CN108168859A - 调节阀汽蚀诊断装置 - Google Patents
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Abstract
调节阀汽蚀诊断装置，包括：上游侧压力检测装置，下游侧压力检测装置，流体流量检测装置，流体温度检测装置，开度检测装置，诊断系数计算装置，存储装置，判断装置。根据检测到的上游侧流体压力、下游侧流体压力和流体流量计算诊断系数，根据当前开度下计算的诊断系数和调节阀压差，与对应开度正常情况下的诊断系数和调节阀压差阈值进行比较，判断是否发生汽蚀。通过实时检测所述调节阀上下游侧压力和流过所述调节阀流体流量，并采集所述调节阀的开度与流体温度，能够实现调节阀汽蚀的实时在线检测与诊断。
Description
技术领域
本发明涉及调节阀汽蚀诊断装置。
背景技术
调节阀作为过程控制系统中的重要执行部件，它的安全稳定可靠的运行是我们重点关注的问题。其中，汽蚀是调节阀内一种常见的现象。
汽蚀分为两个过程，分别是闪蒸和空化：闪蒸是不可压缩流体流经调节阀时，从缩流断面直至阀出口的静压降低到等于或低于该流体在阀入口温度下的饱和蒸气压时，部分液体汽化使阀后形成汽液两相的现象。
空化为不可压缩流体流经调节阀时，从缩流断面直至阀出口的静压降低到等于或低于该流体在阀入口温度下的饱和蒸气压时，部分液体汽化成气泡，继而静压又恢复到该饱和蒸气压时，气泡爆裂恢复为液相的现象。这种气泡产生和破裂的全过程成为空化。空化作用对材料的侵蚀称为汽蚀。
汽蚀对阀芯产生严重的冲刷破坏，冲刷发生在流速最大处，通常在阀芯和阀座环接触线或附近。由于气泡破裂，释放能量，它会对阀造成噪声损害，发出类似流沙流过阀门的爆裂声，而且释放的能量冲刷阀芯表面，并波及下游管道。它不仅可以影响阀门的特性曲线，而且将导致严重的噪声、振动、爆破冲刷和调节阀内部件的破坏等。在这种情况下，调节阀的使用寿命缩短，工作可靠型下降，进而引起工艺系统和装置生产率的大幅下降。因此在实际工况中，不可避免的要考虑到汽蚀的影响并且力求避免。
目前国内对于汽蚀的检测与诊断没有更多的研究，而在很多工况条件下需要有汽蚀评估以及调节阀在运行过程中需要实时在线的检测是否有汽蚀产生。
发明内容
本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种调节阀汽蚀诊断装置以及汽蚀诊断方法，实现对调节阀实时在线的汽蚀检测与诊断。
本发明的调节阀汽蚀诊断装置包括与调节阀1连接用于检测调节阀开度的阀位反馈装置2，其特征在于：阀位反馈装置2的输出端连接判断装置9；调节阀1的管路上游侧安装有调节阀上游侧压力检测装置5、流体流量检测装置4和流体温度检测装置3，调节阀的管路下游侧安装有调节阀下游侧压力检测装置6；流体温度检测装置3的输出端与判断装置9连接，流体流量检测装置4的输出端、调节阀上游侧压力检测装置5的输出端、调节阀下游侧压力检测装置6的输出端均连接诊断系数计算装置7；诊断系数计算装置7从调节阀上游侧压力检测装置5检测的上游侧流体压力P1、调节阀下游侧压力检测装置6检测的下游侧流体压力P2和流体流量检测装置4检测的流体流量Q计算汽蚀诊断系数；
存储装置8保存正常运行情况下调节阀对应开度的诊断系数以及对应调节阀开度和温度下调节阀前后压差ΔP的阈值。
诊断系数计算装置7的输出端、存储装置8的输出端都连接判断装置9；判断装置9根据所述存储装置8中预先存储的调节阀正常运行情况下对应开度的诊断系数作为阈值，并将由所述诊断系数计算装置7计算的诊断系数与所述对应开度下诊断系数阈值进行比较，若超出阈值，进行下一步判断，根据当前调节阀开度和流体温度，可以获取调节阀前后压力差阈值，并与当前检测计算出的调节阀前后压力差值进行比较，若同样超出阈值，则判断调节阀有汽蚀发生。
判断装置9的输出端连接输出装置10用于输出诊断结果。
本发明通过上述检测装置检测得到流过调节阀的上流侧流体压力P1、流过调节阀的下流侧流体压力P2和流过调节阀的流体流量Q；根据检测到的调节阀上游侧流体压力P1、下游侧流体压力P2和流过调节阀的流体流量Q计算诊断系数。由当前的调节阀开度，得到当前条件的正常运行情况下的诊断系数作为阈值，并与当前运行条件计算的诊断系数进行比较，若没有超出阈值，判定为没有汽蚀发生；若超出阈值，进行下一步判断，根据当前调节阀开度和流体温度，可以获取调节阀前后压力差阈值，并与当前检测计算出的调节阀前后压力差值进行比较，若同样超出阈值，则判断调节阀有汽蚀发生。
优选地，本发明所述的调节阀1为控制系统中带有阀位反馈装置2的流体节流设备。
本发明所述的判断调节阀发生汽蚀的条件为：运行条件下的诊断系数超出当前开度下正常运行时的诊断系数，并且在前一个条件满足的情况下，调节阀前后压力差值超出对应开度和流体温度下的调节阀前后压力差阈值。两个条件同时成立，判定调节阀产生汽蚀。
本发明所述的调节阀汽蚀诊断装置和诊断方法不仅用于调节阀的在线诊断。同样可以用于试验阶段调节阀的汽蚀评估。
本发明的调节阀汽蚀诊断方法步骤为：
上游流体压力检测步骤，检测流过调节阀的上流侧流体压力P1。
下游流体压力检测步骤，检测流过调节阀的下流侧流体压力P2。
流体流量检测步骤，检测流过调节阀的流体流量Q。
诊断系数计算步骤，根据检测到的调节阀上游侧流体压力P1、下游侧流体压力P2和流过调节阀的流体流量Q计算诊断系数。
调节阀开度检测步骤，检测调节阀当前开度，并传给判断装置。
流体温度检测步骤，检测流体温度，并传给判断装置。
判断步骤，判断装置根据当前的调节阀开度，从存储装置获取到对应开度下的诊断系数阈值，并与当前通过诊断系数计算装置计算的诊断系数进行比较，若超出阈值，判断装置则根据当前调节阀开度和流体温度，从存储装置获取调节阀前后压力差阈值，并与当前检测计算出的调节阀前后压力差值进行比较，若同样超出阈值，则判断调节阀有汽蚀发生。
判断装置的判断步骤严格按照以上所述步骤进行，其中，若有一个或全部判断步骤都没有超出阈值，则判定调节阀没有发生汽蚀。
本发明的诊断原理是：在通过调节阀的流体处于紊流状态时，调节阀在每个开度下的流阻系数为一定值，它的大小与调节阀内部的结构有关。从上述的汽蚀产生的现象来看，当汽蚀出现时，流体为水和气的两相混合物，从而导致水的相对质量会降低，而水的相对流速也会相应的降低，有流阻系数的计算公式可知，在相同的压差下，水的流速降低，导致流阻系数升高。这里我们采用流阻系数作为诊断汽蚀的诊断系数。但是，仅仅使用诊断系数可能会发生误判，由汽蚀产生的条件可知，产生汽蚀时调节阀前后的压力差处于一个较大的值，具体的阈值与流体温度和调节阀开度有关，因此，需要调节阀前后压力值作为判断调节阀是否产生汽蚀的第二判断条件。
本发明的优点是：通过实时检测所述调节阀上下游侧压力和流过所述调节阀流体流量，并采集所述调节阀的开度与流体温度，能够实现调节阀汽蚀的实时在线检测与诊断。
附图说明
图1为本发明的工作原理图。
图2为本发明检测的调节阀的阀体结构示意图。
图3为本发明所述汽蚀现象产生的压力变化示意图。
图4为本发明的诊断流程图。
图5为本发明的汽蚀诊断系数与流速的关系图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明做进一步说明。
附图中符号说明：1.调节阀，2.阀位反馈装置，3.流体温度检测器，4.流体流量检测器，5.上游侧流体压力检测器，6.下游侧流体压力检测器，7.诊断系数计算装置，8.存储装置，9.判断装置，10.输出装置，11.阀杆，12.上盖板，13.填料，14.上阀盖，15.阀芯，16.阀座，17.阀体。
图1是本发明的工作原理图。根据本实施方式的调节阀汽蚀诊断装置，调节阀1上游侧压力检测装置5，用于检测流体流过调节阀的上游侧压力P1，并传到诊断系数计算装置7。调节阀1下游侧压力检测装置6，用于检测流体流过调节阀的下游侧压力P2，并传到诊断系数计算装置7。流体流量检测装置4，用于检测流过调节阀流体的流量Q，并传到诊断系数计算装置7。
流体温度检测装置3，用于检测流过调节阀1流体的温度，并传给判断装置9。开度检测装置2，用于检测调节阀1的当前开度，并传给判断装置9。
诊断系数计算装置7，用于从调节阀1上游侧压力检测装置5检测的上游侧流体压力P1、调节阀1下游侧压力检测装置6检测的下游侧流体压力P2和流体流量检测装置4检测的流体流量Q计算汽蚀诊断系数；
存储装置8，用于保存正常运行情况下调节阀1对应开度的诊断系数以及对应调节阀1开度和温度下调节阀1前后压差ΔP的阈值，并于判断装置9相连接。
判断装置9，用于根据所述存储装置8中预先存储的调节阀1正常运行情况下对应开度的诊断系数作为阈值，并将由所述诊断系数计算装置7计算的诊断系数与所述对应开度下诊断系数阈值进行比较，以判断所述调节阀1是否发生汽蚀。
输出装置10，用于输出诊断结果。
本发明所述的调节阀1为控制系统中带有阀位反馈装置2的流体节流设备。
本发明所述调节阀1阀体结构如图2所示，在阀芯15和阀座16之间形成了一个缩流断面，从图3的示意图也可以看出，从缩流断面直至阀出口的静压P2降低到等于或低于该流体在阀入口温度下的饱和蒸气压Pvc时，部分液体汽化使阀后形成汽液两相的现象叫做闪蒸，从缩流断面直至阀出口的静压P2降低到等于或低于该流体在阀入口温度下的饱和蒸气压Pvc时，部分液体汽化成气泡，继而静压P2又恢复到该饱和蒸气压Pvc之上时，气泡爆裂恢复为液相的现象叫做空化，空化作用对材料的侵蚀称为汽蚀。
在本发明的调节阀汽蚀诊断装置一个结构例中，诊断系数计算装置通过2ΔP/ρu2计算诊断系数，其中ΔP为调节阀前后压力差，通过P1-P2计算得到，ρ为流体密度，u为流体在管道内的平均速度，通过公式计算得到，d为一特征长度。流体流过圆形管道，d为管道的当量直径。
在本发明的调节阀汽蚀诊断装置的另一个一个结构例中，诊断系数计算装置计算诊断系数时使用的上述上游侧流体压力P1、下游侧流体压力P2和流体流量Q为相应开度下一定时间内的平均值。
存储装置预先存储调节阀在正常工作条件下的每一个开度下诊断系数以及对应开度与温度下的调节阀前后压力差的阈值。
判断装置首先与通过诊断系数计算装置计算的诊断系数和在当前开度下的诊断系数阈值进行比较，若超出阈值，则进行下一步判断，用超出诊断系数阈值时的调节阀前后压力差值与对应开度和流体温度下的调节阀前后压力差阈值进行比较。
判断调节阀发生汽蚀的条件为：运行条件下的诊断系数超出当前开度下正常运行时的诊断系数，并且在此条件满足的情况下，调节阀前后压力差值超出对应开度和流体温度下的调节阀前后压力差阈值。两个条件同时成立，判定调节阀产生汽蚀。
接下来，将参考图4描述本发明的调节阀汽蚀诊断装置的诊断步骤：
步骤S1，调节阀1上游侧压力检测装置5，检测流体流过调节阀的上游侧压力P1。
步骤S2，调节阀1下游侧压力检测装置6，检测流体流过调节阀的下游侧压力P2。
步骤S3，流体流量检测装置4，检测流过调节阀流体的流量Q。
步骤S4，诊断系数计算装置7根据上游侧流体压力P1、下游侧流体压力P2和流体流量Q在某个调节阀1开度下一段时间内计算的平均值。
步骤S5，利用公式2ΔP/ρu2计算汽蚀诊断系数，其中，ΔP由公式P1-P2得到，ρ为流体密度，u为流体在管道内的平均速度。
步骤S6，开度检测装置2检测调节阀1的当前开度，并传给判断装置9。
步骤S7，判断装置9根据调节阀1当前开度从存储装置8获取正常情况下调节阀1对应开度的诊断系数。根据所述存储装置8中预先存储的调节阀1对应开度下的正常运行情况下的诊断系数作为阈值。
步骤S8，将由所述诊断系数计算装置7计算的诊断系数与所述调节阀1对应开度正常运行情况下的诊断系数进行比较，若诊断系数计算装置7计算的诊断系数没有大于阈值，则判定输出为假，返回进行下一轮检测。超出阈值，则进行下一步判断。
步骤S9，流体温度检测装置3检测流过调节阀1流体的温度，并传给判断装置9。
步骤S10，判断装置9获取当前的流体温度，并将所述存储装置8中预先存储的调节阀1对应开度和流体温度下的调节阀1前后的压力差值作为阈值。
步骤S11，判断装置9用超出诊断系数阈值时的调节阀前后压力差值与所述存储装置8中获取的阈值进行比较，若没有超出阈值，则输出为假，返回进行下一轮检测。超出阈值，则输出为真。
步骤S12，步骤S11输出为真，则判定为当前运行条件下所述调节阀发生汽蚀。
步骤S13，输出装置10输出诊断结果，结束整个诊断过程。
以上所有的步骤S1至S13在预订的时间序列下执行，直到诊断装置的操作完成。
应该注意到，步骤S4的求取某一时间段内的平均值是比不可少的过程。在实际运行过程中，管道中的压力和流量会有小幅度的波动现象，诊断系数每次计算会有不同的结果。因此，为了防止诊断结果由于管道中的压力波动和流量波动的干扰的影响而变得不稳定，步骤S4的求取平均值显得十分重要。
参考图5，本图为汽蚀诊断系数与管道流速的关系，三条不同的线分别代表不同的调节阀开度。从中明显可以看出，通过调节阀的流体处于紊流状态时，调节阀在每个开度下的诊断系数为一定值，此时调节阀压差(在开度不变的情况下，调节阀压差增大，流量增大，此时流速也相应增大)在阈值之内，当压差超过某个开度下的阈值时，诊断系数有比较明显的增大趋势，可判断调节阀内有汽蚀发生。通过这样一个明显的特征，实现对调节阀汽蚀的诊断。
应当注意，从图5中不难看出，当通过调节阀的流体处于较低流速(调节阀压差较小)时，汽蚀诊断系数也会有明显增大的趋势，但此时，调节阀压差值在一个较低水平，并不会产生汽蚀现象，因此，在上述的汽蚀诊断装置的诊断流程中，步骤S11比较调节阀压差是否超过阈值为判断是否发生汽蚀必不可少的一步，只有当步骤S8判断汽蚀诊断系数超过阈值和步骤S11判断调节阀压差值超过阈值同时满足才可判定为调节阀发生阈值。
特别说明，上述的实施方式为在线的调节阀汽蚀诊断装置和诊断方法，实现了对运行中的调节阀在线诊断。由图5可以知道，本实施方式同样可以用于试验阶段调节阀的汽蚀评估，在调节阀开度不变的情况下，作出如图5所示的关系图，可以方便的得出调节阀产生汽蚀的条件。
同样的，本发明所述的调节阀汽蚀诊断装置的汽蚀判定方法也不仅局限于本实施方式的判定方法，采用作图的方法，显示出如图5所示的关系图也能实现调节阀汽蚀的判定。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (4)
1.调节阀汽蚀诊断装置，包括与调节阀(1)连接用于检测调节阀开度的阀位反馈装置(2)，其特征在于：阀位反馈装置(2)的输出端连接与判断装置(9)；调节阀(1)的管路上游侧安装有调节阀上游侧压力检测装置(5)、流体流量检测装置(4)和流体温度检测装置(3)，调节阀的管路下游侧安装有调节阀下游侧压力检测装置(6)。
流体温度检测装置(3)的输出端与判断装置(9)连接，流体流量检测装置(4)的输出端、调节阀上游侧压力检测装置(5)的输出端、调节阀下游侧压力检测装置(6)的输出端均连接诊断系数计算装置(7)；诊断系数计算装置(7)用于从调节阀上游侧压力检测装置(5)检测的上游侧流体压力P1、调节阀下游侧压力检测装置(6)检测的下游侧流体压力P2和流体流量检测装置(4)检测的流体流量Q计算汽蚀诊断系数；
存储装置(8)保存正常运行情况下调节阀对应开度的诊断系数以及对应调节阀开度和温度下调节阀前后压差的阈值；
诊断系数计算装置(7)的输出端、存储装置8的输出端都连接判断装置(9)；判断装置(9)根据所述存储装置(8)中预先存储的调节阀正常运行情况下对应开度的诊断系数作为阈值，并将由所述诊断系数计算装置(7)计算的诊断系数与所述对应开度下诊断系数阈值进行比较，若超出阈值，进行下一步判断，根据当前调节阀开度和流体温度，可以获取调节阀前后压力差阈值，并与当前检测计算出的调节阀前后压力差值进行比较，若同样超出阈值，则判断调节阀有汽蚀发生；
判断装置(9)的输出端连接输出装置(10)用于输出诊断结果。
2.如权利要求1所述的调节阀汽蚀诊断装置，其特征在于：所述的调节阀(1)为控制系统中带有阀位反馈装置(2)的流体节流设备。
3.如权利要求1所述的调节阀汽蚀诊断装置，其特征在于：所述诊断系数计算装置(7)通过2ΔP/(ρu^2)计算诊断系数，其中ΔP为调节阀前后压力差，通过P1-P2计算得到，ρ为流体密度，u为流体在管道内的平均速度，通过公式计算得到，d为圆形管道的当量直径。
4.如权利要求1～3所述的调节阀汽蚀诊断装置，其特征在于：诊断系数计算装置(7)计算诊断系数时使用的上述上游侧流体压力P1、下游侧流体压力P2和流体流量Q为相应开度下一定时间内的平均值。
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