渣锁斗液压开关阀开关时间的分析研究

贺欣

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

液压执行机构在工程机械领域有着广泛的应用，如挖掘机的机械臂控制系统、冶金行业轧机压下系统、轮船舵机系统等。传统化工控制领域中，在某些苛刻工况下，采用的液压执行机构具有体积小、推力大、响应快和抗偏离能力强等特点，如“神宁炉”气化工艺中的“渣锁斗子系统”管线上的开关阀，简称为渣锁斗阀，采用的就是液压执行机构。

1 渣锁斗子系统

1.1 渣锁斗子系统的功能与工作流程

“神宁炉”由中国五环工程有限公司与神华宁煤集团共同研发，是在西门子干煤粉气化炉(GSP炉)基础上，根据神华宁煤集团多年的运行经验优化发展而来。“神宁炉”气化工艺采用干煤粉气化加水激冷的技术路线，干煤粉在气化炉燃烧室内与O2和H2O发生反应，生成以H2和CO为主要成分的粗合成气，粗合成气携带煤渣进入气化炉激冷室，经过水浴冷却和过滤后，从气化炉排出并进入下游工序，而煤渣与水的混合废料则留在了气化炉的底部，每隔一段时间需要将这些渣料排出。排渣的过程中，渣锁斗除了集渣，还在高压系统(气化炉)和常压系统(捞渣机)之间起过渡作用。“渣锁斗子系统”简化的工艺流程如图1所示，XV-0201，XV-0202，XV-0203,XV-0204，XV-0218，XV-0219为渣锁斗阀。其工作流程分为如下几个步骤:

1) 集渣计时器到达设定值40 min时，XV-0201和XV-0202依次关闭。渣锁斗开始泄压，待渣锁斗内压力减至常压时，XV-0203和XV-0204依次打开。渣锁斗内的渣水排入捞渣机中，待渣锁斗内渣水排尽后，XV-0203和XV-0204依次关闭。

2) 集渣计时器归零，渣锁斗开始通过高压循环水管线进行冲压，当渣锁斗压力与气化炉压力之差小于1.0 MPa时，XV-0201和XV-0202依次打开，被破渣机粉碎后的煤渣与水的混合废料开始排入渣锁斗中，集渣计时器开始计时。

3) 集渣计时器到达设定值40 min时，重回步骤 1)。

从上述流程中可以看出，渣锁斗阀关闭时起到隔离上下游高、低压系统的作用，而开启时则串联了上下游等压系统。XV-0218和XV-0219设置在冲洗水罐与渣锁斗之间的管线上，定时依次开启冲洗渣锁斗，防止渣锁斗堵塞。

图1 “渣锁斗子系统”简化的工艺流程示意

1.2 渣锁斗阀采用气动执行机构的缺点

渣锁斗开关阀阀芯形式为球阀，口径最小为DN350，最大为DN400，关闭差压达5.2 MPa，因而阀门开关过程中所需要的力矩非常大。如果采用气动执行机构有如下缺点:

1) 由于气动执行机构工作压力范围在400～600 kPa，根据力与压强F=pS的关系，想要获取较大推力，则必须增加执行机构上活塞的受力面积，势必导致气缸体积巨大和笨重，给管道布置带来麻烦，不利于阀门的安装、调试、维护及下线维修。

2) 渣锁斗进出口管线垂直于地面敷设，因而阀门只能安装于垂直管线上，使阀杆处于水平位置。由于气缸质量大，阀杆在杠杆原理的作用下向下弯曲，导致阀门填料上下受力不均匀，阀杆转动时对填料造成偏磨，影响了阀门的寿命。

3) 仪表空气属于可压缩的介质，活塞推力在达到能克服阀芯阻力矩之前，仪表空气有一个压缩过程，因而阀门响应慢。另外在仪表压缩过程中气缸内压力不稳定，导致执行机构输出的力矩不稳定，尤其在阀门即将开启或者即将关闭的瞬间，阀门上下游的差压变化巨大，不稳定的力矩易造成阀门运行的不稳定，造成管线震动。

4) 由于气缸体积巨大，并且工艺要求开关时间在10 s左右，因而阀门动作时的瞬时耗气量很大，另外渣锁斗阀属于高频开关阀，这就对仪表空气系统的设计带来挑战，如果设计考虑不周，渣锁斗阀动作时可能会发生“抢气”现象，导致周围的气动阀得不到足够的仪表空气量而工作不正常，形成安全隐患。

1.3 渣锁斗阀液压控制方案

对于液压系统，可将工作介质的工作压力调至远大于仪表空气管网压力的水平，因而可大幅度减小执行机构活塞受力面积，执行机构的体积与质量也相应大幅减小。另外液压油的不可压缩性使得系统响应时间优于气动执行机构，且输出力矩能保持稳定。因此，渣锁斗阀采用液压执行机构能很好地克服气动执行机构的缺陷。

该项目渣锁斗阀的液压系统采用“一拖六”的技术方案，即1套煤气化的6台液动渣锁斗阀共用1台油站，该液压系统结构如图2所示。

油站配2台油泵，互为备用，对液压油持续进行加压，维持油站出口恒定的工作压力。渣锁斗阀的液压执行机构采用双油缸的形式，每台阀门配1个电磁阀组，DCS通过远程信号对电磁阀组进行控制，切换油路，达到开关阀门的目的。蓄能器为能量存储单元，在油泵故障时，仍能保证渣锁斗系统正常运行若干次。

图2 渣锁斗阀液压系统结构示意

2 开车阶段渣锁斗阀开关时间不达标的原因分析

渣锁斗阀采用液压控制方案使得整个系统的复杂性大幅增加，影响阀门工作性能的因素也相应增多，设计及施工中的疏漏会引起各种各样的问题。该项目中渣锁斗阀门及其相应液压系统施工完毕时已至寒冷的冬季，开车阶段渣锁斗阀的开关时间一直达不到工艺要求的10 s，一般在20～40 s内，夜间温度极低时，阀门开关时间甚至超过1 min。本节将详细阐述渣锁斗液压阀开关时间的计算方法，并分析开关时间不达标的原因。

2.1 渣锁斗阀开关时间的计算方法

根据“渣锁斗子系统”工作流程的描述，6台阀门均不在同一时间动作，因而可以单独对每台阀门进行建模计算。本文仅以XV-0204为例，其液压系统可简化如图3所示。

图3 XV-0204对应液压系统示意

计算渣锁斗阀开关时间所需要的条件较多，涉及阀门自身的结构参数，液压油的物理性质，液压系统管路规格尺寸、敷设长度以及阀门与油站的高差等，如下所列:

1) 阀门计算书中相关数据。阀杆所受的总力矩MΣ=19 042.19 N·m；活塞直径DH=0.42 m；阀杆直径dF=0.12 m；油缸容积VH=0.01 m3；主管内径d1=0.02 m；支管内径d2=0.01 m；油站出油口压力p1=12 MPa；工艺要求的阀门开关时间tR=10 s。

2) 液压油物理性质及条件。20 ℃时，液压油的密度ρ=850 kg/m3；液压油的动力黏度μ=0.22 Pa·s，运动黏度ν=μ/ρ=2.59×10-4m2/s。

3) 现场条件。油站与阀门的高差Z=15 m；主管敷设距离L1=5 m，支管敷设距离L2=25 m；重力加速度g=9.81 m/s2。

(1)

SH为油缸内活塞的受力面积，其计算如式(2)所示:

(2)

pH为油缸内的压强，其计算如式(3)所示:

(3)

t为每次循环迭代时设定的阀门开关时间；v1，v2分别为根据设定的t值计算出的主管和支管内液压油的流速，v2，VH，t之间的关系如式(4)所示:

(4)

由于d1=2d2，则S1=4S2，根据流体一致性原理：S1v1=S2·v2，则v1，v2之间的关系如式(5)所示:

(5)

Re1，Re2分别为根据v1和v2计算出的主管和支管内液压油的雷诺数，计算如式(6)所示:

(6)

f1，f2分别为液压油与主管和支管管壁的摩擦系数，计算如式(7)所示:

(7)

(8)

hf为液压油在管路中的总摩擦头损失，即在主管和支管内摩擦头损失之和，计算如式(9)所示:

(9)

t′为渣锁斗阀门的开关时间的验算值，v1′，VH和t′之间的关系如式(10)所示:

(10)

以油站出口为参考点，对油站出口与XV-0204油缸进油口之间的液压油列出不可压缩流体的一般能量方程如式(11)所示:

(11)

将式(8)和式(9)代入式(11)中得:

(12)

将式(12)变形整理得:

(13)

按照图4所示的流程对XV-0204开关时间进行循环迭代计算，计算过程中的重要数据见表1所列。

图4 渣锁斗阀开关时间循环迭代计算流程示意

迭代次数t/sv2/(m·s-1)v'2/(m·s-1)t'/s计算结果11012.78.315.4t'≠t不收敛2158.56.718.9t'≠t不收敛3206.45.821.7t'≠t不收敛4225.85.622.9t'≠t不收敛523.75.45.423.7t'=t收敛

在上述条件下经过5次迭代，t=t′=23.7 s，计算过程最终收敛，即XV-0204开关时间为23.7 s，与开车阶段数据吻合。阀门XV-0204离油站最近，如要计算其他位号阀门开关时间，则需更改计算条件中L2和Z的数值，计算结果也将大不相同。

2.2 渣锁斗阀开关时间不达标的原因分析

根据2.1节中的叙述，渣锁斗阀开关时间的大小取决于支管内液压油流速值，因而可以得出结论，影响支管内液压油流速的因素即为影响渣锁斗阀开关时间大小的因素。根据式(4)～式(13)可知，这些因素包括ρ，ν，L1，L2。由于在环境最低温与液压系统操作温度之间的ρ变化可忽略不计，因而影响阀门开关时间的因素只有ν，L1，L2。

2) 油路主管、支管的敷设长度L1和L2对渣锁斗阀开关时间的影响。安装时，液压系统厂家明确要求每个电磁阀组应布置在相应阀门的附近。由于6台渣锁斗阀分布在不同的楼层，因此L1必然长，L2必然短。但是业主运行人员为方便管理，将所有电磁阀组集中布置在地势最低油箱旁，从而导致L1变短，L2变长。下面通过改变L1和L2的值模拟厂家和业主对电磁阀组的安装要求，并按2.1节的步骤分别计算两种情况下XV-0204的开关时间，并比较差异。按厂家要求，令L1=42 m，L2=8 m，Z=15 m；按业主要求，令L1=5 m，L2=45 m，Z=15 m，计算过程数据详见表2和表3所列。

表2 XV-0204开关时间在厂家要求条件下的计算过程数据

表3 XV-0204开关时间在业主要求条件下的计算过程数据

表2和表3的计算结果表明，业主将电磁阀组集中布置的方案引起了渣锁斗阀开关时间的极大变化，因而L1短，L2长是渣锁斗阀开关时间不达标的另一个重要原因。如果叠加第一个原因，就解释了为什么在冬季夜间渣锁斗阀的开关时间会超过1 min。

2.3 解决方案

2.2节从理论上找到了渣锁斗阀开关时间不达标的影响因素，根据这些影响因素采取相应的解决方案:

1) 油箱上增加电加热器，冬季气化炉开车时，先打开电加热器，预热液压油，该措施消除了低温对液压油ν的影响。

2) 改造液压油管路，按厂家要求将电磁阀组布置在相应渣锁斗阀的附近。

3) 将液压油管路上的90°直角弯头全部换成平滑过渡的大弯头,从流体力学的角度看，平滑的大弯头产生的压损小于直角弯头所产生的压损。

经过上述3步改造，最终将所有的渣锁斗阀的开关时间均控制在10 s左右。

3 结束语

阀门出厂前的开关时间均能达到小于10 s的要求，是厂家在受限条件下得到的数据。若在现场模拟厂家的受限条件，令L1=5 m，L2=10 m，Z=2 m，按2.1节的计算方法，阀门开关时间为9.6 s。因此，在与厂家签技术协议时，务必要求厂家按阀门的实际布置以及环境温度的变化调整相关参数，并出具阀门开关时间计算书，以确保出厂的产品能在一个很宽的范围内满足开关时间的要求。