基于模糊PID控制的锅炉减温减压系统的研究毕业论文.doc

I 基于模糊基于模糊 PID 控制的锅炉减控制的锅炉减 温减压系统的研究毕业论文温减压系统的研究毕业论文 目 录 1 绪论 1 1 1 课题的背景与意义 1 1 1 1 课题背景 1 1 1 2 课题的意义 1 1 2 减温减压系统的历史发展及现存问题 2 1 2 1 国内外研究的现状 2 1 2 2 智能控制算法在锅炉减温减压系统中的应用现状 3 1 2 3 锅炉减温减压系统存在的问题 6 1 3 本文的研究内容及开展工作 6 2 减温减压系统的工作原理及结构设计 7 2 1 引言 7 2 2 减温减压系统的工作原理 7 2 3 减温减压系统的组成部分 8 2 3 1 减温减压阀 8 2 3 2 给水调节阀 9 2 3 3 安全阀 12 2 3 4 传感器 13 2 4 减温减压阀关键参数与冷凝水及其流量的研究与计算 14 II 2 4 1 冷凝水的水质要求 15 2 4 2 冷凝水额定流量的计算 15 2 4 3 减温减压阀流通能力 Cv 16 2 4 4 二次蒸汽在管道中的额流速计算 17 2 4 5 减温减压阀节流降压级数的确定 18 2 4 6 节流套筒开孔面积计算 18 2 4 7 减温减压阀阀芯开孔面积计算 19 2 4 8 节流小孔的排布方式 20 2 4 9 降噪量的计算 21 2 5 新型文丘里式喷水减温器的入口线形设计 22 2 5 1 喷水器工作原理 22 2 5 2 影响吸收长度的因素 23 2 5 3 容纳蒸汽流量范围 23 2 5 4 容纳蒸汽的流量范围 23 2 6 给水调节阀的参数计算 24 2 6 1 给水调节阀的流通能力 Cv 的计算 24 2 6 2 冷凝水在管道中的流速 25 2 7 本章小结 25 3 利用有限元分析减温减压阀的节流套筒 27 3 1 ANSYS 有限元分析软件以及解题过程 27 3 1 1 有限元软件简介 27 3 1 2 有限元分析方法的解题过程 27 3 2 模态分析理论与意义 27 3 2 1 模态分析理论简介 28 3 2 2 模态分析的意义 28 3 3 建立节流套筒动力方程 28 3 4 节流套筒的模态分析 30 3 4 1 有限元模型的建立 30 3 4 2 材料属性及实常数 31 III 3 4 3 网格划分 31 3 4 4 加载与求解 32 3 4 5 计算结果 33 3 4 6 结果分析 33 4 二次蒸汽温度控制理论研究 35 4 1PID 控制 35 4 1 1PID 控制原理 35 4 1 2PID 控制器参数的整定 36 4 2 模糊控制理论 37 4 2 1 模糊控制的基本原理 38 4 2 2 模糊规则库 39 4 3 模糊 PID 控制器的设计 39 4 3 1 确定模糊 PID 控制器的结构 40 4 3 2 精确量的模糊化处理 40 4 3 3 建立模糊 PID 控制器的控制规则 43 4 3 4 确定模糊变量的隶属度函数 45 5 二次蒸汽温度控制系统的仿真研究 48 5 1 系统仿真与仿真软件简介 48 5 1 1 系统仿真的概念 48 5 2 二次蒸汽温度控制系统特性研究及模型时变 48 5 2 1 建立二次蒸汽温度控制系统模型 48 5 2 2 二次蒸汽温度控制系统模型的辨识 50 5 3 基于常规 PID 控制的仿真研究 51 5 4 基于模糊 PID 控制的仿真研究 52 5 5 常规 PID 控制与模糊 PID 控制在外部扰动下的仿真分析 53 结 论 56 致 谢 57 参考文献 58 附 录 60 IV 附录 A 60 附录 B 63 1 1 绪论 1 1 课题的背景与意义 1 1 1 课题背景 蒸汽是现在工业最重要的二次能源 在许多工业领域中有着重要地位 蒸汽输送 采用高压过热输送 低压饱和使用 过热的高压蒸汽无法直接利用 在使用端需要将 高压过热蒸汽进行减温减压处理 与饱和蒸汽相比过热蒸汽所含的热量很小 低压饱 和蒸汽的热焓值相对较高 例如 0 5Mpa 159 的蒸汽含有的气化热值 2088KJ Kg 高 压输送蒸汽比较经济使用 而低压蒸汽的热值更高 因此需要减温减压系统对过热蒸 汽进行处理 目前 该系统在能源动力 冶金 供热 印染纺织 石油化工等行业都 有广泛的应用 因为减温减压系统处理的是高压过热蒸汽 从而导致减温减压阀处产生很强的振 动与噪声 会产生如下的危害 对减温减压阀的冲蚀加重 大大降低阀的使用寿命 降低生产效率 如果高压过热蒸汽产生的频率与减温减压阀的固有频率相近则会发生 共振现象 对阀造成严重损坏 长期工作在噪声环境下的工作人员会损伤内耳的听觉 组织 造成耳聋 在噪声条件下工作会导致工作人员的工作效率下降 出错率增高 因此对系统进行噪声与振动的测试有重要的意义 PID 控制是温度控制系统中最常用的控制方法 但它有诸多不足之处 如针对具 有时变 非线性 大滞后等特点的系统无法满足系统的动态与静态性能的要求 为此 我们在常规 PID 控制的基础上 采用模糊推理的方法实现 PID 参数的在线自整定 不 仅具备了传统 PID 控制系统原理简单 鲁棒性强 使用方便的优点 而且在灵活性 适应性 控制性能方面也有了很大的提高 该控制方法的研制成功 不仅会增加系统 的可靠性 而且也会大大提高经济效益 1 1 2 课题的意义 随着现代社会的不断发展与进步 对煤炭 石油 天然气等不可再生能源的 需求增加 人们已经意识到可再生能源的重要性 在研发新能源的同时如何有效的节 约能源成为了各国科学界共同关注的问题 蒸汽输送同高压输电的原理相似 蒸汽在 2 高压过热状态下的输送能量损耗最小 到达使用端后根据客户的不同需要 将过热的 高温高压蒸汽通过减温减压系统进行处理成为可使用的二次蒸汽 提高了能量的使用 效率达到节能的目的 因此该课题的研究具有重要的现实意义 1 2 减温减压系统的历史发展及现存问题 1 2 1 国内外研究的现状 二十世纪四十年代 德国宝马特种阀门有限责任公司首次研发成功了减温减压系 统 并且在火力发电 核电厂 化学设备工业中得到了广发这个系统给各个企业带来 的效益却是非常可观的 紧接着各国的科学家相继投入了对减温减的应用 尽管当初 由于技术问题导致设备机构笨重 占地面积大 工作效率也相对较低 但是压系统的 研究中 德国罗伯特公司是欧洲阀门大型的制造商与供应商之一 产品主要用于供应工厂 与民用阀门 在全球范围内拥有加拿大 中国 泰国 新加坡 澳大利亚等多家大型 企业 罗伯特公司引进了世界最先进的减温减压阀的生产线 并且才采用了世界顶尖 的技术来提高产品的质量 因为罗伯特公司注重产品的质量与技术创新 罗伯特公司 已经逐步被国际市场公认 英国的斯派莎克公司在全球范围内有效的应用和控制蒸汽及其他多种工业流体 至今已经有进百年的历史 其生产的蒸汽减温减压装置品种齐全 能够满足各种工况 需要 美国的 CCI 公司同样是一家生产设计用于严峻工况环境下调节阀的跨国性工程公 司 由于 CCI 的实力雄厚 专业人才集中 因此在减温减压阀的设计制造领域中占有 重要地位 CCI 公司为核工业 石化天然气等工业领域提供了多种减温减压装置 我国对减温减压装置的开发与研制与西方国家相比相对较晚 但是经过科研人员 的不懈努力同样取得了令人瞩目的成就 国内一些高校和科研人员都为此做出了大量 的工作 1998 年上海交通大学的娄刚 王孟浩等人针对国内文氏管喷水减温减压计算 对 文氏管的候口过渡形式 沿环形通道的静压分布计算方法 环形通道的尾部存在漏流 区 内衬混合管存在涡流区等问题进行了讨论 同年 9 月娄刚 臧明川从业体破碎的 基本原理出发 提出了减温水喷入蒸汽流后初始液滴的形成 二次破碎后及企划的物 理模型 并且在此基础之上引入适当的假设对蒸汽与减温水的相互作用及其流动过程 3 做了数值上的模拟 从而得到了气化值得定量描述 1998 年哈尔滨汽轮机有限责任公司的王颖 罗永平等人参照美国电力研究所的 高能流体排入表面式凝气的推荐准则 结合 200MW 汽轮机低压减温减压器多年 的设计经验 开发研制了新型的低温减温减压器 此新型减温减压器经过长期的考验 证明其结构合理运行安全 2001 年哈电集团的电站阀门有限公司结合我国原来建文减压装置和最近几年发展 的典型结构形式 对其结构的布置 运行的效率 设备的安全问题 再设计理论上进 行了探讨研究和分析 论证了新型减温减压装置的合理性与安全性和可靠性 2003 年内蒙古大学与哈尔滨工程大学联合根据减温减压装置的动态特性 建立了 由蒸汽容积环节和阻力环节所串联构成的减温减压装置的模型 经过一定的动力学假 设 采用总参数的方法建立了减温减压装置的数学模型 2004 年国防科技大学的沈斌通过仿真技术从时域和频域上分析过热蒸汽的粘性系 数 出口容积登机箱参数单独变化时对减温减压装置的稳定性的影响 通过提出增加 出口管路容积可以使减温减压系统达到动态稳定的结论 利用计算机仿真技术进行参 数优化 得出了相关参数的优化结果 对今后开展减温加压系统的研究进行了深入的 探讨 2005 年哈尔滨工程大学根据喷水减温器的工作原理 结合减温器的几种典型结构 形式 设计了一种新型喷水减温器 该减温器的壁面由蒸汽出流孔并且加装了密封挡 板 可以起到保护汽轮机叶片的作用 同时达到了理性的降温效果 通过设计理论的 研究分析以及实际过程中的操作使用 证明了新型减温装置的合理性 浙江良宇减温减压设备有限公司从事减温减压设备的设计 制造二十多年 技术 力量雄厚 引进世界先进技术创造出新一代的减温减压系统 完全替代了国外的今后 产品 主要设计开发减温减压设备有分体式减温减压装置 变频减温减压装置 一体 式减温减压装置 文丘里式减温减压装置和套筒式减温减压装置等多种系列 1 2 2 智能控制算法在锅炉减温减压系统中的应用现状 锅炉是电力发展 工况业生产中最重要的热力设备之一 随着改革开放后中国经 济的飞速发展 锅炉工业得到了迅猛的发展 我国现在有十万多的锅炉在运行 每年 还有十万套的新造锅炉投入运行 锅炉的减温减压系统的控制理论经历了以下几个发 展历程 4 1 PID 控制 这个理论的关键是做出正确的测量和比较后 能够更好地纠正系统 PID 比例 proportion 积分 integration 微分 differentiation 控制器作为最早实用化 的控制器已有近百年历史 现在仍然被广泛应用为广泛的 PID 控制器简单易懂 操 作简单 在使用过程中往往不需要精确的系统模型等先决条件 因而成为应用最控制 器 PID 控制器由三个单元组成即比例单元 P 积分单元 I 与微分单元 D 组 成 它的输入 e t 与输出 u t 的关系为 u t kp e t 1 TI e t dt TD de t dt 式中积分的上下限分别是 0 和 t 因此它的传递函数为 G s kp 1 1 TI s TD s s E U 其中 kp 比例系数 TI 积分时间常数 TD 微分时间常数 PID 调节器的不足之处是现场 PID 参数整定比较繁琐 对被控对象的数学模型要 求比较精确 外界干扰和参数变化都会引起控制皮奥利最佳状态 2 神经网络控制 神经网络控制是 20 世纪 80 年代后期才展起来的 在自动控制领域处于前沿地位 在智能控制领域中是一个新的分支 未解决复杂的 不稳定 不确知 系统的控制问 题开辟了新途径 神经网络控制是神经网络理论与控制理论相结合的产物 是发展中的学科 它涵 盖了数学 生物学 神经生理学 遗传学 人工智能 计算机科学 自动控制等理论 技术 方法及研究成果 在控制领域 人们通常将具有学习能力的控制系统叫做控制系统 属于智能控制 系统 神经控制是有学习能力的 属于学习控制 它是智能控制的一个分支 3 模糊控制 模糊控制主要依靠人的直觉 采用模糊数的思想与理论 在以往的控制领域当中 控制系统的精确与否将直接影响控制系统的优劣 系统的动态信息如果越详细那么控 制越精确 但是 对于复杂的系统 因为变量太多 通常情况下难以正确的描述系统的动态 于是工程师利用各种方法来简化系统动态模型 达成控制的目的 但结果往往不令人 5 满意 换句话说 传统的控制理论 明确系统具有控制能力强 但过于复杂或难以准 确描述系统 它显得无能为力 所以他们试图控制模糊数学来处理这些问题 模糊 是一切事物的感知 获取知识 思维 推理 决策的重要功能的实现 模 糊 比 明确的 有更大的信息容量 意义更丰富 更与客观世界线 但是也存在一下几 种缺点 模糊控制的设计尚缺乏系统性 这是复杂系统的控制是无效的 很难建立一个 模糊控制的理论体系 以解决模糊控制 机构的稳定性分析 系统设计的方法 和其 他的问题 如何获得模糊规则及隶属函数也就是对系统的设计办法没有具体的科学方法完 全凭经验进行 该系统的信息简单的模糊控制的精度将导致低质量的动态变化 为了提高精度 的量化水平必然增加 导致扩大搜索范围的规则 减少决策的速度 甚至实时控制 如何保证模糊控制系统的稳定性和鲁棒性问题还有待解决 4 模糊控制与神经网络结合 利用神经网络独有的学习能力来修正偏差和偏差变化率的比例系数 从而达到优 化模糊控制器的效果 从而进一步改进实时控制的效果 两者的有机结合适用于温度 控制过程中 具有动态响应快 能够实现高精度的快速控制 具有很强的适应性与鲁 棒性 三层向前模糊 BP 网络 可选的温度采样误差值 和变化的积分误差值作为神经 网络的输入 隐含义模糊控制理论给出确定的神经元的数目 高斯函数作为一个节点 的激活功能忽视了从输出神经元的中心 5 遗传算法 遗传算法 Genetic Algorithm 是一类借鉴生物界的进化规律 适者生存 优胜劣 汰遗传机制 演化而来的随机化搜索方法 它是由美国的 J Holland 教授 1975 年首先 提出 其主要特点是直接对结构对象进行操作 不存在求导和函数连续性的限定 具 有内在的隐并行性和更好的全局寻优能力 采用概率化的寻优方法 能自动获取和指 导优化的搜索空间 自适应地调整搜索方向 不需要确定的规则 遗传算法的这些性 质 已被人们广泛地应用于组合优化 机器学习 信号处理 自适应控制和人工生命 等领域 它是现代有关智能计算中的关键技术 6 模糊控制 神经网络 遗传算法三者结合 6 将模糊控制 神经网络 遗传算法三种控制系统结合起来能够有效的将三种控制 系统的优点结合起来 有神经元网络模型预估器辨识系统模型 并未控制器提供参考 输入 有最优控制器对数据进行处理决策选定出最优的控制量 达到温度最佳控制目 的 该系统能够使温度随外界干扰条件变化 实时的调节神经网络和控制规律 具有 良好的抗干扰能力 1 2 3 锅炉减温减压系统存在的问题 锅炉减温减压系统的核心部件是减温减压阀 减温减压阀内部的节流套筒起着节 流 降压 消声等重要作用 由于长期处于高温高压环境中 此外加上高压蒸汽的热 冲击会产生共振 结构会产生破坏而失效 通常处理这种情况的办法多是关闭系统 将新的节流套筒跟换上 但是这样会产生材料的浪费而且还会大大降低系统的工作效 率 在锅炉的减温减压系统中 对二次蒸汽的温度控制任然采用 PID 控制方式 但是 这种控制方法存在诸多不足之处 随着对象及环境的变化 必须通过不断改变 PID 参 数才能获得良好的控制效果 但会大大增加系统的复杂性 同时调整 PID 的参数也十 分的不方便 另外 PID 控制对于具有大延迟 大滞后的温度控制系统容易产生震荡 1 3 本文的研究内容及开展工作 综上所述 根据目前国内外的发展形势 深入开展减温减压系统理论研究工作势 在必行 本次课题从科研实际出发 结合目前减温减压阀研究的发展现状和实际条件 依据自动控 制阀门设计标准和气体动力学 结合实际应用分析减温减压阀原理开展 下面的工作 根据用户的参数要求 过热蒸汽流量 Q 10t h 过热蒸汽温度为 T1 450 压力为 P1 3 5MPa 二次蒸汽温度 T2 200 压力为 P2 1 6MPa 冷凝水压力为 Pb 1 0MPa 温度为 Tb 100 设计出该蒸汽下减温减压阀的参数 7 2 减温减压系统的工作原理及结构设计 2 1 引言 现在全国大多数锅炉行业 热电企业都设置了不同的减温减压系统 该系统由 自动控制系统 蒸汽管道 减温减压阀 给水调节阀 安全保护装置 蒸汽的参数由 自动控制器或者手动操作来完成 减温减压系统的主要作用是将蒸汽的压力和温度降 低到用户所要求的参数 2 2 减温减压系统的工作原理 图图 2 12 1 过热蒸汽减温减压系统结构简图过热蒸汽减温减压系统结构简图 压力传感器 入口温度传感器 减温减压阀 蒸汽管道 主安全阀 冲量安 全阀 压力表 双金属温度计 出口压力传感器 shi 出口温度传感器 如图 2 1 减温减压系统是由减温减压阀 安全保护装置 给水调节阀和控制系统 组成 主要用于热电厂及供热系统中 保证管路和设备的安全 能够节约能源 使系 统高效的运行 满足生产工艺的要求 延长设备的使用寿命 减压过程是通过节流套筒和带孔阀芯的节流来实现的 安全保护装置采用弹簧安 8 全阀来实现 当二次蒸汽压力超过额定值时 安全保护装置将超压部分的蒸汽拍向大 气 从而保证二次蒸汽的压力维持在允许值内 自动控制系统用于控制蒸汽的压力和 温度 使二次蒸汽的压力温度保持在预定的范围内 阀体为铸件 堆焊硬质合金阀座 进出口为法兰连接 直行程电动执行器 蒸汽 的减压过程是由减压阀来实现的 其减压级数可以由新蒸汽压力与后蒸汽压力的差值 来决定 减压阀调节压力的过程是由压力变送器与 PID 调节模块 PLC 共同完成 再由气动执行机构操纵与减压阀瓣相连的阀杆 从而可以使阀瓣在套筒做内上下运动 达到通过改变通道面积的大小来完成节流减压的过程 减压阀采用套筒结构减压 增 大了流量可调比 减少了阀门泄漏量 在阀内设有窗口 通过改变窗口的截流面积 形成流量特性同时实现流量的调节 平衡力小 允许压差大 不易震荡 允许压差大 稳定性好 且具有有降低噪音作用 减温过程也是在阀体内完成的 冷凝水从阀体流 入圆柱形多空机械雾化喷嘴后喷出 再由高温蒸汽通过节流后的高速气流将冷凝水充 分气化 在过热蒸汽中冷凝水经过吸热升温气化然后与蒸汽混合来吸收热量 从而达 到降低蒸汽温度的目的 2 3 减温减压系统的组成部分 2 3 1 减温减压阀 如图 2 2 减压阀是一种控制阀门的开启和关闭的身体部位来改变介质流动的使用 减少介质压力时 阀开启压力可在开启和关闭的部分起调控作用 从而维持在一定范 围内的阀的压力 与冷却水注射到体内或阀体 降低介质的温度 称为减温阀阀 该阀的特点 在改变入口压力的情况下 出口压力和温度保持在一定的范围内 阀气动控制阀是一种必要的附件 其主要作用是源气体压力和压力稳定在一个恒定值 以调节阀获得空调控制稳定的电源 本类阀门在管道应用中一般采用水平安装的方式 当冷凝温度降低从中间进入内部过热蒸汽冷凝水阀芯的环境中吸收热量 气化介质 温度降低 凝结水流量的大小决定了流通领域孔在阀杆 有电动执行器驱动杆 指示 不凝气流量 你需要移动阀杆时 二次蒸汽温度过高 冷凝水在阀杆孔流量增长 更 多的流量凝析油流入阀内芯和过热蒸汽 如果二次蒸汽的温度非常低时说明冷凝水的 流量过大 此时电动执行器带动阀杆向下移动 阀杆上流通冷凝水的小孔逐渐减少 在进出口压力不断改变的情况下 能够保证出口介质的温度与压力维持在一定范围 9 图图 2 22 2 减温减压阀结构简图减温减压阀结构简图 本装置由控制系统 减压系统 喷水减温系统和安全保护系统组成 其特点如下 1 控制系统 采用进口高精度多功能数字控制器具有强大的组件的主控制器 人 机界面友好 快速和准确的 PID 控制回路 智能化无人值守 可以灵活地调整参数设 置 扩展可根据用户的要求 2 减压装置 通过节流阀和节流孔板实现过程蒸汽的压力 它的发展从新蒸汽压 力蒸汽压力之间的压力差来决定 压力调节阀执行机构的大型电动执行机构来完成 运行平稳 使用寿命长 根据二次蒸汽的设置要求 无论怎样的蒸汽压力波动可以保 持二次气体压力稳定 3 减温装置 利用航空动力学技术设计的减温水雾化装置 利用流体自身的动力 来降低设备损耗 冷凝水即被粉碎成雾状水珠与蒸汽混和快速蒸发 从而达到降低蒸 汽温度的作用 将冷凝水雾化 雾化的微粒直径 500um 能够效避免汽蚀 可调比高 2 3 2 给水调节阀 如图 2 3 所示 锅炉给水调节阀 减温减压系统是一个非常重要的组成部分 10 给水调节阀在支管的法兰连接的两端 流量调节阀 针形阀 通过改变阀门的阀座和 阀杆之间的环形区域的大小是上下移动相对于阀座实现 嵌入阀体 密封面铬镍铁基 阀门执行器驱动的 重新设计的 或在选择水阀 最重要的参数是流量特性 图图 2 32 3 给水调节阀结构给水调节阀结构 给水调节阀的理想流量特性 也成固有流量特性 在安装给水调节阀时应注意 以下几点 1 阀门必须垂直安装在水平的管道上 并且阀杆向上 2 必须按箭头所指介质流向进行安装 3 当冲洗管道 采取适当措施 防止阀瓣与阀座卡住因赃物 降低使用寿命 应 该注意的是当存储该阀应存放在干燥的室内 路的两端必须堵 允许堆放存储 控制 阀的长期储存 应定期检查 清除污垢 零件的表面 每次锻炼的处理应涂防锈油 以防生锈 阀门应该安装在水平管道必须垂直安装 茎上升 必须按箭头图标以安装 媒体流 给水调节阀的理想流量特性 也成固有流量特性 是假定阀前阀后压差不变 介 质流过阀门的相对流量与相对位移间的关系 数学表达式 f Q Qmax h H 式中 相对流量 在某个开度时的即时流量 Q 与全开流量 Qmax 的比值 Q Qmax 11 相对位移 在某一开度时的阀芯位移 h 与全开位移 H 的比值 h H 实际在管路中的给水调节阀 由于多种因素的影响 阀前阀后的压差很容易发 生变化 此时介质流过阀门的相对流量与相对位移的关系 称为工作流量特性 给刘 调节阀一般有直线 对数 抛物线 和快开四中流量特性 直线特性指的是一种线性特征相对于水的流量调节阀的开度和相对的线性关系 即 通过改变单元引起的流量变化的行程的常数 用数学表达书 K H h d Q Q d max 其中 K 为常数 即为给水调节阀的放大系数 将上式积分的 C H K Q Q h max 式中 C 为积分常数 带入边界条件 h 0 时 Q Qmin h H 时 Q Qmax 从积 分式中解出常数项为 C min Q Q R 1 最后得 K 1 C 1 所以 1 R 1 R 1 maxQ Q R 1 H h 上式表明 与之间呈直线关系 在直角坐标系中将得到一条直线 maxQ Q H h 2 对数特性的特征是指单位行程的变化的变化的相对流动的相对流量的比例造 成多少 所以水调节阀的放大系数是变化的 随流量的增大而增大 用数学表达式为 K H Q Q h d max d maxQ Q 经过积分 同直线特性的推导过程一样 将上式带入边界条件 是常数项最后得 到 1 h max H R Q Q 12 从上式看出 相对流量与相对流量呈对数关系 故称作对数特性 3 抛物线流量特性的特征是单位相对位移的变化引起的相对流量变化值与该点处 相对应的流量值的平方根成正比 其数学表达式 K H Q Q h d max d maxQ Q 2 1 积分后得 1 R 1 maxQ Q R 1 2 H h 2 1 快开特性的阀芯为平板形状 它的有效位移为一般阀座直径的四分之一 当位移 继续增长时 阀的流通面积不在发生改变 不能进行调节 快开特性调节阀适用于切 断阀或者是双位调节系统 2 3 3 安全阀 安全阀也被称为溢流阀 安全阀是一种保护它的开放和外力闭件安全阀处于常闭 状态 当设备或管道中的压力增加 自动将超过预定值 通过体制外排放介质达到防 止管道或设备中的压力超过安全值 安全阀属于自动阀类 主要用于 对锅炉 压力 容器和管道上 控制压力不超过价值的人身和设备安全运行起着重要的保护作用 安 全阀是家庭的一个特殊分支阀门 其特殊性是因为不像其他阀门只是作为一个开关 更重要的是起到安全保护装置 随着中国经济建设的快速发展 工程与压力控制装置 越来越多 给出了泄压装置的需要 安全的工艺设备的保护起着至关重要的作用 锅炉安全阀是一个重要的安全附件的压力容器等设备的压力下 阀 也称为泄压 阀自动打开和关闭 是基于压力系统的工作压力 温度 通常被安装在设备管道安 全保护系统或一个封闭的系统 当设备或管道中的压力或温度超过设定的泄压阀自动 打开或冷却的救济 以确保设备和管道中的压力 温度 低于设定压力 温度 保 护设备和管道 防止事故和减少损失 安全阀主要被广泛应用于 蒸汽锅炉 液化石油气汽车槽车或者石油火车罐车 采油井 蒸汽发电设备的高压旁路 压力管道 压力容器等 安全阀一般按结构形式 分为弹簧式安全阀和脉冲式安全阀 其中弹簧式安全阀再生产应用中最为普遍 按照 连接方式的不同分为螺纹安全阀和法兰安全阀 安全阀口径通常都比较小 常用的都 在 DN15mm DN80mm 之间 超过 150mm 一般都称为大口径安全阀 13 安全阀的结构主要有两类 弹簧式安全阀与杠杆式安全阀 弹簧密封阀和弹簧力 的阀座 杠杆依靠杠杆和重量的力 随着大容量的需要 也是一个脉冲阀 也称为先 导式安全阀 主阀和辅阀 压力超过压力管道中的价值的时候 第一辅助阀打开 介 质沿导管进入主阀和主阀打开 介质压力的增加 减少 安全阀的排放量与阀座的口径与阀瓣的开启高度有关 通常分为微启式与全启式 两种 微启式阀瓣的开启高度是阀座内径的 1 15 1 20 全启式阀瓣开启高度 约是阀座内径的 1 3 1 4 此外 随着使用要求的不同 有封闭式和不封闭式 封闭式排出介质是全部沿着 规定的出口排出 多适用于有毒的高腐蚀性的介质 不封闭式通常用于低毒或者无毒 无腐蚀性的介质 按其整体结构及加载机构的不同可以分为重锤杠杆式 弹簧式和脉冲式三种 2 3 4 传感器 传感器是一种以一定的精确度吧被测量转换为与之确定对应关系的 便与应用 的某种物理量的测量装置 简单的说就是一种检测装置 测得的信息可以感觉到检测信息 按一定规律转换成电或其他信息输出所需的形 式来满足信息传输 处理 存储 显示 记录和控制要求 它是自动检测和自动控制 的首要环节 人们为了从外界获取信息 必须借助于感觉器官 依靠人的感觉器官 研究自然现象和规律以及其功能的生产活动是远远不够的 为了适应这种形势 我们 需要传感器 因此我们可以说 传感器是扩展人的感官 也被称为电的面部特征 新技术革命的到来 世界开始进入信息时代 在利用信息的过程中 首先要解决 的就是要获取准确可靠的信息 而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与 手段 在现代工业生产中 尤其是自动化生产过程中 利用各种传感器来监视和控制生 产过程中的各种参数 使设备工作在正常状态或最佳状态 并达到最佳质量的产品 因此我们可以说没有一大批优秀的传感器 现代化的生产也就失去了存在的基础 有 许多不同种类的传感器的分类 可分为物理型的原则 化学 生物型 按与结构可分 为两类结构和精明的 表 2 1 列出了所测参数的不同类别 表表 2 12 1 传感器被测参数的分类传感器被测参数的分类 14 对跨学科研究的基础上 更加突出的位置传感器 现代科学技术的发展 为许多 新的领域 例如 在宏观层面观察数千光年的宇宙的浩瀚 可以观察的微观颗粒小的 调频世界纵向观察到的天体演化年短暂的数以万计的反应 此外 有各种不同的研究 深化的极端技术知识内容 发展新能源 新材料起着重要作用 如超高温 低温 高 压 超高真空 强大的磁场 超弱磁场 等等 显然 获得大量的信息不能直接得到 人类的感觉 传感器适于不可能 对基础科学研究的许多障碍 第一个是 信息是很 难获得的对象的存在 但机理和新的高灵敏度的检测传感器的出现 往往会导致该领 域的一个突破 开发一些传感器通常是一些跨学科发展的先驱 传感器已经渗透到诸如工业生产 发展的空间 海洋开发 环境保护 资源调查 医疗诊断 生物技术 甚至极为遗产领域的锅 毫不夸张地说 从广阔的空间 广阔 的海洋 以及各种复杂的工程系统 几乎每一个现代化项目 都离不开各种各样的传 感器 因此 在经济发展中 传感器技术的重要作用 社会的进步 这是很明显的 高度重视发展中世界各国在这一领域 我相信在不久的将来 将有一个飞跃 实现传 感器技术的新水平相称的重要作用 2 4 减温减压阀关键参数与冷凝水及其流量的研究与计算 参数要求 过热蒸汽流量 Q 10t h 过热蒸汽温度 T1 450 压力 P1 3 5MPa 二次 蒸汽的温度 T2 100 压力为 P2 1 6MPa 冷凝水的温度 Tb 100 压力为 Pb 1 0MPa 15 2 4 1 冷凝水的水质要求 减温减压阀的最大特点就是冷凝水与高压过热蒸汽接触 气化后成二次蒸汽的 一部分 因此冷凝水的水质的好坏将直接影响到减温后二次蒸汽的品质 为此历来对 冷凝水的水质有较为严格的要求 总的原则是冷凝水的品质不能低于二次蒸汽的品质 不能因为冷凝水对二次蒸汽造成污染 如果蒸汽中的含盐量增加 回事过热器的内壁产生盐分堆积 使传热性能降低 甚至可能会造成过热器的爆管 如果蒸汽中的盐分被带到汽轮机中 就会在叶片上产 生盐分堆积 使汽轮机的输出力和效率降低 而锅炉的蒸汽的品质与喷入的冷凝水的 品质有极大的关系 因此冷凝水的来源需要慎重选取 直流锅炉的冷凝水可以直接取 自给水系统 2 4 2 冷凝水额定流量的计算 过热蒸汽的流量 Q 10t h 根据能量守恒 过热蒸汽与冷凝水混合前后根据能 量守恒 与质量守恒得 Md Mg Mc 式中 Md 过热蒸汽的质量流量 kg s Mg 冷凝水的质量流量 kg s Mc 减温后的二次蒸汽的质量流量 kg s 热量守恒 M i M i M i d1gjsc2 式中 i 过热蒸汽的热焓值 kj kg 1 i 冷凝水的热焓值 kj kg js i 减温后的二次蒸汽的热焓 kj kg 2 由质量守恒定律与能量守恒得冷凝水的流量 Mg js2 21 ii iid M 查阅文献得到压力为 3 5MPa 温度为 450 的过热蒸汽的热焓值为 3335 8KJ kg 压力 为 1 0MPa 温度为 200 的过热蒸汽的焓值为 2820 4KJ kg 压力为 1 6MPa 温度为 100 的冷凝水的焓值为 420 2KJ kg 带入上式得冷凝水的流量 Q 2 51t h 冷凝水 16 2 4 3 减温减压阀流通能力 Cv 阀门流通能力的重要指标是阀门流量系数 流量系数越大说明流体流过阀门时的 压力损失越小 流量系数不是固定的而是随阀门的结构形式以及尺寸而变化 对于结 构相同的阀门 流体如果流过阀门的方向不同 则流量系数也会发生变化 阀门内部 的形状结构不同 流量系数的曲线也不相同 对于类型与规格不同的阀门都要进行测 试 才能确定阀门的流量系数 表表 2 22 2 表压力恢复系数表压力恢复系数 F FL 设计的减温减压阀套筒型阀芯属于流必行闭型 压力恢复系数 F 0 81 减温减压 L 阀前后的压力差 3 5 1 0 2 5MPa 而 0 5F P 1 13MPa 当0 5F P 时 过热P 2 L1 P 2 L1 蒸汽的额定流量公式为 Q 120K P K sv1 其中 Q 过热蒸汽的质量流量 kg h s K 额定流量系数 v P1 减温减压阀的阀前绝对压力 MPa K 1 0 0012 过热温度 减温减压阀额定流量系数 Kv K Q 118P1 s 17 压力为 3 0MPa 温度为 450 的过热蒸汽的过热度为 205 将相应的数据带入上式 的 Kv 30 45 正常流量计算所得流量系数乘以 1 0 7133 1 0 5167 将计算所得的 流量系数圆整后即得到直线流量特性的额定流量系数 则 Kv 30 43 1 5 45 85 根据 流通能力 Cv 与减温减压阀额定流量系数 Kv 则有 Cv 1 17Kv 1 17 45 85 53 5 2 4 4 二次蒸汽在管道中的额流速计算 出口蒸汽的流量为 10t h 压力 1 0MPa 温度 200 二次蒸汽在管道中的流 速 v 与管道内径 d 的关系为 d 18 8 v W d 管道内经 mm W 出口蒸汽流量 kg h v 出口蒸汽的平均流速 m s 出口蒸汽的密度 kg m 3 综上所述二次蒸汽在管道内的流速 v 2 2 d 8 18 W 查表可得出口蒸汽密度 5 3850kg m 带入后得二次蒸汽在管道中的流速 3 v s m 5 31 145 3854 5 10000 8 18 2 2 DN150mm 过热蒸汽的流速范围 20 40m s 符合要求 18 2 4 5 减温减压阀节流降压级数的确定 由公式得节流降压比值与节级数 N 的关系 N lg lglg 1m PP 式中 Pm 减温减压阀阀后压力 MPa P1 减温减压阀阀前压力 MPa 压降比值 对于过热蒸汽压降比值一般取 0 546 则 N 2 0 流过节流套筒后过热蒸汽的压 力为 3 5 0 546 2 0MPa 此时密度 6 025kg m 流过阀芯后的压力 3 1 9 0 546 1 03MPa 2 4 6 节流套筒开孔面积计算 设 S为开窗总面积 依据流体力学原理 通过减温减压阀与流通面积的关系有 总 G S 得 总 g2p 19 S mm 总 gP G 2 2 式中 G 流过减温减压阀的质量流量 kg s 流过减温减压阀介质的密度 kg m 3 介质通过减温减压阀的压降 MPa P 在计算过程中 一般采用工程单位 如 G 单位是 t h 的单位是 t m 考虑到流 3 体通过流体面积时会产生摩擦造成流量的减少 所以需要引入流通效率系数 所以 套筒的实际面积为 S 6 27 mm 总 P G 2 通常的取值范围 0 5 0 65 此处取 0 6 查表得 3 5MPa 450 的过热蒸 汽密度是 11 4kg m 故节流套筒的开孔面积为 3 S 6 27 778mm 总 3 10 4 116 16 0 10 2 节流套筒以及套筒的阀芯都采用钻孔的方式 钻孔法开孔加工过程简单 每层节 流孔分布对称均匀 使减温减压阀在工作过程中可以显著降低流体运动产生的噪声与 振动 减温减压阀的流量特性曲线为直线 相对流量与相对开度呈线性关系 减温减压阀 配合的电动执行器的行程为 40mm 考虑到开孔方式与制造工序的成本 节流套筒的 直径选取为4 5mm 在 40mm 行程设计内4 5mm 的孔为 8 排 每个小孔的面积 A 16 7mm 1 4 d 2 1 4 5 414 3 2 2 一纵列小孔的面积为 A 8A 8 16 7 133 5mm 21 2 每一层开孔的个数为 N 5 87 取整数后 N 6 个 1 2 A S套筒 88 132 777 1 2 4 7 减温减压阀阀芯开孔面积计算 在工程上为了简化计算 在求得的第一级节流板面积 S 后 其余各级根据公式 1 S i 1 i 1 q S 式中 S 各级节流开孔面积 m i 2 20 S 第一级节流开孔的面积 m 1 2 q 降压比 i 级数 1 2 3 4 n 压降比 q 是不大于 1 的数 对于高压节流装置 设计需要按照临界状态来设定 即对 于空气 q 1 528 而过热蒸汽 q 0 546 对于饱和蒸汽 q 0 577 阀芯上的节流面积 S 1425mm 总 546 0 套筒 S 546 0 775 2 为了使节流套筒上的开孔满足线性特性的要求 因此阀芯上开 8 层小孔 为了确保 过热蒸汽经减温减压阀内第一时间与冷凝水混合 阀芯上开的小孔的孔径应略大于节 流套筒上小孔的直径 取阀芯上小孔的直径为 5mm 小孔面积 A 19 715mm 3 4 d 2 2 4 514 3 2 2 阀芯上小孔的面积为 A 8A 8 19 715 158mm 每层开孔的个数 N 9 1 43 2 2 4 A S阀芯 所以开孔的个数 N 9 2 表表 2 42 4 减温减压阀节流套筒参数设计表减温减压阀节流套筒参数设计表 2 4 8 节流小孔的排布方式 阀芯上的小孔与节流套筒上的小孔的分布服从正三角错列原则 21 图图 2 42 4 小孔正三角形错列排布示意图小孔正三角形错列排布示意图 每一个小孔与相邻的最近的两个小孔呈正三角形分布 这样使得每个小孔的受力均匀 应力相同 不会产生应力集中从而破坏了内部结构 大大延长了使用的寿命 2 4 9 降噪量的计算 带孔阀芯与节流套筒共同配合可以起到消声的作用 距降温减压阀喷口处的排 气噪声级 L 95 20lgP 10lg AmA L m 11 P PS 式中 S 节流套筒的流通面积 m 1 2 P 过热蒸汽流入节流套筒是的压力 1 P 过热蒸汽流入阀芯时的压力 MPa m L 小孔的消声量 dB A A L 10 5dB A A 在空管排空的情况下与喷气管口相距 1m 的排期噪声级 L 97 10lg 20lg G 20lgD 0A M M0 3 10 D 二次蒸汽流通管道的内径 M 空气分子质量 M 28 8 00 M 过热蒸汽分子量 M 19 G 过热蒸汽的质量流量 t h 消声效果 L L 133 75 121 55 12 2Db A A L 0AA 22 2 5 新型文丘里式喷水减温器的入口线形设计 以往的大部分减温减压装置为分体式 减温减压过程是分开进行的 减温过程在 喷水减温器中进行 减压过程在减压阀中进行 分体式装置灵敏度高 运行比较平稳 能够消除静差 最常用的喷水减温器是文丘里式 但是传统的文丘里式喷水器有许多 不足之处 如处理过热蒸汽的流量范围比较小 最大流量 110t h 无法满足现在的生 产需要 新型文丘里式喷水器减温器的结构 图图 2 52 5 新型文丘里式喷水减温器的结构简图新型文丘里式喷水减温器的结构简图 2 5 1 喷水器工作原理 过热蒸汽流经文丘里喷水减温器的减缩部位时 其流速增加 压力降低 当流到 孔径最小处的时候蒸汽的流速达到最大值 冷凝水通过喷嘴进入过热蒸汽管道 冷凝 水在喷嘴表面形成一层薄膜 过热蒸汽 的热动能破坏了表面的薄膜张力 在喷嘴上方 形成一个圆锥状的雾化水膜 在文丘里效应及其喷嘴的共同作用下 高流速的蒸汽产 生震动 强化了蒸汽与减温水之间的传热和对减温水的雾化效果 因此 喷入管道冷 凝水全部气化与蒸汽混合在一起 这样就不需要在管道的下面安装任何保护装置 2 5 2 影响吸收长度的因素 23 管道内的流体流速越处于湍流状态 单个水粒在减温器中滞留的时间越长 换热 月充分 此外湍流可以加剧冷凝水与过热蒸汽的混合 加剧的湍流能缩短减温完成的 距离 有两种方法可以产生湍流 一种是通过喷嘴的压力降 是冷凝水产生更高的压 力降 第二种增加冷凝水与过热蒸汽的混合速度 2 5 3 容纳蒸汽流量范围 新型的文丘里式减温器可以容纳的蒸汽流量范围值取决于现有的压力降 冷凝水 被高速流动的过热蒸汽气化 如果蒸汽流量从最高值下降到零的过程中 一定会出现 某个时刻 此时蒸汽的能量不能把所有的冷凝水气化 这种动态能源与减温器的降压 关系密切蒸汽流量范围与压力的关系 min max P P 最小蒸汽流量 最大蒸汽流量 当可用压力为 50KPa 时 最大蒸汽流量与最想蒸汽流量的比值接近 3 1 2 5 4 容纳蒸汽的流量范围 入口过热蒸汽的流量 QQ 250t h 管道的热膨胀系数 12 30mm mm 管 D 6 10 道内径 D 196mm 工作压力 10MPa 工作温度为 550 过热蒸汽的密度 20 37 61kg m 3 粘度 31 96 10Pas 等熵指数 k 1 27 过热蒸汽的雷诺数 R 10 03 蒸汽流 6 e 6 10 量公式 q m 4 1 C 4 d 2 P 2 式中 q 质量流量 kg s m C 阀门流出系数 可膨胀系数 直径比 D 管道内径 压差 PaP 综上所述得 0 496 减温器喉部直径 d Bd 108mm 则 20 时减温器喉部直径 d t 20 100mm 文丘里式喷水减温器的入口型线可以简化成由半径为 R 20 1d d 1 圆弧 B 和半径为 R2 的圆弧 C 相连而成 当0 50 时 24 R 0 2d 20mm2mm 1 d02 0 R 0 03d 33 333mm 2 3d 入口型线设计示意图 通常情况下文丘里喷水器的最大流 量为 100t h 而本次设计的新型文丘里 式喷水器可以处理最大流量为 300t h 本次仅仅对 250t h 的工况下进行了研 究 本次研究的锅炉减温减压系统采用 了减温减压阀与给水调节阀先配合共同 作用 图图 2 62 6 入口型线设计示意图入口型线设计示意图 2 6 给水调节阀的参数计算 2 6 1 给水调节阀的流通能力 Cv 的计算 当冷凝水的压力高于 2MPa 时 冷凝水的雾化效果最好 但是由于安全问题冷凝水 的压力一般比过热蒸汽的压力高 0 5 0 6MPa 本次设计的给水调节阀阀芯属于流闭型 产生阻塞流时的压降为 F P P c P 2 L1VC 其中 P F P F 0 96 0 28 带入上式得 vcfcf Pc v P F P 0 96 0 28 P c P 2 L1 C V P P VC 式中 产生阻塞流时给水调节阀的压力降 MPacP P 不可压缩流体产生阻塞流动时的断面压力 MPa vc F 压力恢复系数 L P 给水调节阀阀前压力 MPa 1 F 冷凝水的临界压力比 f P 冷凝水热力学临界压力 MPa c P 冷凝水的饱和蒸汽压力 MPa v 压力恢复系数 F 0 8 P 22 5MPa P 0 1MPa 此时 Lcv 25 0 8 6 0 96 0 28 0 1 3 79MPa 而给水调节阀的前后压力差 c P 2 5 22 1 0 6 1 6 4 4MPa 因此冷凝水的流动为阻塞流动 流体额定流量公式 P P c P Q K L 10 v c P 式中 Q 冷凝水流过给水调节阀的流量 m h L 3 K 给水调节阀的额定流量系数 v 给水调节阀的压力差 MPa c P 冷凝水的密度 g cm 3 给水调节阀的额定质量流量系数 Kv 带入得 Kv 018 c10 P QL K 0 17 1 93 0 331 C 1 17K 给水调节阀的流通能力 C 1 17 0 33 0 4 1 v VvV 2 6 2 冷凝水在管道中的流速 冷凝水在管道中的流速与管道直径的关系 d 18 8 v W 式中 d 管道内径 mm W 冷凝水的质量流量 kg h V 冷凝水的平均流速 冷凝水的密度 kg m 3 冷凝水在管道里的流速 v 2 2 pd 8 18W 100 压力 1 6MPa 的冷凝水的密度 961kg m 冷凝水管道流速 v 1 97m s 表压 3 接近 1MPa 的水的流速范围 0 5 2m s 符合设计要求 2 7 本章小结 本章介绍了锅炉减温减压系统的工作原理 对主要组成部分减温减压阀 给 水调节阀 安全阀以及传感器进行了详细介绍 重点是根据用户提出的具体工况 要求 对减温减压阀与给水调节阀的重要参数进行了设计研究 确定了流通流量 系数 节流降压级数 降噪量 过热蒸汽在管道里的流速 冷