(浙江工業(yè)大學 信息工程學院，浙江 杭州 310023)

調(diào)節(jié)閥是工業(yè)現(xiàn)場常見的設備，廣泛應用于化工、電力、造紙、核電和石油等領域[1]，由于常年和生產(chǎn)介質(zhì)接觸，且工作在高溫高壓、強腐蝕等惡劣環(huán)境中，經(jīng)常會出現(xiàn)各種異常和故障，其中外漏就是較為常見的一種故障[2]。調(diào)節(jié)閥外漏會造成原材料浪費、環(huán)境污染甚至工作人員傷亡等，從而給工業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟損失[3-4]。人工巡檢很容易發(fā)現(xiàn)外漏故障的發(fā)生，但是工業(yè)控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)故障的自動診斷。目前對管道泄漏的檢測方法多種多樣，比較常用的有人工巡檢或利用可攜帶儀器直接對泄漏作出響應[5]；通過管道中聲波、壓力波、渦流、流量等物理參數(shù)和物質(zhì)平衡關系進行檢漏[6]。所用技術包括常規(guī)的紋影成像技術檢測法、應力波檢測技術、流量或質(zhì)量平衡法、統(tǒng)計檢漏法、動態(tài)模型分析法，以及負壓波檢漏、漏磁檢漏和基于管內(nèi)聲波的檢漏等新型技術[7-10]。調(diào)節(jié)閥外漏主要是由閥體法蘭漏泄、填料函泄漏和閥蓋處泄漏造成的[11]，與管道泄漏形式有很大的不同，其特征在于外漏漏點不確定，泄漏不屬于突發(fā)式，以及泄漏量大小不確定。上述方法往往需要專門的診斷設備，而調(diào)節(jié)閥一般工作環(huán)境復雜危險，安全要求嚴苛，使得這些方法難以應用到調(diào)節(jié)閥外漏故障診斷中。

為實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥外漏故障診斷，筆者提出一種基于調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的特征參數(shù)診斷方法。對于大部分調(diào)節(jié)閥，流量系數(shù)都是必要參數(shù)，表征調(diào)節(jié)閥容量大小、流路結構、流量形式、調(diào)節(jié)閥類型等綜合因素對流通能力的影響。影響流量系數(shù)的因素主要有：1) 流體類型；2) 調(diào)節(jié)閥類型；3) 流體工作狀態(tài)(包括工作溫度、工作壓力、流體成分、兩端壓降等)； 4) 所需控制或節(jié)流的流量大小[12]。當調(diào)節(jié)閥發(fā)生外漏時，流體類型及調(diào)節(jié)閥類型始終不會發(fā)生變化，而調(diào)節(jié)閥前后壓差和通過調(diào)節(jié)閥的流量必然會發(fā)生變化，最終導致流量系數(shù)變化。針對上述情況，筆者搭建了一個流量試驗臺架仿真模型，通過仿真分析，最終獲得了調(diào)節(jié)閥外漏時流量系數(shù)的變化規(guī)律。

1 流量試驗臺架仿真模型

1.1 流量試驗臺架

圖1為所搭建仿真模型的實際流量試驗臺架示意圖，其中流體管路主要由多級離心泵、泄壓閥、截止閥1、截止閥2、待測調(diào)節(jié)閥和水池等組成。流體經(jīng)水泵抽出，一部分由泄壓管路回到水池，另一部分進入測試管路，截止閥1和2分別控制待測閥閥前和閥后壓力。圖1不包含管路信號檢測部分。

圖1 流量試驗臺架示意圖Fig.1 Flow test bench diagram

1.2 仿真模型搭建

對流量試驗臺架建模，主要考慮多級離心泵以及管路中多個調(diào)節(jié)閥的模型搭建。

根據(jù)泵的實際性能曲線，泵在額定轉速n0下，揚程H0與流量Q0的關系可由一元二次多項式表示[13]為

(1)

式中：K1，K2，K3由泵在出廠額定轉速下性能曲線擬合得到，可由三組廠家提供的泵的工作參數(shù)確定。根據(jù)泵的相似定律，在任意轉速n下泵的流量QP和揚程H可以表示為

(2)

(3)

將式(2，3)代入式(1)中得到多級離心泵的數(shù)學模型為

(4)

待測調(diào)節(jié)閥的數(shù)學模型[12]為

(5)

式中：Q為待測調(diào)節(jié)閥流量；KV為待測調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)；ΔP為調(diào)節(jié)閥前后壓差；ρ為介質(zhì)密度。

通過待測調(diào)節(jié)閥的數(shù)學模型可知：由流量系數(shù)和調(diào)節(jié)閥壓差可得出流過待測調(diào)節(jié)閥的流量，同樣，給定流量系數(shù)和流量，可得到調(diào)節(jié)閥壓差。

對于流量試驗臺架中的泄壓閥和截止閥1，2，采用和待測調(diào)節(jié)閥相似的模型搭建方法。

分析整個試驗臺架，泵的輸出流量QP=Q1+Q3，輸出壓力P0和泄壓閥、截止閥1的閥前壓力相等。即P0=P3=P7。流經(jīng)截止閥1的流量與裝有待測調(diào)節(jié)閥管路的流量相同，即

(6)

式中：KV3為截止閥1的流量系數(shù)；P3為截止閥1的閥前壓力；P4為截止閥1的閥后壓力。

泄壓閥流量為

(7)

式中：KV4為泄壓閥的流量系數(shù)；P7為泄壓閥的閥前壓力；P8為泄壓閥的閥后壓力，因為泄壓閥直接將流體排放到大氣中，故P8為一個大氣壓。

待測調(diào)節(jié)閥流量為

(8)

式中：KV為待測調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)；P1為待測調(diào)節(jié)閥閥前壓力；P2為閥后壓力，由示意圖可知待測調(diào)節(jié)閥閥前與截止閥1相連，閥后與截止閥2相連，即有P1=P4，P2=P5。

截止閥2流量為

(9)

式中：KV5為截止閥2的流量系數(shù)；P5為截止閥2的閥前壓力；P6為截止閥2的閥后壓力，因為截止閥2的閥后直接與大氣連通，故P6也為一個大氣壓。

將式(6～9)聯(lián)立，得到圖2所示流量試驗臺架仿真模型。

圖2 流量試驗臺架仿真模型Fig.2 Flow test bench simulation model

1.3 仿真模型驗證

首先確定模型的參數(shù)，其中多級離心泵的工作點參數(shù)根據(jù)流量試驗臺架所使用泵的型號得到，待測調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)曲線、閥前截止閥1、閥后截止閥2和泄壓閥的流量系數(shù)根據(jù)實際流量試驗臺架運行數(shù)據(jù)得出。

對比仿真結果與實際臺架運行數(shù)據(jù)，由圖3，4中的曲線可知：仿真試驗曲線和真實臺架試驗曲線基本吻合，綜合來看，模型的仿真數(shù)據(jù)能較好地模擬實際工作值，該模型可用于后續(xù)的研究工作。

圖3 壓差對比曲線圖Fig.3 Pressure difference comparison curve

圖4 流量對比曲線圖Fig.4 Flow comparison curve

2 調(diào)節(jié)閥外漏仿真分析

2.1 流量系數(shù)的計算

國際電工委員會(IEC)推薦的流量系數(shù)計算方法為

(10)

(11)

式(10，11)為沒有附加管件的非阻塞流條件下不可壓縮流體調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)計算公式[14]，本研究也是在滿足此條件下進行，因此，式(11)為本文流量系數(shù)的計算公式。

2.2 仿真分析

如前面章節(jié)介紹，調(diào)節(jié)閥外漏主要由閥體法蘭泄漏、填料函泄漏、閥蓋處泄漏造成。本次仿真將調(diào)節(jié)閥外漏分為閥體前法蘭外漏、閥體后法蘭外漏和閥體(填料函、閥蓋處)外漏三類進行分析研究。

2.2.1 閥體前法蘭外漏

為實現(xiàn)閥體前法蘭外漏故障的仿真，給上述的流量試驗臺架模型引入外漏故障。圖5為模擬外漏的臺架示意圖，其中外漏流量Q4滿足關系Q=Q4+Q2，外漏球閥閥前壓力P9等于待測閥閥前壓力P1，閥后壓力P10為一個大氣壓力。采用前文1.2節(jié)的建模方法將此外漏故障模型引入到流量試驗臺架仿真模型中。

圖5 模擬外漏臺架結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of the simulation of the external leakage gantry

分別運行待測調(diào)節(jié)閥正常工作時和閥體前法蘭外漏時的仿真模型，將在正常工作模型中提取的待測試閥流量系數(shù)作為特征參數(shù)，記作KV0；在外漏故障模型特征參數(shù)的提取中，把通過閥前流量計FT1測得的流量Q1計算出的流量系數(shù)記作KV1，通過閥后流量計FT2測得的流量Q2計算出的流量系數(shù)記作KV2。最終得到待測調(diào)節(jié)閥正常工作時和發(fā)生閥體前法蘭外漏故障時的流量系數(shù)對比圖，如圖6，7所示。其中橫軸為待測調(diào)節(jié)閥開度，實線為正常流量系數(shù)曲線，不同的虛線表示不同外漏強度下得到的流量系數(shù)曲線。從圖7中可以看出：當有閥體前法蘭外漏發(fā)生時，待測調(diào)節(jié)閥在每個開度下的KV1值都大于KV0值，外漏故障強度越大，KV1曲線與KV0曲線偏離越大。不同的是，由圖6可以看出：KV2曲線與KV0曲線相比并無明顯變化。

圖6 閥體前法蘭外漏KV2與KV0曲線對比圖Fig.6 Valve body front flange leakage KV2 and KV0 curve comparison chart

圖7 閥體前法蘭外漏KV1與KV0曲線對比圖Fig.7 Valve body front flange leakage KV1 and KV0 curve comparison chart

2.2.2 閥體后法蘭外漏

與閥體前法蘭外漏仿真分析方法相似，圖8，9為待測調(diào)節(jié)閥正常工作時和發(fā)生閥體后法蘭外漏故障時的流量系數(shù)對比圖。從圖9可知：當有閥體后法蘭外漏發(fā)生時，待測調(diào)節(jié)閥在每個開度下的KV2值都小于KV0值，圖中閥體后法蘭外漏時KV2曲線整體處于KV0曲線的下方，且隨著待測調(diào)節(jié)閥的開度增大向下偏移的量增大。同時，外漏故障強度越大KV2曲線與KV0曲線偏離值越大。而從圖8可以看出：KV1曲線與KV0曲線相比并無明顯變化。

圖8 閥體后法蘭外漏KV1與KV0曲線對比圖Fig.8 Valve body rear flange leakage KV1 and KV0 curve comparison chart

圖9 閥體后法蘭外漏KV2與KV0曲線對比圖Fig.9 Valve body rear flange leakage KV2 and KV0 curve comparison chart

2.2.3 閥體外漏

對閥體外漏故障的模擬，采用與上述兩種外漏形式不同的模擬方法。如圖10所示，將待測閥等效為待測閥1和待測閥2，在待測調(diào)節(jié)閥1和待測調(diào)節(jié)閥2之間引入外漏閥模塊，實現(xiàn)閥體外漏故障的模擬。其中，外漏球閥閥前壓力P9、待測閥2閥前壓力P21與待測閥1的閥后壓力P12相等，閥前流量Q1、閥后流量Q2與外漏流量Q4滿足關系Q=Q4+Q2。基于上述關系對已經(jīng)建立的流量試驗臺架模型進行修改，并引入外漏故障模塊。

圖10 模擬閥體外漏仿真臺架結構示意圖Fig.10 Schematic diagram of the simulated valve external leakage simulation bench structure

分別運行等效后的正常模型(待測調(diào)節(jié)閥等效分成兩個調(diào)節(jié)閥，沒有外漏模塊引入)和發(fā)生閥體外漏的模型。圖11，12為待測調(diào)節(jié)閥正常工作時和發(fā)生閥體外漏故障時的流量系數(shù)對比圖。從圖11中可以看出：在閥體外漏時，KV1曲線處于KV0曲線的上方，且偏移量隨著外漏故障強度的增大而增大；在圖12中，KV2曲線處于KV0曲線的下方，同樣的，偏移量隨著外漏故障強度的增大而增大。

圖11 閥體外漏KV1與KV0曲線對比圖Fig.11 Valve external leakage KV1 and KV0 curve comparison chart

圖12 閥體外漏KV2與KV0曲線對比圖Fig.12 Valve external leakage KV2 and KV0 curve comparison chart

2.3 仿真分析總結

通過對調(diào)節(jié)閥三種外漏故障類型的仿真分析，獲得了不同外漏類型相較于正常工作時流量系數(shù)的變化情況。如表1所示，閥體前法蘭外漏時，與正常運行時流量系數(shù)KV0曲線相比，閥前流量系數(shù)KV1曲線向上偏移，閥后流量系數(shù)KV2曲線基本重合；閥體后法蘭外漏時，與正常運行時流量系數(shù)KV0曲線相比，閥前流量系數(shù)KV1曲線基本重合，閥后流量系數(shù)KV2曲線向下偏移，且偏移量隨著調(diào)節(jié)閥開度增大逐漸增大；閥體外漏時，與正常運行時流量系數(shù)KV0曲線相比，閥前流量系數(shù)KV1曲線向上偏移，閥后流量系數(shù)KV2曲線向下偏移，且偏移量隨著調(diào)節(jié)閥開度增大逐漸增大。

表1 三種外漏類型與正常工作時流量系數(shù)的對比Table 1 The comparison of three types of external leakage and normal working flow coefficient

3 實際流量試驗臺架驗證

3.1 試驗平臺與試驗方案

流量試驗臺架如圖1。在實際流量臺架中，流量計安裝在待測調(diào)節(jié)閥后，故試驗只能驗證調(diào)節(jié)閥前法蘭和后法蘭外漏時流量系數(shù)KV2的變化情況。試驗段結構如圖13所示，待測調(diào)節(jié)閥為公稱通徑50 mm，額定行程25 mm，氣開型的薄膜氣動閥。具體試驗方案：保持待測調(diào)節(jié)閥在某個開度不變，關閉外漏軟管小球閥，此時待測調(diào)節(jié)閥為正常運行狀態(tài)；保持當前狀態(tài)一段時間，打開外漏小球閥到某個開度，運行一段時間后，小球閥完全打開，此時外漏強度最大；改變待測調(diào)節(jié)閥開度，重復以上的過程[15]。

1—待測調(diào)節(jié)閥；2—待測調(diào)節(jié)閥閥前測壓點；3—待測調(diào)節(jié)閥閥后測壓點；4—閥后外漏點；5—閥前外漏點；6—外漏小球閥。圖13 外漏試驗段結構圖Fig.13 External leakage test section structure diagram

3.2 試驗結果分析

試驗測試的待測調(diào)節(jié)閥開度有：10%，30%，50%，70%，90%。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)提取相應開度下的流量系數(shù)，繪制出待測調(diào)節(jié)閥正常運行時與發(fā)生閥體前法蘭外漏和閥體后法蘭外漏時的流量系數(shù)對比曲線圖。圖14，15分別為閥體后法蘭外漏KV2與KV0曲線對比圖和閥體前法蘭外漏KV2與KV0曲線對比圖。

圖14 閥體后法蘭外漏KV2與KV0曲線對比圖Fig.14 Valve body rear flange leakage KV2 and KV0 curve comparison chart

圖15 閥體前法蘭外漏KV2與KV0曲線對比圖Fig.15 Valve body front flange leakage KV2 and KV0 curve comparison chart

從圖14，15中可以看出：發(fā)生閥體后法蘭外漏時，流量系數(shù)KV2曲線整體處于待測調(diào)節(jié)閥正常工作時流量系數(shù)KV0曲線的下方，且隨著待測調(diào)節(jié)閥的開度增大向下偏移的量增大，同時，外漏故障強度越大KV2曲線與正常時的流量系數(shù)曲線偏離越嚴重；而發(fā)生閥體前法蘭外漏時，KV2曲線與正常運行時的流量系數(shù)曲線相比并無明顯變化。試驗結果與仿真模型得出的結果一致，關于調(diào)節(jié)閥外漏時流量系數(shù)的部分變化規(guī)律得到了初步驗證。

3.3 討論分析

筆者通過臺架仿真與試驗研究，驗證了一種調(diào)節(jié)閥外漏故障診斷方法，該法所用檢測信號為工業(yè)現(xiàn)場常用信號(流量、壓力、待測閥閥位等)，信號之間的關系主要與調(diào)節(jié)閥相關，在實際生產(chǎn)中這種關系依然存在，因此將試驗臺架中的結果應用于實際工業(yè)中是可行的；考慮到生產(chǎn)現(xiàn)場中情況復雜多變，流量、壓差等信號會出現(xiàn)無故障性異常波動，導致流量系數(shù)變化而產(chǎn)生誤判，所以筆者方法在實際應用時，單純依靠一個或幾個點的數(shù)據(jù)作出診斷并不嚴謹，一般通過多個點的數(shù)據(jù)或者流量系數(shù)曲線變化趨勢作出的判斷是準確的；筆者方法所需信號一般通過安裝在現(xiàn)場的壓力、流量和閥位變送器獲得，在確定壓力、流量和閥位變送器正常工作的情況下，筆者方法的診斷結果是可信的。

4 結 論

通過仿真與試驗分析，得到了調(diào)節(jié)閥在閥體前法蘭外漏、閥體后法蘭外漏和閥體外漏時流量系數(shù)與正常時對比的變化情況，并總結出了變化規(guī)律。規(guī)律表明：針對不同的調(diào)節(jié)閥外漏類型，調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與正常運行時相比會有明顯的變化。本研究為調(diào)節(jié)閥外漏故障診斷提供了一種思路和理論依據(jù)，與現(xiàn)有方法相比，筆者方法無需專門的設備，利用現(xiàn)有的工藝系統(tǒng)數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)故障診斷，并能對運行中的設備進行實時監(jiān)測，具有較好的便利性和適用性，可以將筆者方法應用到調(diào)節(jié)閥自動診斷系統(tǒng)中。