压差调节器输出压差特性研究

蔡佐君，白荣腾，李 泓，倪 平

· （1.中国船舶重工集团公司第704研究所，上海 200031；2.杭州汽轮机股份有限公司，浙江 杭州 310022）

压差调节器输出压差特性研究

蔡佐君1，白荣腾2，李 泓2，倪 平1

· （1.中国船舶重工集团公司第704研究所，上海 200031；2.杭州汽轮机股份有限公司，浙江 杭州 310022）

对汽轮给水泵压差调节器的输出压差特性进行试验研究，获得输出压差与信号压差的关系曲线，并对试验曲线进行分析，建立试验曲线的规范化处理方法。

汽轮给水泵；压差调节器；输出压差特性；规范化处理方法

0 引言

汽轮给水泵为锅炉提供用于生成高温高压蒸汽的给水工质，是船舶动力系统中的一类关键辅机设备。给水泵的泵送量需要随时与锅炉负荷匹配，因而必须有可靠的工况自动调节功能。某型汽轮给水泵采用水介质作为调节用工质，具有抗燃、简化调节系统的优点[1]，调节系统中起工况调节作用的关键部件是一个压差调节器，图1是该部件的控制原理简图。

图1 压差调节器调节控制原理图[2]

压差调节器采用射流管式的滑阀随动装置结构，利用锅炉给水调节阀前后的压力信号来改变机组工况，给水调节阀在给水泵出口与锅炉之间，此类结构具有加工公差较低，对污染物不敏感，多用于低功率系统中[3]。给水调节阀前后的信号压力分别作用在压差调节器的两个波纹管上，波纹管1接收给水调节阀阀前的压力信号，即给水泵出口压力，波纹管2接收给水调节阀阀后的压力信号，即锅炉的压力信号。当锅炉负荷发生变化时，给水调节阀前后的压差也会改变，压差增加表明锅炉负荷降低，因此压差调节器内的杠杆逆时针偏转，使得压差调节器的输出压差改变，即通往蒸汽调节阀活塞左侧腔室压力增高，右侧腔室压力减小，因此蒸汽调节阀关小，机组工况降低，反之亦然。

压差调节器的输出压差作为蒸汽调节阀的执行动力，它的工作特性关系到机组的动态调节能力，因此必须着重并加以研究。本文对不同给水调节阀阀后压力下的输出压差与信号压差的关系进行了试验研究，获得了相应的试验曲线，并对试验曲线进行分析，通过规范化处理后，可获得统一的试验结果处理方法，有助于今后直接利用试验曲线对机组的调节特性进行仿真计算。

1 试验装置及方法

图2是压差调节器输出特性的试验装置简图，压差调节器的工作用水通过水泵从水箱泵入。采用两个压力校验仪给波纹管提供模拟的信号压力，与实际对应，波纹管1接收给水调节阀阀前压力，波纹管2接收阀后压力，用一个双针压力表显示压差调节器的输出压差。在试验中，水泵出口压力保持一定，固定给水调节阀阀后压力，逐渐升高阀前压力，记录输出压差。

图2 压差调节器输出特性试验装置简图

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

根据实际的运行工况，试验中选取了三个给水调节阀阀后压力进行压差调节器输出特性的测量，阀后压力分别取3.5、5.0、6.6MPa。图3是三个阀后压力下的输出压差与信号压差的试验关系曲线，这是典型的射流管式滑阀装置的静态特性曲线形式[4]。由试验曲线可见，三个阀后压力下的输出特性曲线基本呈平行状态，相当于同一条输出特性曲线在不同阀后压力下进行了平移。为了证明这一点，需要对压差调节器的作用过程进行分析。

图3 压差调节器输出特性试验曲线

2.2 数学模型

图4是压差调节器进行简化后建立的物理模型。P1和P2分别是给水调节阀阀前和阀后压力，Fk是弹簧补偿力，根据模型可建立平衡方程：

图4 压差调节器作用原理图#

式中：A是波纹管作用面积，K是弹簧刚度，x0是弹簧初始预紧力，即杠杆位于中间位置时的弹簧压缩量，x是阀前阀后压力改变后的弹簧压缩改变量。进一步可整理为：

记信号压差ΔP=P1-P2，j=A/(Kc)从而有：

弹簧压缩改变量x即反映了杠杆的位移改变量，也与杠杆在压差调节器输出孔处的遮挡位置对应。相同的遮挡位置，必然对应相同的输出压差。因此可根据这一原则建立不同阀后压力下的关系式：

联立式(3)、(4)有：

可见，相同的杠杆位移x即相同的输出压差下，信号压差改变量Δ与阀后压差改变量Δ2间的关系如式(6)所示，呈线性比例关系。以输出压差为0的信号压差带入式(6)，对三个阀后压力进行比较，根据试验用的压差调节器几何尺寸可得(b-a)/a为0.371，对比结果见表1所示。可见，计算值与试验值十分接近，试验曲线的周期平移特性较明显。

表1 结果对比表

2.3 规范化处理

可将式(3)整理成如下形式：

当工作水压力一定时，压差调节器的输出压差只与杠杆位置(即x值)有关，由式(7)中间式子可见，整理成u的形式后，输出压差只受一个变量x的影响，因为当压差调节器整定完成后，x0和ja都不变。将三条不同阀后压力下的输出特性试验数值带入式(7)可获得输出压差关于u的特性曲线，见图5所示。可见，三条试验曲线十分一致，因此对试验数据规范化处理后，可用一条试验曲线来代表不同信号压差、不同阀后压力下的压差调节器输出压差特性。

图5 规范化后的输出特性曲线

3 试验曲线的处理方法

压差调节器的输出压差直接推动蒸汽调节阀运动，因此它的工作性能关系机组的调节特性，为今后可对机组的调节系统进行仿真计算，必须掌握调节关键部件压差调节器的输出特性。根据压差调节器的结构可知，如果从流体力学角度进行分析，必定无法准确掌握详细的流动细节，因此无法建立较为准确的方程来描述输出压差特性。

由前面的分析知，不同阀后压力下的输出压差与信号压差的关系曲线本质上是周期平移的，由图5还可见，规范化处理后的试验曲线十分一致，因此知道一条阀后压力下的输出特性试验曲线，就可掌握其余阀后压力下的输出特性。调节系统仿真中，可用一条试验曲线为基础，获得不同阀后压力下的输出特性，从而较为准确地模拟压差调节器的调节特性。

压差调节器输出特性试验曲线在调节系统仿真计算中可作如下步骤的处理：1）建立某个阀后压力下的输出压差与信号压差间的关系曲线，并利用式(7)得到一些列规范化后的ui值，试验数据记为(ΔPi,ui)，ΔPi表示ui对应的输出压差值；2）任意阀后压力及信号压差时，带入式(7)可得up，根据up在先前一些列ui值中的位置，可以插值获得up对应的输出压差ΔPp。

4 结论

对某型汽轮给水泵用于调节机组工况的压差调节器部件进行了输出压差特性的试验研究，获得了三个阀后压力下的输出压差特性曲线。同时根据压差调节器的工作原理，对试验曲线进行了分析，并将试验结果进行了计算对比。将试验曲线进行规范化处理后，可用一条试验曲线表征不同信号压差、不同阀后压力下的输出压差特性，有助于在仿真计算中直接应用试验曲线，从而更准确掌握机组的调节特性。

[1]维列尔 B H.汽轮机自动调节[M].北京:电力工业出版社,1980.

[2]倪 平,陆伟民,郭大泉,等.压差调节器静态特性试验研究[J]．机电设备,2007(12):45-57.

[3]梅里特 HE.液压控制系统[M].北京:科学出版社,1978.

[4]李特文-谢多依 M.自动工程系统中的液压传动[M].上海:上海科学技术出版社,1961.

Research on Characteristics of Output Pressure Difference of Differential Pressure Regulator

CAI Zuo-jun1,BAI Rong-teng2,LI Hong2,NI Ping1
(1.No.704 Research Institute,CSIC,Shanghai 200031,China; 2.Hangzhou Steam Turbine Co.,Ltd.,Hangzhou 310022,China)

The output pressure difference characteristics of differential pressure regulator of turbine driven feed pump is experimental studied.The relation of output pressure difference and signal pressure difference is obtained.The experimental curve is analyzed and the normalized method is set up.

turbine driven feed pump; differential pressure regulator; output pressure difference characteristics; normalized method

U664.113

A

蔡佐君（1982-），男，工程师，硕士，研究方向为汽轮机设计。