CN111521388A - 一种调节阀汽蚀诊断装置及其诊断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于调节阀工业控制系统中的性能分析领域，提出一种调节阀汽蚀诊断的装置及其诊断方法。整个调节阀汽蚀诊断管路系统包括了用于提高设定压力的多级离心泵、调节多级离心泵扬程和转速的多级离心泵变频器、恒温流体储蓄罐、调节阀阀前流体流量检测装置、调节阀阀前流体压力检测装置、待诊断调节阀对象、调节阀阀后流体压力检测装置、振动加速度传感器、声音传感器、温度传感器。通过NI数据采集及存储装置，将采集到的调节阀上游侧流体压力、调节阀阀前流体流量、调节阀阀后流体压力、调节阀阀后Z轴振动加速度以及声音加速度计算衡量是否发生汽蚀。通过数据诊断装置可以诊断出调节阀在某一固定开度的工况参数，实现对调节阀是否发生汽蚀的现象进行诊断评估。

Description

一种调节阀汽蚀诊断装置及其诊断方法
技术领域
本发明涉及调节阀汽蚀诊断技术领域，具体涉及一种调节阀汽蚀诊断装置及其诊断方法。
背景技术
调节阀作为自动控制调节系统中的执行部件，在现代工业生产中得到广泛应用，其控制及通讯方式安全可靠的运行是我们关注的问题。在高温高压等严酷工况使用过程中，管道流体往往因设备结构设计、安装或工艺参数设计不当等原因而产生气蚀。
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通过调节阀节流后，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汽压时，部分液体汽化使阀后形成气液两相的现象。这个过程称为闪蒸。闪蒸的发生使液体的流量不随压降的增加而增加，出现阻塞流。
空化是流体通过调节阀节流后，从缩流断面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汽压时，部分液体汽化形成气泡，继而又恢复到该饱和蒸汽压，气泡溃裂恢复为液相的现象。这种气泡产生和破裂的全过程称为空化。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，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。在这种情况下，调节阀的使用寿命缩短，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，在很多工况条件下需要对调节阀汽蚀发生的质的判断和量的判断。
发明内容
本发明致力于解决调节阀运行工况中出现的汽蚀问题，提供一种调节阀汽蚀诊断装置以及汽蚀诊断方法，实现对工况是否产生汽蚀的检测与诊断。
本发明的技术方案如下：
调节阀汽蚀诊断装置，其特征在于，包括待测系统管道，调节阀测试管路装置、信号测量装置、NI数据采集存储装置、数据诊断程序；
所述调节阀测试管路装置，包括用于提高设定压力的多级离心泵、调节多级离心泵扬程和转速的多级离心泵变频器、恒温流体储蓄罐、待诊断调节阀；
所述信号测量装置包括位于待测调节阀阀前的阀前流体流量检测装置、调节阀阀前的流体压力检测装置、位于待测调节阀阀后的阀后流体压力检测装置、流体压力检测装置、位于调节阀阀后的振动加速度传感器、位于调节阀阀后的阀后NI声音传感器、位于待测系统管道上的温度传感器；
所述数据采集存储装置采用NI板卡以及控制器；
所述数据诊断程序，是基于labview编写，处理采集到的加速度传感器信号以及NI声音传感器信号，运用多传感器信息融合分析评估汽蚀发生程度。
所述一种调节阀汽蚀诊断装置的调节阀汽蚀诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：阀前流体流量检测装置测量信号为Q，阀前流体压力检测装置测量信号为压力P1，阀后流体压力检测装置测量信号为P2，阀后振动加速度传感器测量信号为加速度输出电压Az，阀后NI声音传感器测量信号声压S，流体压力检测装置测量信号为流体临界压力PC，位于待测系统管道上的温度传感器测量信号为温度T，查询温度-饱和蒸汽压对照表得到当前温度下的饱和蒸汽压；
步骤2：求取当前管路系统中调节阀发生阻塞流时的最小出口压力；
2.1：首先求取当前调节阀工况条件下的压力恢复系数FL：在非阻塞流情况下，通过固定阀前压力P1，改变阀后压力P2，流体最大极限值Qmax，此时阀后压力为P2max，当前流体密度ρ，饱和蒸汽压为Pv，液体临界压力PC，液体临界压力比系数
Figure BDA0002474474140000021
通过
Figure BDA0002474474140000022
计算得出FL；并将该工况参数存储进数据诊断装置，此时所记录的FL为汽蚀初始发生的压力恢复系数；
2.2：通过已知的非阻塞流情况下流体最大极限值Qmax、FL、ρ、P1、P2参数，使用阻塞流条件下的流体流量方程
Figure BDA0002474474140000023
计算得出发生阻塞流时的最小出口压力Pvcr；
步骤3：固定阀前流体压力P1，改变阀后流体压力P2，得到不同工况下的P1、P2、Az、S、Q数据，通过labview编写程序，将加速度输出电压Az值作均方根值处理，得到振动加速度有效值；将声音传感器电信号作均方根值处理，再将声音有效值电信号转换成分贝值。
步骤4：基于以上步骤所得工况参数，根据
Figure BDA0002474474140000024
在调节阀前后压差满足：ΔP＝(P1-P2)≥FL 2(P1-Pvcr)时，表示汽蚀发生，并在Matlab软件中，作图处理数据，显示诊断结果。
所述一种调节阀汽蚀诊断装置的调节阀汽蚀诊断方法，其特征在于，所述步骤4中显示诊断结果如下：当振动加速度有效值信号以及声音分贝值变化都平缓时，并且满足压差条件，当此三个条件同时达到时，没有汽蚀发生；当振动有效值和声音分贝值同时大幅度上升时，初始汽蚀产生，此时两者曲线斜率都比较大，曲线较陡峭。当振动有效值和声音分贝值同时达到最大值时，汽蚀现象最为剧烈；随后，振动加速度和声音分贝值曲线同时呈下降趋势，进入阻塞流阶段，通过使用振动加速度计和声音传感器，即多传感器融合技术，对其采集信号进行分析，达到对调节阀汽蚀现象的诊断。
所述一种调节阀汽蚀诊断装置的调节阀汽蚀诊断方法，其特征在于，所述步骤3中根据所得振动加速度有效值数据，运用EMD经验模态分解将振动信号分解为不同频段范围的模态分量，再对每个IMF分量的能量进行归一化处理，用相对能量来表示不同频率段的能量变化；观察到从无汽蚀到初始汽蚀的低阶特征频带信号的能量占比会随之减小，无高阶模态特征频带信号。在汽蚀加剧工况中，低阶模态特征频带信号的能量占比之和继续减小，出现高阶模态能量占比并且占比较高的现象，整个汽蚀加剧工况的频段能量图分布较广；到闪蒸阶段，低阶模态特征频带信号的能量占比较之前一阶段会增加，高阶模态能量占比减少；整个汽蚀发展过程中，低阶特征频带信号的能量占比先减小到汽蚀加剧工况再增大，高阶特征频带信号的能量占比先增加至汽蚀加剧工况再减小。
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，并采集所述调节阀工况的振动有效值信号、工况声贝信号与流体温度，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为本发明的系统结构图；
图2为本发明检测的调节阀的阀体结构示意图；
图3为本发明工况参数与振动加速度和声音分贝值的关系曲线图；
图4为本发明振动有效值能量占比和汽蚀工况的关系图；
图中：1-恒温流体储蓄罐，2-流体流量检测装置，3-待测调节阀，4-温度传感器，5-阀前流体压力检测装置，6-阀后流体压力检测装置，7-振动加速度传感器，8-NI声音传感器，9-数据采集存储装置，10-数据诊断装置。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步描述。
调节阀汽蚀诊断装置及其诊断方法，是用于管路系统中调节阀是否发生汽蚀的定性判断和汽蚀发生程度的定量分析。整个调节阀汽蚀诊断管路系统包括调节阀测试管路装置、信号测量装置、NI数据采集存储装置、数据诊断程序。
如图1所示系统结构图中调节阀测试管路装置，包括用于提高设定压力的多级离心泵11、调节多级离心泵扬程和转速的多级离心泵变频器12、恒温流体储蓄罐1、待诊断调节阀3(待诊断调节阀3结构如图2所示)。
信号测量装置，由管道和孔板组成，包括位于待测调节阀阀前的流体流量检测装置2、调节阀阀前流体压力检测装置5、位于待测调节阀阀后的流体压力检测装置6、阀后振动加速度传感器7、阀后NI声音传感器8、待测系统管道上的温度传感器4。
数据采集存储装置9采用NI板卡以及控制器。
数据诊断装置10，基于labview编写，处理采集到的加速度传感器信号以及NI声音传感器信号，运用多传感器信息融合分析评估汽蚀发生程度。
该诊断系统的调节阀汽蚀诊断的方法，具体步骤如下：
步骤1：信号测量装置中，阀前流体流量检测装置测量信号为Q，阀前流体压力检测装置测量信号为压力P1，阀后流体压力检测装置测量信号为P2，阀后振动加速度传感器测量信号为加速度输出电压Az，阀后NI声音传感器测量信号声压S，位于待测系统管道上的温度传感器测量信号为温度T，查询温度-饱和蒸汽压对照表得到当前温度下的饱和蒸汽压；
步骤2：求取当前管路系统中调节阀发生阻塞流时的最小出口压力：
首先求取当前调节阀工况条件下的压力恢复系数FL：在非阻塞流情况下，通过固定阀前压力P1，改变阀后压力P2，流体最大极限值Qmax，此时阀后压力为P2max，当前流体密度ρ，饱和蒸汽压为Pv，液体临界压力PC，液体临界压力比系数
Figure BDA0002474474140000041
通过
Figure BDA0002474474140000042
计算得出FL；并将该工况参数存储进数据诊断装置，此时所记录的FL为汽蚀初始发生的压力恢复系数；
通过已知的非阻塞流情况下流体最大极限值Qmax、FL、ρ、P1、P2等参数，使用阻塞流条件下的流体流量方程
Figure BDA0002474474140000051
计算得出发生阻塞流时的最小出口压力Pvcr。
步骤3：固定阀前流体压力P1，改变阀后流体压力P2，得到不同工况下的P1、P2、Az、S、Q数据，通过labview编写程序，将加速度输出电压Az值作均方根值处理，得到振动加速度有效值。将声音传感器电信号作均方根值处理，再将声音有效值电信号转换成分贝值。
步骤4：基于以上步骤所得工况参数，根据
Figure BDA0002474474140000052
在调节阀前后压差满足：ΔP＝(P1-P2)≥FL 2(P1-Pvcr)时，表示汽蚀发生，并在Matlab软件中，作图处理数据，诊断结果显示。
如图3所示，是流体加速度及声音声贝值指数的变化曲线。从图中看出，随着横坐标压差的增大，纵坐标中，振动加速度有效值变化平缓，声音传感器的分贝值变化也较为平缓，曲线斜率较小；当汽蚀开始发生时，即满足上述步骤4中公式时，振动加速度有效值随着汽蚀发生强度增加而大幅度上升，声音分贝值同样呈大幅度上升，曲线斜率较大；当汽蚀发生最为剧烈时，振动加速度以及声音分贝值达到较大值；随即进入阻塞流阶段，振动加速度有效值骤降至平缓，声音分贝值以最大值呈平缓趋势，流体状态逐渐呈现闪蒸现象。
如图4所示，是振动有效值能量占比与汽蚀工况的关系图，运用EMD经验模态分解将振动信号分解为不同频段范围的模态分量，再对每个IMF分量的能量进行归一化处理，用相对能量来表示不同频率段的能量变化。可观察到从无汽蚀到初始汽蚀的低阶特征频带信号的能量占比会随之减小，无高阶模态特征频带信号。在汽蚀加剧工况中，低阶模态特征频带信号的能量占比之和继续减小，出现高阶模态能量占比并且占比较高的现象，整个汽蚀加剧工况的频段能量图分布较广。到闪蒸阶段，低阶模态特征频带信号的能量占比较之前一阶段会增加，高阶模态能量占比减少。整个汽蚀发展过程中，低阶特征频带信号的能量占比先减小到汽蚀加剧工况再增大，高阶特征频带信号的能量占比先增加至汽蚀加剧工况再减小。
根据上述流体加速度及声音声贝值指数的变化曲线以及振动有效值能量占比与汽蚀工况的关系图，可以有效的实现对调节阀较完整的汽蚀诊断，避免汽蚀现象的发生。
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，流道中存在大量的气泡，当气泡破裂时，对管道产生较大的压力，以及有气泡的爆破声，使用加速度传感器和声音传感器可以采集信号，采集工况信号作以分析。
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，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，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)

1.一种调节阀汽蚀诊断装置，其特征在于，包括待测系统管道、调节阀测试管路装置、信号测量装置、数据采集存储装置及数据诊断装置；
所述调节阀测试管路装置包括用于提高设定压力的多级离心泵(11)、调节多级离心泵扬程和转速的多级离心泵变频器(12)、恒温流体储蓄罐(1)及待测调节阀(3)；
所述信号测量装置包括位于待测调节阀(3)阀前的流体流量检测装置(2)、位于待测调节阀(3)阀前的阀前流体压力检测装置(5)、位于待测调节阀(3)阀后的阀后流体压力检测装置(6)、流体压力检测装置(13)、位于待测调节阀(3)阀后的振动加速度传感器(7)、位于待测调节阀(3)阀后的NI声音传感器(8)及位于待测系统管道上的温度传感器(4)；
所述数据采集存储装置(9)包括NI板卡以及控制器；
所述数据诊断装置(10)基于labview编写，处理采集到的加速度传感器信号以及NI声音传感器信号，运用多传感器信息融合分析评估汽蚀发生程度。
2.根据权利要求1所述一种调节阀汽蚀诊断装置的调节阀汽蚀诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：信号测量装置中，阀前流体流量检测装置(2)测量信号为Q，阀前流体压力检测装置(5)测量信号为压力P1，阀后流体压力检测装置(6)测量信号为P2，阀后振动加速度传感器(7)测量信号为加速度输出电压Az，阀后NI声音传感器(8)测量信号声压S，流体压力检测装置(13)测量信号为流体临界压力PC，位于待测系统管道上的温度传感器(4)测量信号为温度T，查询温度-饱和蒸汽压对照表得到当前温度下的饱和蒸汽压；
步骤2：求取当前管路系统中调节阀发生阻塞流时的最小出口压力：
2.1：首先求取当前调节阀工况条件下的压力恢复系数FL：在非阻塞流情况下，通过固定阀前压力P1，改变阀后压力P2，流体最大极限值Qmax，此时阀后压力为P2max，当前流体密度ρ，饱和蒸汽压为Pv，液体临界压力PC，液体临界压力比系数
Figure FDA0002474474130000021
通过
Figure FDA0002474474130000022
计算得出FL；并将该工况参数存储进数据诊断装置，此时所记录的FL为汽蚀初始发生的压力恢复系数；
2.2：通过已知的非阻塞流情况下流体最大极限值Qmax、FL、ρ、P1、P2参数，使用
Figure FDA0002474474130000023
计算得出发生阻塞流时的最小出口压力Pvcr；
步骤3：固定阀前流体压力P1，改变阀后流体压力P2，得到不同工况下的P1、P2、Az、S、Q数据，通过labview编写程序，将加速度输出电压Az值作均方根值处理，得到振动加速度有效值，将声音传感器电信号作均方根值处理，再将声音有效值电信号转换成分贝值；
步骤4：基于以上步骤所得工况参数，根据
Figure FDA0002474474130000024
在调节阀前后压差满足：ΔP＝(P1-P2)≥FL 2(P1-Pvcr)时，表示汽蚀发生，并在Matlab软件中作图处理数据，显示诊断结果。
3.根据权利要求2所述一种调节阀汽蚀诊断装置的调节阀汽蚀诊断方法，其特征在于，所述步骤4中显示诊断结果如下：当振动加速度有效值信号以及声音分贝值变化都平缓时，并且满足压差条件，当此三个条件同时达到时，没有汽蚀发生；当振动有效值和声音分贝值同时大幅度上升时，初始汽蚀产生，此时两者曲线斜率都比较大，曲线较陡峭；当振动有效值和声音分贝值同时达到最大值时，汽蚀现象最为剧烈；随后，振动加速度和声音分贝值曲线同时呈下降趋势，进入阻塞流阶段。
4.根据权利要求2所述一种调节阀汽蚀诊断装置的调节阀汽蚀诊断方法，其特征在于，所述步骤3中根据所得振动加速度有效值数据，运用EMD经验模态分解将振动信号分解为不同频段范围的模态分量，再对每个IMF分量的能量进行归一化处理，用相对能量来表示不同频率段的能量变化；观察到从无汽蚀到初始汽蚀的低阶特征频带信号的能量占比会随之减小，无高阶模态特征频带信号；在汽蚀加剧工况中，低阶模态特征频带信号的能量占比之和继续减小，出现高阶模态能量占比并且占比较高的现象，整个汽蚀加剧工况的频段能量图分布较广；到闪蒸阶段，低阶模态特征频带信号的能量占比较之前一阶段会增加，高阶模态能量占比减少；整个汽蚀发展过程中，低阶特征频带信号的能量占比先减小到汽蚀加剧工况再增大，高阶特征频带信号的能量占比先增加至汽蚀加剧工况再减小。
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