基于瞬態(tài)模型的大流量調(diào)節(jié)閥故障監(jiān)測與診斷方法的研究.pdf

1、調(diào)節(jié)閥是流體輸送系統(tǒng)中重要的控制部件，在流體管道輸送中，合理采用調(diào)節(jié)閥對調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量、壓力等參數(shù)進(jìn)行有效控制，進(jìn)而控制流體脈動(dòng)，對降低能耗，提高能源利用率具有十分重要的意義。調(diào)節(jié)閥廣泛應(yīng)用于化工、石油、冶金、電力、輕工、水利、船舶以及航空等領(lǐng)域，隨著工業(yè)發(fā)展的需要，流體管道輸送向著更大流量、更高壓力的方向發(fā)展，因此大流量調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用更為廣泛。鋼廠利用混合煤氣進(jìn)行燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的工程中，氣體供給量大，對混合煤氣的流量要求高達(dá)54

2、000Nm3/h以上，用于混合煤氣壓力控制的調(diào)節(jié)閥公稱通徑超過200mm。大流量混合煤氣的穩(wěn)壓控制是鋼廠循環(huán)發(fā)電工程的關(guān)鍵技術(shù)問題。
　　 通常采用預(yù)防性定期檢修的手段保證大流量調(diào)節(jié)閥工作的安全性和可靠性，但是預(yù)防性檢修存在著“維修過?！钡膯栴}，致使維修費(fèi)用過高，導(dǎo)致可靠性降低，故障率上升;另一方面國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域?qū)Υ罅髁空{(diào)節(jié)閥的需求量非常大，但是我國相關(guān)的調(diào)節(jié)閥故障診斷工作的深入研究不足，氣體壓力調(diào)節(jié)閥的故障診斷研究報(bào)道少見，尤其

3、大流量氣體壓力調(diào)節(jié)閥故障診斷的報(bào)道就更為鮮見，高性能大流量調(diào)節(jié)閥的最先進(jìn)技術(shù)都被國外公司壟斷，而且許多關(guān)鍵的調(diào)節(jié)閥價(jià)格高達(dá)數(shù)十萬，甚至數(shù)百萬人民幣。因此大流量調(diào)節(jié)閥的故障診斷方法從理論研究和實(shí)際應(yīng)用都有大量的工作要做。
　　 由于大流量混合煤氣調(diào)節(jié)閥應(yīng)用場合的特殊性，在正常運(yùn)行工況下很難提取故障發(fā)生時(shí)的事故特征，而且由于流場脈動(dòng)，直接信號檢測分析方法難以甄別異常的信號產(chǎn)生的原因;當(dāng)開發(fā)調(diào)節(jié)閥新產(chǎn)品時(shí)，用于故障診斷的知識獲取成為實(shí)

4、現(xiàn)故障診斷的瓶頸。而基于模型的故障診斷方法將系統(tǒng)的模型和實(shí)際系統(tǒng)冗余運(yùn)行，通過對比產(chǎn)生殘差信號，剔除控制信號對系統(tǒng)的影響因素，基于模型的方法適合于調(diào)節(jié)閥的故障診斷。對于基于模型的故障診斷方法，建立數(shù)學(xué)模型是關(guān)鍵問題。調(diào)節(jié)閥中的介質(zhì)流動(dòng)受物理守恒定律的支配，因此建立調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型采用“灰箱理論”的方法，即將理論建模方法和系統(tǒng)辨識建模方法結(jié)合起來:機(jī)理已知的部分采用理論建模方法，機(jī)理未知的部分采用系統(tǒng)辨識建模的方法。
　　 輸

5、入輸出數(shù)據(jù)是系統(tǒng)辨識的基礎(chǔ)，由于大流量調(diào)節(jié)閥的工作環(huán)境的特殊性，采取做樣機(jī)試驗(yàn)的方法在試驗(yàn)室環(huán)境下獲取數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展，對于傳統(tǒng)的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)耗時(shí)長、成本高以及試驗(yàn)條件下模擬實(shí)際工況的局限性等問題，利用數(shù)值模擬手段分析流體流動(dòng)問題的優(yōu)越性和可靠性越來越明顯。從計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的角度對物理守恒定律的數(shù)學(xué)描述可以得到調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)在時(shí)間和空間上定量描述流場的數(shù)值解，因此應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法研究調(diào)節(jié)閥

6、流場，可以克服試驗(yàn)室條件的局限性，在場變量近似值的基礎(chǔ)上獲取輸入輸出數(shù)據(jù)，然后按照最小二乘法辨識方法，建立調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。
　　 通過混合煤氣的組分相關(guān)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，給出了在調(diào)節(jié)閥流場中混合煤氣特性的判斷方法和依據(jù);研究不同開度情況下調(diào)節(jié)閥流道CAD模型的快速建模方法和分塊劃分網(wǎng)格方法，可以滿足不同情況的數(shù)值試驗(yàn)要求、提高建模效率，并得到網(wǎng)格質(zhì)量較好的網(wǎng)格模型，從而保證計(jì)算準(zhǔn)確性;確立調(diào)節(jié)閥流場的控制方程、離散化方法以及

7、數(shù)值計(jì)算方法，得到調(diào)節(jié)閥流場CFD模型的建模和求解的思路，解決調(diào)節(jié)閥流場數(shù)值試驗(yàn)中關(guān)于試驗(yàn)方案、試驗(yàn)過程以及結(jié)果后處理等問題，并分別完成了大流量調(diào)節(jié)閥正常工作狀態(tài)、泄漏故障狀態(tài)以及堵塞故障狀態(tài)的數(shù)值試驗(yàn)。
　　 根據(jù)數(shù)值試驗(yàn)的結(jié)果分析輸入輸出變量之間的變化關(guān)系，確定系統(tǒng)辨識模型的模型類型。根據(jù)參數(shù)辨識方法建立準(zhǔn)則函數(shù)，對調(diào)節(jié)閥流場的基于壓力和開度的瞬態(tài)模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì);利用數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果分析壓力損失和開度變化對流場滯后現(xiàn)象的影響規(guī)

8、律，確立采樣時(shí)間的函數(shù)類型，通過參數(shù)估計(jì)建立調(diào)節(jié)閥出口壓力的采樣時(shí)間控制模型;根據(jù)正常狀態(tài)和故障狀態(tài)的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果，考察瞬態(tài)模型預(yù)測的調(diào)節(jié)閥出口壓力變化規(guī)律，采用實(shí)際出口壓力相對于預(yù)測值的變化趨勢，即出口壓力相對于預(yù)測值偏差的大小和趨勢作為故障征兆，為實(shí)現(xiàn)泄漏故障和堵塞故障的診斷提供依據(jù)。
　　 根據(jù)調(diào)節(jié)閥流場的數(shù)學(xué)模型研究結(jié)果，給出調(diào)節(jié)閥故障診斷中殘差的設(shè)計(jì)原則以及閾值和故障分析殘差的定義，提出基于統(tǒng)計(jì)方法的殘差算法，完成調(diào)節(jié)

9、閥故障指示器的設(shè)計(jì);根據(jù)確定的故障監(jiān)測與診斷的詳細(xì)步驟，分析硬件和軟件的功能要求，確定所需硬件，選擇軟件開發(fā)平臺，結(jié)合開發(fā)平臺特點(diǎn)確定調(diào)節(jié)閥故障監(jiān)測與診斷過程的數(shù)據(jù)流向，為基于瞬態(tài)模型的調(diào)節(jié)閥故障監(jiān)測與診斷的相關(guān)軟件開發(fā)與應(yīng)用提供指導(dǎo)方案。
　　 選擇試驗(yàn)平臺中的測試設(shè)備和試驗(yàn)管路，確定相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸和元件安裝尺寸，在穩(wěn)壓試驗(yàn)平臺進(jìn)行調(diào)節(jié)閥流場的測試試驗(yàn);同時(shí)根據(jù)測試平臺的試驗(yàn)管路結(jié)構(gòu)尺寸，利用快速建模方法分別建立不同開度下試驗(yàn)

10、管路中小流量調(diào)節(jié)閥的三維模型并分塊劃分網(wǎng)格，進(jìn)行小流量調(diào)節(jié)閥的數(shù)值試驗(yàn)，并根據(jù)測試元件的安裝尺寸處理試驗(yàn)結(jié)果;根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建立小流量調(diào)節(jié)閥流場的瞬態(tài)模型和采樣時(shí)間控制模型，對測試試驗(yàn)結(jié)果和小流量調(diào)節(jié)閥瞬態(tài)模型的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行比對。比對結(jié)果證明:論文提出通過對殘差信號的分析實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥故障監(jiān)測與診斷的方法是可行的，即瞬態(tài)模型對于調(diào)節(jié)閥流場狀態(tài)的預(yù)測結(jié)果具有有效性，同時(shí)證明采用CFD方法進(jìn)行調(diào)節(jié)閥流場數(shù)值試驗(yàn)具有可靠性。
　　 綜上所

11、述，論文以大流量混合煤氣的壓力調(diào)節(jié)閥為研究對象，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的有關(guān)理論，結(jié)合CFD軟件，對大流量調(diào)節(jié)閥的瞬態(tài)壓力場規(guī)律進(jìn)行研究;應(yīng)用系統(tǒng)辨識的有關(guān)理論得到了調(diào)節(jié)閥的壓力場參數(shù)，建立了調(diào)節(jié)閥瞬態(tài)流場的數(shù)學(xué)模型;應(yīng)用故障診斷理論提出大流量調(diào)節(jié)閥故障監(jiān)測與診斷的方法，從而既保證調(diào)節(jié)閥在工作過程中的可靠性，又避免調(diào)節(jié)閥的“維修過?！眴栴}。論文研究結(jié)果對推動(dòng)鋼鐵廠的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工程的進(jìn)一步發(fā)展具有重要的理論意義和工程實(shí)踐價(jià)值，也為