CN105445007A - 一种燃气轮机用气体燃料控制阀流量特性试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种燃气轮机用气体燃料控制阀流量特性试验系统及方法，试验系统包括连接在被试控制阀上的进气管路和出气管路，在进气管路上依次设置供气压力调节阀、温度测量装置Ⅰ和压力测量装置Ⅰ，供气压力调节阀端连接压缩空气管路，压力测量装置Ⅰ端连接被试控制阀进气口端；出气管路上一侧设置压力测量装置Ⅱ、流量计、温度测量装置Ⅱ和背压调节阀，压力测量装置Ⅱ端连接被试控制阀出气口端，背压调节阀靠近排气口端。本发明不仅解决了气体燃料流量控制阀流量特性试验方法，而且有效地解决了气体燃料流量控制阀流量特性精确标定的问题。本发明方法还可为气体燃料流量控制阀国产化科研过程提供测试、试验手段。

Description

一种燃气轮机用气体燃料控制阀流量特性试验系统及方法

技术领域

本发明属于燃机技术领域，特别是涉及一种燃气轮机用气体燃料控制阀流量特性试验系统及方法。适用被试阀门存在临界和亚临界两种工作状态以及采用调节被试阀门背压改变被试阀门工作状态，实现被试阀门流量特性精确标定的方法。

背景技术

目前，国内10MW以上功率等级的燃气轮机用气体燃料流量控制阀几乎全部采用进口产品，燃机成套企业采购阀门进厂后，又因该类试验所需气源的压力和流量都很大，且流量变化范围宽，使得流量难以精确计量，因而无法完成专门的流量特性标定试验，需要阀门装机后在机组上通过机组调试来摸索阀门的流量特性，风险比较大，而且成本也很高。

在实际应用时，由于燃气轮机气体燃料调节系统进口压力基本是恒定的，随着燃气轮机的启动直至额定状态，燃料流量控制阀通常有两种工作状态，一种是临界状态，另一种是亚临界状态。其中临界状态通常出现在燃气轮机的启动过程中，此时燃料的质量流量和体积流量都很小，而当燃机运行在额定状态时，燃料流量控制阀通常工作在亚临界状态，且燃料的质量流量和体积流量又都很大。通常燃气轮机从启动到额定负荷状态，燃料的质量流量变化范围小则数十倍，多则近百倍，而气体流量计精确计量的范围通常只有十几倍，于是给流量的精确调节和计量都带来很大困难。尤其是燃气轮机启动的初始阶段，燃料控制阀的开度很小，又工作在临界状态，很小的开度变化会引起很大的流量变化，其流量特性对燃气轮机的启动安全至关重要。因此，在这两种工作状态下阀门流量特性都必须进行准确的试验标定。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种燃气轮机用气体燃料控制阀流量特性试验系统及方法，即通过在流量计下游设置一个背压调节阀，调节试验压力，使流量计的体积流量保持在流量计最佳工作范围内，同时成倍数提高流量控制阀流量特性精确标定的流量范围。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种燃气轮机用气体燃料控制阀流量特性试验系统，包括连接在被试控制阀上的进气管路和出气管路，在进气管路上依次设置供气压力调节阀、温度测量装置Ⅰ和压力测量装置Ⅰ，供气压力调节阀端连接压缩空气管路，压力测量装置Ⅰ端连接被试控制阀进气口端；出气管路上一侧设置压力测量装置Ⅱ、流量计、温度测量装置Ⅱ和背压调节阀，压力测量装置Ⅱ端连接被试控制阀出气口端，背压调节阀靠近排气口端。

进一步地，所述出气管路的排气口端还设置有消音器。

一种所述的燃气轮机用气体燃料控制阀流量特性试验系统的试验方法，包括如下步骤：

(1)标定试验前，首先，完全关闭被试控制阀，完全打开供气压力调节阀和背压调节阀，使被试控制阀的进口压力为压缩空气的供气压力，出口直通大气；

(2)试验时，按0.5％～5％的步长，按0.5％递增，逐渐增加被试控制阀的开度，按预设的百分比开度特征点位置停留并记录被试控制阀的开度、进出口压力、温度以及流量数据；

(3)当流量计测得的体积流量达到满量程的10％～90％，最佳为50％～80％时，开始按0.5％～5％的步长，按0.5％递减，逐渐关小背压调节阀的开度，每关小一次停留3s以上，待各项参数稳定后继续关小，提高被试控制阀的出口压力，当流量计测得的体积流量开始下降时，再根据实际情况，按0.5％～5％的步长，按0.5％递增，逐渐增加试控制阀的开度，按事先设计的百分比开度特征点位置停留并记录被试控制阀的开度，进出口压力、温度以及流量等数据；

(4)通过调节供气压力调节阀的开度，模拟被试控制阀即燃料调节系统不同的供气压力，再进行第(2)和第(3)步试验，直至在背压调节阀完全打开的情况下，被试控制阀无法进入临界状态；

(5)整理试验数据，绘制被试控制阀的流量特性曲线，并给出质量流量计算公式Gm＝f(GCV,P1,P2,T1,T2，k)，式中GCV为燃料控制阀即被试控制阀的开度，P1,P2分别为被试控制阀前后的绝对压力，T1,T2分别为被试控制阀前后的介质温度，k为修正系数。

本发明的有益效果为：

本发明不仅解决了气体燃料流量控制阀流量特性试验方法，而且有效地解决了气体燃料流量控制阀流量特性精确标定的问题。本发明方法还可为气体燃料流量控制阀国产化科研过程提供测试、试验手段。本发明为相关设备设计研制以及试验方法提供了理论依据。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1.供气压力调节阀，2.温度测量装置Ⅰ，3.压力测量装置Ⅰ，4.被试流量控制阀，5.压力测量装置Ⅱ，6.体积流量计，7.温度测量装置Ⅱ，8.背压调节阀，9.消音器，10.排气口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

实施例1：如图1所示，本发明一种燃气轮机用气体燃料控制阀流量特性试验系统，包括连接在被试控制阀4上的进气管路和出气管路，在进气管路上依次设置供气压力调节阀1、温度测量装置Ⅰ2和压力测量装置Ⅰ3，供气压力调节阀1端连接压缩空气管路，压力测量装置Ⅰ3端连接被试控制阀4进气口端；出气管路上一侧设置压力测量装置Ⅱ5、流量计6、温度测量装置Ⅱ7和背压调节阀8，压力测量装置Ⅱ7端连接被试控制阀4出气口端，背压调节阀8靠近排气口10端。

所述出气管路的排气口10端还设置有消音器9。

众所周知，除了专门设计的质量流量计以外，几乎所有的流量计直接测量的都是介质的当时温度、压力下的体积流量。当介质为气体时，需根据理想气体状态方程和修正系数计算出ISO标准大气条件下的体积流量，该体积流量与ISO标准大气条件下密度的乘积便是介质的质量流量，即公式(1)。而气体燃料流量控制阀在使用时需要其调节的也正是介质的质量流量，根据质量流量与体积流量关系公式(1)，可知当质量流量给定时，体积流量与介质的密度成反比关系。

Gm＝ρ·Gv(1)

式中，Gm为介质质量流量

ρ为介质密度

Gv为介质的体积流量

在整个标定试验过程中，为了精确计量介质的体积流量，可令介质的体积流量保持在一定的范围内，并使该范围完全处于流量计的最佳测量范围内。比如，某流量计的最佳测量范围为500～5000m3/h(即量程比为10倍)，若令介质的密度变化1～5kg/m3，则质量流量的精确计量范围可达500～25000kg/h(即50倍)。

公式(2)为以质量描述的理想气体状态方程。

P·V＝m·r·T(2)

式中，P为理想气体的压力

V为理想气体的体积

T为理想气体的温度

m为理想气体质量

r为与气体分子量有关的常数，即r＝R/M，R为理想气体常数，M为气体的分子量

若以理想气体的密度来描述，则该方程变为公式(3)。

ρ＝P/T/r(3)

由公式(3)可知，气体的密度与压力成正比，与温度(K氏温度)成反比关系。对于空气或气体燃料，可认为都是理想气体，试验时可以用空气代替气体燃料作为试验介质，并通过调节流经流量计6的空气压力即可改变空气的密度，温度方面的影响可以通过测量气体的温度进行修正，使介质的体积流量始终保持在流量计6的高精度计量的范围内，便可以实现燃料流量控制阀即被试控制4流量特性精确标定。

本发明燃气轮机用气体燃料控制阀流量特性试验系统的试验方法，具体包括如下步骤：

(1)标定试验前，首先，完全关闭被试控制阀，完全打开供气压力调节阀和背压调节阀，使被试控制阀的进口压力为压缩空气的供气压力，出口直通大气；

(2)试验时，按0.5％～5％的步长，按0.5％递增，逐渐增加被试控制阀的开度，按预设的百分比开度(如5％、10％、15％、20％、30％、50％、75％等)特征点位置停留并记录被试控制阀的开度、进出口压力、温度以及流量数据；

(3)当流量计测得的体积流量达到满量程的10％～90％，最佳为50％～80％时，开始按0.5％～5％的步长，按0.5％递减，逐渐关小背压调节阀的开度，每关小一次停留3s以上，待各项参数稳定后继续关小，提高被试控制阀的出口压力，当流量计测得的体积流量开始下降时，再根据实际情况，按0.5％～5％的步长，按0.5％递增，逐渐增加试控制阀的开度，按预设的百分比开度特征点(如5％、10％、15％、20％、30％、50％、75％等)位置停留并记录被试控制阀的开度，进出口压力、温度以及流量等数据；

(4)通过调节供气压力调节阀1的开度，模拟被试控制阀4即燃料调节系统不同的供气压力，再进行第(2)和第(3)步试验，直至在背压调节阀8完全打开的情况下，被试控制阀无法进入临界状态；

(5)整理试验数据，绘制被试控制阀的流量特性曲线，并给出质量流量计算公式Gm＝f(GCV,P1,P2,T1,T2，k)，式中GCV为燃料控制阀即被试控制阀4的开度，P1,P2分别为被试控制阀4前后的绝对压力，T1,T2分别为被试控制阀前后的介质温度，k为修正系数。

其中：被试控制阀4为被试气体燃料控制阀；流量计6用于实时计量被试控制阀4出口的体积流量，本发明要求流量计6必须置于被试控制阀4的下游；供气压力调节阀1用于调节被试阀门4进口的气体压力，背压调节阀8用于调节流量计6的工作压。

Claims (3)

1.一种燃气轮机用气体燃料控制阀流量特性试验系统，其特征在于：包括连接在被试控制阀上的进气管路和出气管路，在进气管路上依次设置供气压力调节阀、温度测量装置Ⅰ和压力测量装置Ⅰ，供气压力调节阀端连接压缩空气管路，压力测量装置Ⅰ端连接被试控制阀进气口端；出气管路上一侧设置压力测量装置Ⅱ、流量计、温度测量装置Ⅱ和背压调节阀，压力测量装置Ⅱ端连接被试控制阀出气口端，背压调节阀靠近排气口端。

2.根据权利要求1所述燃气轮机用气体燃料控制阀流量特性试验系统，其特征在于：所述出气管路的排气口端还设置有消音器。

3.采用如权利要求1所述的燃气轮机用气体燃料控制阀流量特性试验系统的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)标定试验前，首先，完全关闭被试控制阀，完全打开供气压力调节阀和背压调节阀，使被试控制阀的进口压力为压缩空气的供气压力，出口直通大气；

(2)试验时，按0.5％～5％的步长，按0.5％递增，逐渐增加被试控制阀的开度，按预设的百分比开度特征点位置停留并记录被试控制阀的开度、进出口压力、温度以及流量数据；

(3)当流量计测得的体积流量达到满量程的10％～90％，最佳为50％～80％时，开始按0.5％～5％的步长，按0.5％递减，逐渐关小背压调节阀的开度，每关小一次停留3s以上，待各项参数稳定后继续关小，提高被试控制阀的出口压力，当流量计测得的体积流量开始下降时，再根据实际情况，按0.5％～5％的步长，按0.5％递增，逐渐增加试控制阀的开度，按事先设计的百分比开度特征点位置停留并记录被试控制阀的开度，进出口压力、温度以及流量等数据；

(4)通过调节供气压力调节阀的开度，模拟被试控制阀即燃料调节系统不同的供气压力，再进行第(2)和第(3)步试验，直至在背压调节阀完全打开的情况下，被试控制阀无法进入临界状态；

(5)整理试验数据，绘制被试控制阀的流量特性曲线，并给出质量流量计算公式Gm＝f(GCV,P1,P2,T1,T2，k)，式中GCV为燃料控制阀即被试控制阀的开度，P1,P2分别为被试控制阀前后的绝对压力，T1,T2分别为被试控制阀前后的介质温度，k为修正系数。