燃料调节装置

仪器设备元件

常用的燃料流量控制策略有泵控和阀控两种控制方式。

背景

在煤气化联合循环中，当采用热值较低的气体燃料时，需要重新设计燃烧系统，或对装置的燃料系统进行修改和调整。作为燃料系统的重要部件———气体燃料调节阀，其工作情况直接影响燃料系统的运行，乃至整个机组的性能，因此对该阀进行性能试验研究是至关重要的。

在低热值煤气燃料系统中，由于燃料的热值低，且主要可燃成分H2和CO有毒、易爆炸，因此要求煤气调节阀具有大流量、快速关闭及密封性良好等特点。为了使该阀满足大流量的要求，增加阀门口径是有效措施之一。然而，据美国通用公司在分析以某低热值煤气(其热值约3 768～5 443 kJ/m3)作燃料的联合循环发电装置方案时，估算其燃料管道的直径和燃料调节阀尺寸比原来的天然气系统增大3～ 4倍,即其通流面积增大9～ 16倍。这种庞大的系统结构不仅增加总体布置和结构设计的困难，而且会使调节阀的动态特性大大变坏，甚至其时间常数将要大到机组的调节阀所不能容许的程度。此外，阀件尺寸的增加，使气体密封性能也将变坏。可见单纯增大调节阀尺寸的改进方法难以满足要求。我国尚无此类型的调节阀，需要对引进国外技术进行消化和吸收，研制适合煤气化联合循环的气体燃料调节阀。

控制系统

燃料控制系统的任务

通过控制进入锅炉的燃料量(如:油、煤等)维持过热器出口汽压,以保证在不同负荷下锅炉的安全运行,汽压变化时表示锅炉的蒸汽产量和负荷的耗汽量不适应,这时必须相应地改变燃料的供应量,以改变锅炉的产汽量,维持燃烧过程的能量平衡。

燃料量控制系统的燃料信号

控制系统与燃烧过程是可以相互独立运行的，对于燃烧过程而言，可以迅速有效地改变进入炉膛的燃料量，以适应负荷的变化，这对于维持主汽压力的稳定是有利的。但对于燃料量的测量上是一个特殊的问题，要准确测量进入炉膛的瞬时煤粉量尚有难度。在系统设计时采用的方法是两种间接法：最常见的是采用给粉机转速信号代替给粉量的方法，因为在正常(理想)情况下,给粉机的出力与转速成正比。给粉机转速容易测量、反应速度快，因此，采用给粉机转速信号代表给粉量是中储式热风送粉锅炉燃料控制系统常用方法之一。另外一种是以热量信号代表燃料量信号的燃料控制系统，热量信号是由蒸汽流量信号和汽包压力的微分信号组成,在蓄热系统准确求出后，它能较准确代表进入锅炉的燃料量，并能克服给粉机转速信号代表给粉量的一些缺点。

研究现状

燃料流量调节技术研究现状

常用的燃料流量控制策略有泵控和阀控两种控制方式，由于两种方法控制思想的不同，各自对应的燃料供给系统的元件组成及其工作特点也各不相同。

泵控方式是通过改变变量泵的排量进行流量调节的方式，属于容积控制方式，因此其没有节流口损失，效率高，节能性好，同时避免了燃油管道两相流问题，减小了控制难度，且系统抗负载的刚度大。但由于泵控系统中变量装置惯量较大，因此动态响应较差，而且通常发动机的供油泵和燃烧室之间管路较长，燃料供给动态响应特性会受到管路动态的影响。因此，当采用泵控方式进行燃料流量调节时，为达到响应速度快的目的，则要求管道的长径比要小。此外，泵控系统还具有结构复杂，成本高等缺点，因此更适合用于大功率，要求效率高的场合。

阀控方式是在回路中设置各种控制阀，并通过他们的配合进行流量调节的方式，属于节流控制方式，因此其具有节流损失和溢流损失，能量损失大，效率低，但阀控系统的动态响应速度快，控制精度高，并可采用多个调节阀分别控制多条支路的流量，结构简单，成本低。基于以上优点，采用流量调节阀式的燃料调节器是实现快速、精确燃料供给流量调节的关键。阀控系统更适合小功率，对效率要求不高的场合。

对于超燃冲压发动机的燃料供给系统，由于其工作压力较低，功率较小，对燃料流量调节的精度和响应速度有一定要求，而且燃油泵和燃烧室之间的管路较长，因此更合适采用阀控方式对燃油流量进行控制。

由于超燃冲压发动机采用再生式主动热防护的冷却方式，因此燃油流经发动机表面被加热，采用阀控方式进行燃料流量控制时，则研究高温燃料流量调节阀的调节特性是实现超燃冲压发动机燃料流量自动调节和精确控制的关键。

高温流量调节阀研究现状

对高温流量调节阀的研究主要集中在两个方面：一方面是对高温材料的研究；另一方面是对高温流量调节阀的结构设计是否合理，能否满足性能要求的研究，这主要通过理论分析，合理设计并进行试验来完成。

航天发动机等领域广泛使用的高温材料为高温合金材料，其抗氧化、工艺性好、高强韧和良好的导热性等优点使其具有良好的综合性能，但由于高温合金受到金属熔点的限制，最高温度难以满足发展的要求，必须寻找出更耐高温的材料来替代高温合金。从当前新型高温材料的研究来看，比较受关注的主要有陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料、金属间化合物以及难熔金属硅化物基复合材料。他们普遍具有低密度、高比强和低膨胀系数等优点，使用温度都在1000℃以上，但由于其高温下的特性仍无法与高温合金相抗衡，在航天发动机上的应用还比较少，但从国内外应用情况以及发展前景来看，非金属的新型高温材料将会成为未来应用于航天发动机等领域的主要材料。

高温流量调节阀控制调节技术的研究现状

在常温下流量调节阀控制调节方式主要有手动调节方式、电磁驱动方式、伺服控制方式和比例控制方式、数字控制方式以及先导控制方式等。

电磁控制方式采用普通的螺线管式电磁铁做驱动元件，结构简单，属开关控制方式，只能实现开环控制，无法满足高精度的流量调节需要。伺服控制方式是采用力矩马达做驱动元件的控制方式，具有响应速度快、控制精度高，易于实现闭环控制等特点。但伺服控制流量调节元件对工作介质的清洁度等级要求非常高，而且价格较昂贵。比例控制方式是采用比例电磁铁驱动的一种控制方式，比例控制元件可以接受电信号的指令，连续成比例地控制系统的压力、流量等参数，使之与输入电信号成比例的变化。与手动调节和电磁驱动的流量调节元件相比，比例控制方式控制水平高；与伺服控制方式相比，控制性能稍差，但结构简单、成本低、抗污染能力强。

数字控制方式是采用步进电机或伺服电机的一种控制方式，控制精度高，响应速度快，能够实现直接的数字控制，但结构复杂，通常需要在步进电机或伺服电机与调节元件之间增加机械传动装置，从而把步进电机或伺服电机的旋转运动转换为流量调节元件阀芯的直线运动。

先导控制方式是采用液体或气体控制的先导控制元件驱动主控制元件动作的控制方式，具有控制精度高、能够实现闭环控制等特点，但结构稍复杂，响应速度会受到先导控制元件和先导控制系统响应速度的限制。

由于比例电磁铁、力矩马达或步进电机的最高工作温度一般都不超过150℃，而高温阀的工作温度一般在400~700℃，因此高温流量调节阀很难采用比例控制、伺服控制和数字控制进行调节。高温的流量调节阀多采用手动调节方式，通常用于汽轮机及化工生产过程中。但手动调节方式无法满足超燃冲压发动机燃料流量自动精确调节的要求。

比例电磁阀的研究现状

伺服技术在50年代已日臻完善，由于伺服阀的快速响应及高的控制精度，以其明显的技术优势，迅速在高精度、快速响应的领域中，如航天、航空、轧钢设备及实验设备等中取代了传统的机电控制方式。但人们也很快发现，由于电液伺服器件的价格过于昂贵，对油质要求十分严格，控制损失(阀压降)较大，使伺服技术难以更广泛地被工业应用所接受。在很多工业应用场合，要求一般的高质量的控制手段，却并不要求太高的控制精度或响应性。

现代工业的迅猛发展，要求发展一种廉价、节能、维护方便、适应大功率控制及具有一定控制精度的电液比例控制技术。而现代电子技术和测试技术的发展为工程界提供了可靠而廉价的检测、校正技术。这些为电液比例技术的发展提供了有利的条件。

电液比例阀是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种液压阀，它可以接受电信号的指令，连续成比例地控制系统的压力、流量等参数，使之与输入电信号成比例的变化。电液比例阀多用于开环系统中，实现对液压参数的遥控，也可作为信号转换与放大元件用于闭环控制系统。与手动调节和通断控制的普通液压阀相比，它能大大提高液压系统的控制水平；与电液伺服阀相比，虽然它的动静态性能有些逊色，但结构简单、成本低，己能满足多数对动静态指标要求不很高的场合。

二十世纪七十年代电液伺服控制技术日趋成熟，并迅速向民用工业推广，但是，由于伺服阀的制造精度要求很高，价格昂贵，对油污十分敏感，对系统的使用维护要求很高，所以它难以被广泛地接受。于是具有高精度、快响应的电液比例阀应运而生，它不仅具有伺服阀的特点，而且它的抗污染能力强，使用可靠，维护简单，成本低廉。而在近30年来，电液比例阀经历了发展的三个阶段：

第一阶段的阀是在原电磁开关阀的基础上，保留阀内主结构不变，只是用比例电磁铁代替普通电磁铁，从性能上说频宽约1~5Hz，滞环约4%~7%。

第二阶段比例器件普遍采用了内反馈回路，同时研制了耐高压比例电磁铁，与之配套的比例放大器也日趋成熟，从性能上说，比例阀的频宽己达5~15Hz，滞环缩小到3%左右。

第三阶段起始于80年代，比例技术主要特点是：

1.设计原理进一步完善，通过液压、机械以及电气的各种反馈手段，使比例阀的性能进一步提高，频宽达到3~50Hz，滞环在1%~3%之间；

2.比例技术和插装技术结合，开发出二通、三通比例插装阀；

3.出现多种将比例阀、传感器、电子放大器和数字显示装置集成在一块的机电一体化器件；

4.将比例阀和液压泵、液压马达等组成一起，构成节能的比例容积器件。

比例阀，按其生产过程还可分为两类：一类是在电液伺服阀的基础上简化结构、降低制造精度，从而以低频宽和低静态指标来降低阀的成本，用于对频宽和控制精度要求不高的场合。另一类是在传统的液压阀基础上，配上廉价的螺管式比例电磁铁进行控制。

随着电液比例技术的发展，电液比例阀的性能也在不断提高，其优点主要体现在：

1.操作方便，容易实现遥控；

2.自动化程度高，容易实现编程控制；

3.工作平稳，控制精度高，价格便宜，性价比高；

4.结构简单，使用元件较少，对污染不敏感；

5.系统的节能效果好。因此在控制较复杂，特别是要求有高质量控制水平。

工作原理

比例阀的阀体采用阀芯、阀套结构，这样可以在阀套上开非全周的节流窗口以获得较小的面积梯度，从而可以增加阀的控制精度。为了使得阀的节流面积与阀芯位移成正比关系，阀套上的节流窗口采用矩形形状。在阀芯的两个台肩上各加工有三条宽和深各为1mm的均压槽，用以减小阀芯所受到的偏心力，防止阀心卡死。此外，还能起到增加阀芯和阀套之间的气密性的作用。

阀在工作时，进入阀的工作介质温度很高，而普通的比例电磁铁、密封圈和弹簧都难以承受如此高的温度。为了防止它们在高温下失效，对比例电磁铁和弹簧要采取隔热措施，密封圈刚要使用较软的金属材料。在本设计中，用导热系数较低的刚玉垫片隔开比例电磁铁和阀体，整个比例电磁铁只有连接螺栓和推杆尖端与阀体接触，它们的横截面积较小，因此能使比例电磁铁的温度保持在安全范围内。对于阀体内的弹簧，则使用两个导热系数更低的氧化锆球来隔开与阀体的接触，最大限度地防止其温度的升高。阀中的密封圈使用紫铜加工而成，能保证阀在高温下的密封性能。

为了保证阀套和阀体间的气密性，它们的接触面在加工时需要保证一定的粗糙度要求，它们之间的配合使用过盈配合。由于阀芯既要在阀套内滑动，又要保证气密性，因此它们的表面粗糙度和配合精度要求很高，在设计与加工中，它们接触面的粗糙度要求为0.8，配合间隙为3μ。

比例流量控制阀与普通节流阀的差别就是阀芯的运动由比例电磁铁来驱动，并且阀的制造与控制精度更高。当经过放大器给定比例电磁铁一个输入信号时，电磁铁推动节流阀芯移动一定的开口量，当节流口前后压差一定时，通过的流量就只与阀芯的开口量有关。通过调节比例电磁铁的输入电流就可以控制节流阀的流量。在进气口压力一定和节流口压差不变时，给定一连续的电信号，阀就会输出一连续的流量，因此使电信号和输出流量具有比例关系。这就是比例式高温气态燃料流量调节阀的工作原理。

受力分析

在比例式气态燃料流量调节阀中，阀芯的运动是是靠比例电磁铁来驱动的，为了给阀的设计提供依据，必须全面地分析阀芯运动时的受力情况。阀芯运动时的受力情况，随阀芯形式的不同而不同，就一般而言，按其作用力的方向可分为：周缘力、侧向力和轴向力三类。周缘力的作用是使阀芯产生旋转，通常忽略不计。侧向力主要是由于流体流过阀芯、阀套之间的缝隙引起的不平衡力产生的，在液压阀分析设计中对这种不平衡力已有较详细的分析和计算，这套分析方法和所得到的规律对气动阀也是适用的，只是其定量关系有些差别。对于侧向力，往往通过一些加工和结构上的方法来减小它，在建立模型时可以不考虑。

作用在阀芯轴向的力主要包括：

驱动力：比例电磁铁对阀芯的推力；

惯性力：包括阀芯和随阀芯一起运动的附件加速运动时产生的惯性力；

干摩擦力：很难计算，需要从设计和使用上予以消除；

粘性摩擦阻力：当流体流经滑阀副缝隙时，由于流体的粘性对阀芯运动产生的摩擦阻力，与阀芯的运动速度成正比，很难精确计算；

气体反作用力：由于流体在阀腔中的流动而产生的反作用力，包括稳态和瞬态两种流体反作用力。

主阀结构

液控式高温燃料流量调节阀的阀口为拉瓦尔喷管结构形式。拉瓦尔管的结构主要包括入口、稳定段、收缩段、喉部和扩张段。由于技术要求对主阀结构大小以及压力损失的限制，将进气口安排在近出口端，这样可以有效的减少压力损失，同时两个进气口对称布置，不仅保证了大流量的过流能力，而且可以改善阀体受热与应力分布不均匀的状况。由于把进气口放置在近出口端，因此该拉瓦尔管几乎没有了稳定段，会略有来流不稳定的问题。收缩段的目的加速气体并要保证出口气流稳定，因此应尽量短，但又不能太短。扩张段为了避免严重激波的出现，半顶角角度不应过大，而角度太小，压力损失又比较严重，因此在本阀中半顶角选为5°，同时扩张段尽量保证一定的长度是为了更好的恢复压力，以满足出口处对气体压力的需求。波纹管在本阀中主要起密封作用，阀芯伸出杆的直径与波纹管内径几乎相等，起到一定的径向固定的作用，防止阀芯在运动过程中受力不均匀而侧弯。

工作原理

该阀由主阀和液压先导控制部分组成，其中液压先导控制部分主要包括电液伺服阀和主阀阀芯驱动活塞组成。

液控式高温燃料流量调节阀是采用液压先导控制的流量调节阀，通过先导控制回路调节控制活塞的位移，进而调节主阀阀芯位移，在主阀阀芯驱动活塞伸出杆上装有位移传感器，位移传感器将阀芯位移反馈回来与输入信号进行比较从而形成闭环控制。调节阀P口和T口分别为流量调节阀主阀的入口及出口，X口接控制油源，U1为输入阀芯位移控制信号，U2为位移传感器的反馈信号，△U为输入控制信号与反馈信号的偏差信号。当给定一个控制信号时，电液伺服阀控制主阀阀芯驱动活塞产生一定的位移量，活塞杆与阀芯杆之间通过法兰刚性连接，因此活塞杆带动主阀阀芯运动，装在活塞杆上的位移传感器将阀芯位移反馈给控制器，控制器通过计算得出位移偏差信号对伺服阀进行控制，从而使主阀阀芯产生与输入信号相对应的位移量，实现闭环控制。若此时调节阀前后压力和入口温度一定，则流经调节阀的燃料流量只与主阀阀口开度有关系，这样就可以通过控制阀芯位移的大小来控制输出流量。

主阀阀芯

液控式高温燃料流量调节阀主阀阀芯的运动主要靠液压先导控制部分进行驱动和控制，为了给液压先导控制部分的设计及其控制特性的分析提供依据，需要对主阀阀芯处的受力进行分析。

阀芯形状不同，阀芯在运动时所受的力也不同，一般可分为：周缘力，使阀芯产生旋转的力；侧向力，由于阀芯径向受力不均匀而产生的使阀芯沿径向偏向一侧的力；轴向力，阀芯轴向运动所受到的力，通常为阀芯主要的负载力。周缘力和侧向力可以通过加工时对结构的合理设计而消除或是抑制，在本文的设计仿真中不予考虑。

阀芯所受到的轴向力主要有：

1) 惯性力，阀芯做加、减速运动时由于惯性作用所受到的力；

2) 弹性力，密封作用的波纹管是一个弹性体，当其被拉伸或是压缩时就会对阀芯产生反作用的弹力；

3) 驱动力，伺服液压缸带动阀芯运动时给阀芯的力；

4) 粘性阻力，阀芯运动时，由于气体的粘性而产生的阻碍阀芯运动的粘性摩擦力，比较难以计算，但是这个粘性阻力比较小，一般可以忽略。

5) 液动力，分为稳态液动力与瞬态液动力。液流速度的大小和方向随着流道空间变化而不随时间变化产生的力为稳态液动力，稳态液动力一般比较大，是影响主阀阀芯驱动力的重要因素。阀芯运动引起的液流加速或减速，液流速度的大小和方向随着时间而变化，由此产生的力为瞬态液动力，瞬态液动力相对于稳态液动力一般比较小，但瞬态液动力会影响阀的稳定性，需要进行必要的分析。

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