，令L1=42 m，L2=8 m，Z=15 m；按業主要求，令L1=5 m，L2=45 m，Z=15 m，計算過程數據詳見表2和表3所列。

表2 XV-0204開關時間在廠家要求條件下的計算過程數據

表3 XV-0204開關時間在業主要求條件下的計算過程數據

表2和表3的計算結果表明，業主將電磁閥組集中布置的方案引起了渣鎖斗閥開關時間的極大變化，因而L1短，L2長是渣鎖斗閥開關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時間會超過1 min。

2.3 解決方案

2.2節從理論上找到了渣鎖斗閥開關時間不達標的影響因素，根據這些影響因素采取相應的解決方案:

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,從流體力學的角度看，平滑的大彎頭產生的壓損小于直角彎頭所產生的壓損。

經過上述3步改造，最終將所有的渣鎖斗閥的開關時間均控制在10 s左右。

3 結束語

閥門出廠前的開關時間均能達到小于10 s的要求，是廠家在受限條件下得到的數據。若在現場模擬廠家的受限條件，令L1=5 m，L2=10 m，Z=2 m，按2.1節的計算方法，閥門開關時間為9.6 s。因此，在與廠家簽技術協議時，務必要求廠家按閥門的實際布置以及環境溫度的變化調整相關參數，并出具閥門開關時間計算書，以確保出廠的產品能在一個很寬的范圍內滿足開關時間的要求。