基于波纹管的汽轮给水泵调节控制

覃天云

（四川东方电气自动控制工程有限公司，四川 德阳，618000)

0 引言

汽轮给水泵是一种以蒸汽轮机为动力，驱动给水泵，输出一定水压力与流量的给水装置。汽轮给水泵调节控制主要是通过控制蒸汽轮机的汽阀开度，改变汽轮机的蒸汽进入量，从而改变机组转速，通过对机组转速的控制，获得需要的水泵出口压力与流量。

传统的汽轮给水泵闭环控制系统需要由传感器 （用于提供泵出口压力的反馈）、偏差比较器（比较泵出口压力目标值与反馈值）、驱动执行器（驱动汽轮机汽阀以消除偏差）构成。这种用不同的设备完成反馈-比较-执行功能的系统，往往显得复杂，而且由于构成系统的元器件增多，使得系统的滞环加大，且整体可靠性降低。

本文介绍的汽轮给水泵 （离心泵）压力调节控制器，利用波纹管的隔离、弹性性质来设计，将传统控制系统的传感器、偏差比较器、驱动执行器融为一体；进而构成一种较传统更为简单、可靠、高效的控制系统。

1 控制系统构成

由波纹管为主体构成的汽轮给水泵压力调节控制器简称为压力调节器，其结构简图见图1。

图1 压力调节器及汽轮给水泵控制系统结构简图

如图1所示波纹管的前端焊于法兰上，后端与阀芯杆的后凸台焊接；法兰、波纹管、阀芯杆构成一个整体，称为阀芯组件。通过焊接，阀芯组件内的波纹管内部被隔离出一个密闭的腔室，该腔室通过法兰上的开孔可与前部的蒸汽相通；但波纹管外部的水压力 （即水泵出口水压）不能进入该腔室。阀芯组件装入壳体后，与后端端盖一同构成一个外部密封腔室，该腔室用于承载水泵出口水压。阀芯组件前端装汽阀阀芯，阀芯杆的移动直接驱动汽阀阀芯运动；阀芯组件外部装弹簧；阀芯组件后端装活塞，用于压缩弹簧；活塞后部设有调节螺母，用于调节弹簧的预压力。阀芯杆前部装有限位环，与法兰配合作用，用于限制阀芯杆的向后位移。

2 受力分析

阀芯组件为压力调节器的核心部件，汽轮给水泵系统的控制、反馈均通过该部件实现，其受力分析见图2。

图2 阀芯组件受力分析图

其中：F1：阀芯组件所受外部水压力 （即给水泵出口水压力） （d1：水压力作用面积直径）；

F2：阀芯组件所受内部蒸汽压力 （即汽机调节阀前汽压） （d2：蒸汽力作用面积直径）；

F3：波纹管弹性力；

F4：弹簧弹性力；

F5：汽机调节阀轴向作用力 （由于汽机调节阀采用滑阀结构，蒸汽的轴向作用力与F1～F4比较极小，可忽略，故F5=0）；

当阀芯组件受力平衡时，汽阀开度稳定于某一位置上，此时：

其中：

P1－水泵出口水压力； P2－蒸汽压力； K2－弹簧刚度；L0－弹簧预压缩量；K1－波纹管刚度；L1－波纹管压缩量 （在机组未运行时，波纹管处于自由状态，即L1=0；机组运行时，L1=机组运行前汽阀开度－机组运行时汽阀开度。 （6）

3 闭环控制原理

压力调节器采用负反馈的方式，对汽轮给水泵 （离心泵）的泵出口水压力自动进行闭环控制。

汽轮给水泵稳定运行时，其蒸汽参数 （流量、压力、温度）保持在额定值，汽机转速保持稳定，给水泵出口水压、流量也维持在额定值上。此时若关小泵出口阀门，减小水泵出口流量，泵出口水压随之升高，阀芯组件受力平衡被打破，阀芯组件将向前端移动，直到式 （1）表示的受力平衡关系满足；随着阀芯组件向前移动，汽阀的开度将减小，使得进入汽轮机的蒸汽流量减少，汽机转速 （即水泵转速）随之降低；水泵转速的降低，泵出口水压也降低；汽轮泵自动重新建立一个新的平衡，并保持稳定，泵出口水压回复稳定。

4 计算与实例验证

以某机组使用的汽轮给水泵为例，计算压力调节器控制系统相关参数。

计算输入条件：

汽机运行参数：额定蒸汽压力2.64 MPa；

水泵运行参数：额定出口流量不小于20 t/h，额定出口压力不小于3.43 MPa；

弹簧刚度：K2=38.3 N/mm；

波纹管：d1=48.6 mm，d2=47 mm；波纹管刚度见表1。

表1 波纹管刚度表

汽机运行要求：机组运行前汽阀开度：8.3 mm；额定工况运行时汽阀开度：5.8～5.7 mm。

计算目的：求解出满足机组额定工况运行时的弹簧预压量L0（即控制系统静态工作点）。

根据式（6）得出额定工况运行时波纹管压缩量L1=2.5～2.6 mm，根据波纹管刚度表，按L1值选择波纹管刚度K1=45 N/mm；当选取弹簧预压缩量L0=41 mm时，根据式（1～5）计算得出机组额定工况运行时汽阀开度L1=2.55 mm。这表明通过调整调节螺母，将弹簧预压缩41 mm左右时，可满足机组运行要求。

需要说明的是，由于波纹管本身的特性，其弹性刚度是非线性的，因此计算获得的弹簧预压缩量仅是一个理论参考值，机组在实际运行中必须重新调整弹簧预压缩量来满足工况要求。

以下是本例机组的试验运行数据 （见表2）。

试验运行条件：保持汽机进汽压力、温度额定不变，水泵进口压力不变；通过改变水泵出口阀门开度，改变泵出口流量。

表2 汽轮给水泵试验运行数据表

数据表明：泵的出口流量在额定值 （100%～75%）内变化时，其出口压力基本保持不变，压力波动小于1.5%。

5 结束语

波纹管具有隔离、弹性性质，将其运用于汽轮给水泵 （离心泵）出口压力调节控制可有效地简化控制系统，提高系统整体可靠性，对汽轮给水泵机组整体结构的简化具有积极的作用。

[1]金以惠,主编.过程控制[M].北京：清华大学出版社,2004.

[2]成大先,主编.机械设计手册：第 3卷：第四版[M].北京：化学工业出版社,2006.

[3]范存德,主编.液压技术手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社,2004.

[4]全国船用机械标准化技术委员会管系附件分技术委员会.金属波纹管膨胀节通用技术条件GB/T 12777-2008[S].北京:中国标准出版社,2008.