基于約束理論的火力發電廠閥門優化設計

馮瓏

（浙江浙能蘭溪發電有限責任公司，浙江金華 321100）

0 引言

火力發電作為國民經濟中電力能源的主要來源之一，其通過可燃物在燃燒過程中產生的熱量，由熱能-機械-電能進行高效率轉換，最終轉換成電能的形式。一般來說，火力發動過程中，產生的大量蒸氣通過管道進行輸送，在管道系統中，閥門充當了重要的機械開關附件。閥門能夠用來開閉管路、控制流向、調節和控制輸送介質的參數（溫度、壓力和流量）的管路附件，所以在各種管道中的應用廣泛，根據截止、調節、導流、防止逆流、穩壓、分流或溢流泄壓等不同控制功能，閥門可分為關斷閥、止回閥、調節閥等。

閥門是影響整個發電系統正常運行的關鍵，蔣敏[1]利用凸輪機構原理設計了一種閥門無摩擦啟閉的新型管線球閥，利用閥桿強制機械力來建立可靠的密封。陳永剛等[2]針對大口徑楔式閘閥結構，優化其材料、拓撲結構、零部件幾何參數尺寸及裝配關系。王敏等[3]則針對直線運動閥門的啟閉、調節的直行程閥門執行器支架存在的問題進行分析，通過有限元軟件對其質量、應力分布、疲勞壽命及安全系數進行優化設計。而相對整個閥門來說，閥門控制器屬于整個調節閥進行高精度控制的核心部件。隨著計算機技術、智能控制算法的發展和應用，越來越多成熟的控制方法和策略應用于智能閥門組件上，且調節閥門定位器也采用了電力驅動。李俊等[4]針對電動調節閥門定位器進行優化，提出一種基于模糊PID控制方法。張敏等[5]針對閥門控制器進行優化，力圖解決天然氣緊急截斷閥開啟時出現噪聲、振動等問題，采用一種天然氣緊急截斷閥控制器來實現平穩開啟。薛麗等[6]則針對結構復雜塑件——渦旋壓縮機氣閥自動化注射成型模具進行優化，對多次脫模復合機構整體結構尺寸的油缸齒條驅動機構進行改進。黃志慧等[7]針對焊接球閥閥座密封比壓等進行優化，用于解決在使用過程中出現的故障問題。Lebedev等[8]針對旋轉式閉鎖閥在使用過程中出現的空化氣泡問題建立數學模型，設計了氣蝕氣泡數隨尺寸的微分分布函數，用于閥門設計過程中優化。Carrel等[9]則針對機械心臟瓣膜中瓣膜閥門在反向而非正向流中的及時快速關閉進行優化分析。Muhssen等[10]利用ANSYS FLUENT 14.5軟件對CNG柴油雙燃料發動機的壓縮天然氣（CNG）空氣混合器控制閥軸表面進行設計改進，力圖優化空氣燃料比（AFR）和CNG-空氣混合均勻性（CAMH）。

由于火力發電廠中一些閥門常處于潮濕、高溫、酸性等工作環境中，例如明桿式的手動閥。明桿式的手動閥的閥桿長期暴露在外界環境中，容易生銹腐蝕導致卡關不靈活，以致最終影響閥門的閉合嚴密性。若直接采用套管套接，將造成兩個新的問題：1）不易觀察閥門開度位置；在閥門維護過程中，因為生銹問題，當閥桿處于一定的關閉預緊力矩后，往往閥門并沒有關嚴。2）套管可以套設在閥桿上，在閥門完全關閉時，位于閥門的手輪外側的閥桿將縮短導致套管容易從閥桿上脫落。

1 基于約束理論的優化設計

約束理論（Theory of Constraints，TOC）由Eliyahu M.Goldratt于20世紀80年代首次提出。約束理論是識別并消除在實現目標過程中存在的制約因素來達到優化的理論。約束理論將待優化系統中最薄弱的環節作為其約束條件，并且不斷迭代解決關鍵問題，從而實現系統的逐次優化，進而達到最終的最優化求解。優化設計過程產生多種影響的約束環和約束要素，其中約束環由多種不同的約束要素構成。

優化設計是一個技術、資源、知識等要素不斷進行迭代的過程，從時間維度上看，設計過程是一系列串行與并行的設計活動構成的網絡體系。當前置設計任務完成后，后續設計任務才能進行，其設計任務之間都存在相互約束的關系。從設計任務節點角度，設計活動的開展受到非技術方面的影響相當大，例如設備停產后的等待時間等。

產品的改進和優化設計方案通常要考慮所在設備和系統中的制約因素，特別是針對已有產品類型上的優化改進，需要考慮目前通用設備的操作規程和習慣，以及裝配要求、安全生產等。

在火力電廠設備實際維護過程中，閥門的安裝和使用都有具體的要求，且需要按照一定的時間周期進行巡檢和管理，完全更換不同類型的閥門往往也會引起不必要的誤操作。針對已有閥門組裝位置，分析所在位置的閥門作用過程和原理、裝配空間及維護要求，并形成對應的約束條件。對設備存在的約束條件進行定義和規范后，再針對改進技術需求問題進行定義，從而進行零部件技術方案優化設計。

2 約束理論模型與優化求解

根據火電廠閥門存在的優化設計需求，需求包括技術和非技術問題。其中技術問題包括機構總體結構、部件、零部件、相互裝配關系，以及可更換的材料類型等，可替換的不同材料組成的零部件類型。而非技術問題包括火力電廠環境溫度、環境濕度、安全規范等內容。

基于約束理論處理火電常中閥門組件中造成一系列技術問題，通常通過5個常用的邏輯樹和邏輯規則，通過一個邏輯化的結構能夠使得問題解決者在復雜結構系統中快速找到需要改進的部件。采用設計沖突解決圖表（如圖1）定義沖突。

圖1 設計沖突解決圖表

技術需求是結構優化改進設計目標的必要條件，一個優化目標需要完成多個需求子目標，而一個需求子目標往往也會涉及多個先決條件。約束沖突通常分為以下6個步驟：

步驟S1：通過搜集技術問題相關資料和信息，檢索相似專利內容，對技術問題進行初步的分析；

步驟S2：構造現有產品（設備或裝置）的實現樹，將需要解決的待優化（缺陷或問題）作為頂端事件，分析整個產品結構中產生缺陷或問題的所有可能因素，從而能夠建立當前實現樹（如圖2），并且對各層級的原因事件進行分析；

圖2 當前實現樹

步驟S3：構造沖突解決圖表，由必要邏輯確定需求和先決條件，最后明確各類假設關系，并確定解決問題的可能方向和優化的方向；

步驟S4：采用系統化創新方式重構問題，列出所有變量，描述問題的不利結果等，進行問題的重構；

步驟S5：選擇對應的方法策略和激勵工具；

步驟S6：多個方案解的綜合評估。

基于約束理論針對待優化的結果進行分層式系統優化，需要通過重構問題、策略選擇、思維激勵等過程進行系統化的優化設計。由當前實現樹構成的邊界條件，將優化的解限制在原有的技術概念系統中。利用約束理論的邏輯步驟來尋找具體解的分布，再采用系統化思維方法結構化整個技術問題，使得整個優化設計的解處在整個邊界范圍內，并且能夠進行系統的遍歷。

借助約束理論的同時，引入了系統優化思維，即將一個優化的問題等同于針對一個系統進行優化的過程。單純依賴部分零部件的優化不能解決整個產品系統優化的問題。產品系統不僅僅包括產品結構本身，還包括產品使用過程中各類邊界條件數據。針對產品本身的優化也變成了針對產品系統的優化改進設計。

3 閥門保護套結構優化

在閥門實際維護中，明桿式手動閥作為火力發電廠中常用的閥門類型之一，明桿式手動閥又稱為明桿式閘閥，明桿式閘閥具有較長的閥桿，通過閥蓋上的安裝孔插入閥內，閥蓋和閥桿之間具有填料密封，且提供一定預緊力。在明桿式手動閥使用過程中，通過閥桿進行閥的關閉和開啟操作，所需要的力矩較大且在閥蓋和閥桿之間形成接觸磨損和損壞。

明桿式閘閥本身結構不復雜，將具體的閥門結構進行分解，形成總-分式的零部件關系圖，確定每一個零部件的具體功用，將各個零部件進行分類，再進行結構-功能-效用分析后。在約束理論確定的約束邊界條件框架下，確定技術方案中刪減、修改、新增零部件的原則，對決定閥門主功能的零部件進行組合，尋找相同功能不同零部件組合的可能性方案，得到多個不同的可能性方案。針對具有主功能的零部件進行再設計。

對閥門主功能零部件進行粗略構形，本技術方案中由于明桿式手動閥屬于通用零部件，且在火力電廠中并不需要進行再設計，保留了原有的手輪、螺桿等零部件。針對次要的、輔助功能的零部件進行相同流程和要求的篩選，篩選后的零部件通過新增、修改、刪除零件用于得到本技術方案的最優設計方案。

明桿式手動閥中的閥桿長期暴露在外部環境中，由于火力發電廠長期高溫、潮濕，甚至是酸性的工作環境，接觸磨損的位置往往因為失去保護層而更易于產生各類銹蝕，從而阻礙閥桿進行正常的作業行程。很容易生銹作為待優化的頂端事件。建立基于約束理論模型和系統思維，對明桿式手動閥結構進行分解，并分析整個產品結構中產生缺陷或問題的所有可能因素。

基于約束理論構造沖突解決圖表與必要邏輯確定需求和先決條件，明確各類假設關系，并確定了保護套作為解決問題的可能方向和優化方向。確定備選多個方案的閥桿保護套。多個方案的閥桿保護套經過專家打分評審，得到最優的技術方案。在不改變原有明桿式閘閥本身結構、操作空間、零部件裝配關系的前提下，增加閥桿保護管，裝配關系也未進行修改，能夠快速地解決現有技術中閥門處于潮濕、高溫、酸性等工作環境容易生銹等問題。且規避了單純添加閥桿保護管帶來的兩個新問題（不易觀察閥門開度位置、閥桿將縮短導致套管容易從閥桿上脫落）。

其中，通過評估后的最優技術方案（如圖3）采用設置專門的閥桿保護管，內部中空且一端設有開口，另一端設有封閉結構；保護管部分或全部由透明材料制作而成。在保護管具有開口的一端加設短管，短管的周向側壁上設置有觀察窗口，透過所述觀察窗口能夠觀察短管的內部；短管由金屬材料制作而成；采用鎖緊螺母將短管保護管連接。

圖3 明桿式手動閥結構

4 結論

分析火力發電廠中易于出現問題的閥門類型和閥門故障原因，通過建立約束理論模型，通過優化的6個步驟，將明桿式手動閥作為具體的研究對象，分析其工作環境與工況。明桿式手動閥在敞開式的工作環境中，易產生銹蝕問題，從而導致操作不到位，進而導致閥門關閉不嚴等一系列問題。針對該一系列問題，運用基于約束理論的機械設計方法和模型，將問題需求分解成多個需求子目標，再通過約束沖突的步驟進行逐層優化設計，進而完成整個問題的求解。

基于約束理論和系統優化思維針對已有產品結構進行優化設計，從設計過程中的技術問題和非技術問題出發，將問題進行分層分解，再逐層往下（Up-down）找到產生缺陷的主要原因，然后開始逐層往上（Down-up）一步步地完成整個產品系統的優化過程。明桿式手動閥作為火力發電廠常見的閥門類型，結構簡單，但產生的技術問題較多。本技術方案從簡單的零部件分析開始進行優化，從而實現整個系統的優化，未來可以應用約束理論模型，進一步針對復雜的零部件系統進行優化。