大流量混合煤气控制阀泄漏故障的诊断方法

在钢厂混合煤气循环发电工程中，需要用控制阀控制混合煤气输送管道中的压力脉动，以保证送往燃气轮机的混合煤气压力稳定、机组正常发电。混合煤气热值低，因此在相同装机容量下相对天然气系统，混合煤气燃料管道的直径和燃料控制阀尺寸增大3～4倍，相应混合煤气的压力控制阀口径也要增大。增加阀门口径是满足大流量要求的有效措施之一。但是控制阀零件尺寸的增加，会使气体密封性能变差。
        混合煤气主要可燃成分中含有有毒的CO气体，一旦泄漏会存在安全隐患，因此对大流量气体燃料控制阀的泄漏故障诊断方法进行研究有着重要的实际意义。
       1 控制阀泄漏故障机理
       1．1 控制阀泄漏的种类
 

        控制阀泄漏分为两种：外部泄漏和内部泄漏。外泄漏常见于阀体、阀杆、填料函与阀体的连接部位；调节阀关闭不严形成的泄漏为内泄漏，发生在阀座密封处。以图1所示结构的控制阀为研究对象，重点研究其外泄漏故障的机理。根据泄漏部位的不同，外泄漏故障可以分为：法兰处的泄漏、阀盖处的泄漏、压盖处的泄漏、阀体泄漏。按故障发生时涉及的零件不同，对外泄漏故障分类进行总结分析，可以得到控制阀发生外泄漏的机理，具体情况见表1。

        1.2 泄漏时的压力变化
        从混合煤气的粘性角度考虑，当流体沿管道流动时，由于流体分子之间及其与管壁间的摩擦，须消耗部分机械能以克服此摩擦阻力；而流体由于流动方向及速度的改变会产生局部漩涡和撞击，也要损失机械能，机械能的损失会导致流体压力下降。因此当控制阀发生泄漏故障时，泄漏处的流体流动会带来新的机械能损失，新损失的机械能会导致新的压力损失。
        设控制阀入口压力为p，出口压力为p1，pf为克服摩擦力引起的压力损失，压力降为Δp1。当发生泄漏时，出口处压力为p2，此时的压力降为Δp2，由于泄漏产生的压力损失为pL，则有如下关系式：

        由式（4）可知，发生泄漏时，在相同开度下控制阀的出口压力降低。
        由于混合煤气在传输过程中存在压力信号波动，仅通过简单的压力变化分析，难以检测出调节阀的泄漏故障，因此需要在此基础上找到更为有效的解决办法。
        2 控制阀泄漏故障的诊断方法
        2.1 混合煤气的流动状态
        在建立控制阀泄漏故障数学模型时，需要明确混合煤气在控制阀中的流动状态和类别，以明确有关的边界条件。
        钢厂循环发电工艺中，混合煤气由高炉煤气和焦炉煤气组成，常用高焦比为7∶3。由高炉煤气的组元成分和焦炉煤气的组元成分得到混合煤气的组元体积及相关数据（表2）。

        设混合煤气的绝热指数为Kh，气体常数为Rh（J/kg•K），当地音速为ah（m/s），马赫数为Mh，则有：

        式中
        R——气体常数，R=8.314J/mol•K；
        T——混合煤气的温度，取平均温度T=548K；
        V——混合煤气的流速，取平均流速V=16.25m/s。
        由式（5）～（8）联立求解可得混合煤气的马赫数Mh=0.0367，即Mh＜0.3。流动过程中由于压力变化引起的密度变化不到5%，此时气体可以看作不可压缩流体。因此混合煤气的气体流动可以近似地看作是不可压缩流体流动，即在流动过程中，混合煤气的密度ρ为常数。

2.2 压力与速度及密度的关系
        由流体力学中的伯努利方程可以得到压力与速度的关系。理想不可压缩流体的伯努利方程为：
        式中
        γ ——重度，N/m3，即γ=ρg；
        ρ ——混合煤气密度，kg/m3；
        g ——重力加速度，m/s2；
        V ——煤气阀入口速度，m/s；
        V1——正常状态下煤气阀出口速度，m/s；
        z，z1——不同截面处流体距离基准的高度，m。
        考虑到实际中存在的摩擦力影响以及气体重度较小的因素，可以由式（9）推出实际中对控制阀入口和出口处列出的伯努利方程，从而得到压力和速度的关系：
        根据气体状态方程可得密度和压力的关系：
        2.3 控制阀泄漏故障的数学模型
        设Qm为阀体入口处的质量流，即单位时间流入的质量；Qm1为正常工作状态下阀体出口处的质量流；Qm2为发生泄漏时阀体出口处的质量流。根据质量守恒定律，如果没有泄漏故障，流入控制阀的气体质量和流出控制阀的气体质量相等，反之亦然。则泄漏故障的数学模型为： 
        式中
        V2——泄漏故障发生时混合煤气出口速度，m/s；
        A——流过的断面面积，m2。
        将式（10）、（11）代入式（12）可以得到质量流与压力和流量的函数关系：
        式中
        Qv——煤气阀入口体积流量，m/s。 
        通过测量压力与流量信号，监测质量流变化情况，对控制阀的泄漏故障进行诊断。
        3 泄漏故障诊断的仿真与实现
        对依据质量流变化情况建立的泄漏故障数学模型进行仿真，仿真条件根据实际工艺条件确定：
        a．入口压力p在2.08～2.86MPa波动； 
        b．入口流量Qv在23.75～26.75m3/s波动；
        c．断面面积A=1．5384m2； 
        d．混合煤气气体常数Rh=343.82J/kg•K；
        e．混合煤气气体温度T=548K。
        在LabVIEW环境下，以上述条件对控制阀的正常和泄漏状态分别进行仿真。仿真结果表明，在发生泄漏故障时，出口的质量流相对正常状态的质量流会发生明显变化，如图2所示。

        泄漏故障诊断部分作为控制阀智能故障诊断系统的子系统，控制结构框图如图3所示。

        4  结束语
        泄漏故障诊断是控制阀智能诊断系统中的关键部分，泄漏故障信号的采集与处理对能否实现泄漏故障自诊断有着重要意义。依据质量守恒定律对控制阀出、入口处质量流变化进行对比，得到了采用压力信号和流量信号表达的质量流征兆作为故障诊断征兆、实现泄漏故障诊断的具体解决方法，通过仿真实验证明该诊断方法的有效性。