電站鍋爐用先導式安全閥AMESim建模及仿真研究

佟得吉，梁奎，劉翔

(中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

0 引言

電站鍋爐是電廠用來發電的鍋爐，一般容量較大。常見的主力機組為600MW。目前較先進的是超臨界鍋爐，容量可達1000MW。電站鍋爐主要有煤粉爐和循環流化床鍋爐兩類[1]。安全閥是電站鍋爐中重要安全附件，主要用于鍋爐的超壓保護。目前安全閥種類主要有彈簧機械式安全閥和先導式安全閥[2]。彈簧機械式安全閥主要以安全閥彈簧的機械式壓縮來實現閥門的密封，系統壓力通過克服彈簧壓力來實現開啟并排放工質。先導式安全閥是一種非直接作用式安全閥，由主閥和導閥組成，依靠從導閥排出介質來驅動或控制主閥的啟閉，適用于高背壓、大口徑、大流量和安裝位置緊湊的場合。當系統壓力超壓時，先導式安全閥能夠及時開啟，泄放壓力從而保護鍋爐容器系統的安全和穩定[3]。

GB /T 28778—2012 對于先導式安全閥的起跳調壓力有嚴格的要求，然而實際試驗過程中發現，一些先導式安全閥開啟過程中壓力超調量大[4]。

鑒于此，以電站鍋爐用AF46Y-25先導式安全閥為例，在分析元件工作原理的基礎上，利用AMESim仿真軟件建立了仿真模型，仿真研究分析先導閥阻尼孔面積、主閥彈簧腔容腔體積、主閥彈簧剛度、先導閥彈簧剛度對閥壓力超調量等特性的影響，所得結論為先導式安全閥的結構設計及參數優化提供參考依據。同時，所建立的AF46Y-25先導式安全閥PCD模型為其他型號的安全閥模型建立提供了參考，具有一定的實用價值。

1 AF46Y-25先導式安全閥結構及工作原理

圖1所示為AF46Y-25型先導式安全閥結構原理圖。

圖1 AF46Y-25先導式安全閥結構圖

當系統正常工作時, 先導閥閥芯處于關閉狀態，系統壓力通過下導管、先導閥控制閥腔、上導管，進入主閥閥瓣頂部圓頂氣室的同時作用在先導閥控制活塞下端。

當系統壓力到達先導閥調定壓力時，系統壓力克服先導彈簧力通過頂桿推動導閥閥芯上移，導閥開啟的同時關閉導閥進氣通道，主閥上腔氣室壓力通過先導閥泄壓口泄壓，主閥閥芯在閥芯上下腔壓差的作用下上移，主閥閥瓣完全打開，通過主閥泄放降壓。

當系統壓力降低到回座壓力時，先導閥克服進口壓力作用在滑閥上的力使導閥復位，頂桿頂開滑閥，進口壓力氣體通過滑閥重新進入主閥上腔，主閥重新關閉。

2 建模及AMESim仿真分析

2.1 模型建立

根據AF46Y-25先導式安全閥結構及工作原理，利用AMESim仿真軟件[5]建立模型如圖2所示。

圖2 AF46Y-25先導式安全閥 AMESim仿真模型

2.2 參數設置

根據AF46Y-25先導式安全閥樣本結構參數，設定系統主要元件AMESim各模塊的參數如表1所示。其他參數保持默認值。

表1 參數設置

2.3 動態特性仿真分析

1)仿真驗證分析

設定恒壓源0～10 s時段為2MPa。仿真時間為10s，仿真步長為0.01s，進行仿真，得到先導式安全閥主閥進口壓力如圖3所示。

圖3 先導式安全閥進口壓力及局部放大曲線

由圖3(b)可知，0.15s時先導式安全閥主閥閥芯開啟，閥口開啟壓力峰值為1.525MPa，最終穩定壓力為1.491MPa，壓力超調量為0.03MPa，符合GB /T 28778—2012的要求[6]。

根據表1中先導閥彈簧預緊力為338N、主閥閥芯直徑為17mm，可計算得出減壓閥出口穩定壓力為1.489MPa，與仿真結果基本一致。證明了所建立模型的正確性和精確性。

2)先導閥阻尼孔通流面積對閥動態特性影響分析

利用AMESim批處理功能對先導閥阻尼孔通流面積進行研究分析，設定先導閥阻尼孔通流面積分別為0.5mm2、1.0mm2、1.5mm2、2.0mm2，仿真得到不同先導閥阻尼孔通流面積下主閥進口處壓力曲線如圖4所示(本刊黑白印刷，相關疑問請咨詢作者)。

圖4 不同先導閥阻尼孔通流面積先導式安全閥進口處壓力及局部放大曲線

從仿真結果可以發現：先導閥阻尼孔通流面積0.5mm2時其閥口開啟壓力峰值為1.525MPa，最終穩定壓力為1.491MPa，壓力超調量為0.034MPa；阻尼孔通流面積為1.0mm2時其閥口開啟壓力峰值為1.532MPa，最終穩定壓力為1.500MPa，壓力超調量為0.041MPa；阻尼孔通流面積為1.5mm2時其閥口開啟壓力峰值為1.538MPa，最終穩定壓力為1.507MPa，壓力超調量為0.047MPa；阻尼孔通流面積為2.0mm2時其閥口開啟壓力峰值為1.543MPa，最終穩定壓力為1.513 MPa，壓力超調量為0.052MPa。即隨著阻尼孔通流面積的增加，壓力超調量、穩定壓力值有增加的趨勢，主閥入口達到峰值壓力的響應時間基本不變，但達到穩定壓力的響應時間逐漸縮短。

3)主閥彈簧剛度對閥動態特性影響分析

利用AMESim批處理功能對主閥閥彈簧剛度進行研究分析，設定主閥彈簧剛度分別為1N/mm、6N/mm、11N/mm、16N/mm，仿真得到不同主閥彈簧剛度下主閥進口處壓力曲線如圖5所示。

圖5 不同主閥彈簧剛度下先導式安全閥進口處壓力及局部放大曲線

從仿真結果可以發現：主閥彈簧剛度為1N/mm時其閥口開啟壓力峰值為1.526MPa，最終穩定壓力為1.491MPa，壓力超調量為0.035MPa；主閥彈簧剛度為6N/mm時其閥口開啟壓力峰值為1.526MPa，最終穩定壓力為1.494MPa，壓力超調量為0.035MPa；主閥彈簧剛度為11N/mm時其閥口開啟壓力峰值為1.527MPa，最終穩定壓力為1.496 MPa，壓力超調量為0.036MPa；主閥彈簧剛度為16N/mm時其閥口開啟壓力峰值為1.528MPa，最終穩定壓力為1.498MPa，壓力超調量為0.037MPa。即隨著主閥彈簧剛度越大，最終穩定壓力值、壓力超調量有增加的趨勢，但增加幅度小，主閥入口達到峰值壓力的響應時間基本不變，但達到穩定壓力的響應時間逐漸縮短。

4)先導閥彈簧剛度對閥動態特性影響分析

利用AMESim批處理功能對先導閥彈簧剛度進行研究分析，設定先導閥彈簧剛度分別為10N/mm、20N/mm、30N/mm、40N/mm、50N/mm，仿真得到不同先導閥彈簧剛度下主閥進口處壓力曲線如圖6所示。

圖6 不同先導閥彈簧剛度下先導式安全閥進口處壓力及局部曲線

從仿真結果可以發現：先導閥彈簧剛度為10N/mm時其閥口開啟壓力峰值為1.497MPa，最終穩定壓力為1.479MPa，壓力超調量為0.006MPa；先導閥彈簧剛度為20N/mm時其閥口開啟壓力峰值為1.498MPa，最終穩定壓力為1.482MPa，壓力超調量為0.007MPa；先導閥彈簧剛度為30N/mm時其閥口開啟壓力峰值為1.499MPa，最終穩定壓力為1.485 MPa，壓力超調量為0.008MPa；先導閥彈簧剛度為40N/mm時其閥口開啟壓力峰值為1.510MPa，最終穩定壓力為1.489MPa，壓力超調量為0.009MPa；先導閥彈簧剛度為50N/mm時，其閥口開啟壓力峰值為1.525MPa，最終穩定壓力為1.491MPa，壓力超調量為0.034MPa。即隨著先導閥彈簧剛度增大，最終穩定壓力值、壓力超調量有增加的趨勢，但增加幅度小，主閥入口達到峰值壓力的響應時間基本不變，但達到穩定壓力的響應時間逐漸縮短。

5)主閥彈簧容腔體積對閥動態特性影響分析

利用AMESim批處理功能對主閥彈簧容腔體積進行研究分析，設定主閥入口容腔體積分別為0.0005L、0.0010L、0.0015L、0.0020L、0.002 5 L，仿真得到不同閥彈簧容腔體積下主閥進口處壓力曲線如圖7所示。

圖7 不同主閥彈簧容腔體積下先導式安全閥進口處壓力及局部放大曲線

從仿真結果可以發現：隨著主閥彈簧容腔體積的增加，最終穩定壓力值、壓力超調量基本保持不變，分別為1.491MPa和0.03MPa，但主閥入口達到峰值及穩定壓力的響應時間延長，主閥彈簧容腔體積由0.0005L增加到0.0025L時，響應時間由0.16s延長至0.22s。

3 結語

以電站鍋爐用AF46Y-25先導式安全閥為例，利用AMESim仿真軟件建立了仿真模型并進行仿真研究。研究結果表明：阻尼孔通流面積、先導閥及主閥彈簧剛度對閥的壓力超調量、穩定壓力及達到穩定壓力的響應時間影響較大，而對主閥入口達到峰值壓力的響應時間影響較小；主閥彈簧容腔體積對主閥入口達到峰值及穩定壓力的響應時間影響較大，對壓力超調量、穩定壓力影響較小。