電磁泄放閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2014-08-06 焦子婕 武漢鍋爐集團(tuán)閥門有限責(zé)任公司

  介紹了電磁泄放閥的結(jié)構(gòu)形式和工作原理。分析了實(shí)際運(yùn)行中電磁泄放閥啟跳緩慢的原因,論述了電磁泄放閥中輔閥的性能和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1、概述

  電磁泄放閥是一種由壓力電信號(hào)控制開啟及關(guān)閉的閥門,用來防止鍋爐內(nèi)蒸汽壓力超過規(guī)定值的保護(hù)裝置,它與安全閥配合使用,安裝在過熱器出口處安全閥上游,整定壓力設(shè)定在過熱器的工作壓力和安全閥最低整定壓力之間。它在全啟式彈簧安全閥動(dòng)作之前開啟,排除多余蒸汽,以保證鍋爐在規(guī)定壓力下安全運(yùn)行。同時(shí)減少安全閥啟跳次數(shù),從而保護(hù)安全閥,真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為可以延長安全閥的使用壽命。

2、工作原理

  電磁泄放閥主要由主閥、輔閥和電磁鐵組成(圖1)。主閥包括大閥體、閥瓣、閥座和中間隔層等,輔閥包括小閥體、閥座、閥桿和彈簧等。電磁鐵是接收閥門開啟、關(guān)閉信號(hào)的控制裝置。

  該電磁泄放閥的主閥密封呈倒密封結(jié)構(gòu)形式,在鍋爐升壓過程中,介質(zhì)從主閥閥瓣與中間隔層之間的間隙進(jìn)入閥瓣背面,在輔閥與主閥形成的密閉空間內(nèi)聚集,隨著介質(zhì)壓力的升高,主閥保持密封。當(dāng)鍋爐繼續(xù)升壓并超過規(guī)定壓力后,壓力變送器發(fā)出信號(hào),使電磁鐵通電吸合,通過提升輔閥閥桿,使輔閥打開,主閥閥瓣背面的蒸汽通過輔閥排出,使主閥閥瓣背壓急劇下降,主閥瓣在進(jìn)口蒸汽壓力的作用下,壓縮其背部彈簧向下運(yùn)動(dòng),使蒸汽快速排出。當(dāng)鍋爐壓力恢復(fù)到設(shè)定壓力時(shí),壓力變送器發(fā)出信號(hào),電磁鐵斷電,輔閥閥瓣在彈簧作用下關(guān)閉。蒸汽從中間隔層與主閥閥瓣之間的間隙再次進(jìn)入閥瓣背面的密閉空間,當(dāng)背壓達(dá)到一定壓力時(shí),主閥閥瓣關(guān)閉并保持密封。

電磁泄放閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.主閥閥體 2.主閥閥瓣 3.主閥閥座 4.電磁鐵 5.輔閥

圖1 電磁泄放閥

3、性能分析

  從電磁泄放閥的工作原理分析,閥門啟閉動(dòng)作和密封性能與輔閥有直接關(guān)系,故輔閥的設(shè)計(jì)尤為重要。

3.1、輔閥口徑

  電磁泄放閥能靈活啟閉取決于主閥閥瓣的背壓升降速度,而背壓升降快慢的條件與輔閥的口徑有關(guān)。輔閥口徑太小,會(huì)使主閥開啟緩慢影響閥門的排放能力。輔閥口徑太大,背壓升高緩慢,回座壓差太大,且輔閥不易與主閥固定。以DN100-P5410V的電磁泄放閥為例,其整定壓力為10.2MPa,選擇輔閥口徑。

  DN100的主閥閥瓣外徑D=114-0.12-0.17,中間隔層內(nèi)徑d=114+0.12+0.07,則閥瓣與隔層的最大間隙面積A和輔閥通道孔直徑d為

電磁泄放閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

  選擇通徑為DN10的輔閥匹配DN100的主閥。在運(yùn)行調(diào)試過程中,記錄的電磁泄放閥的回座壓力為10.01MPa,則回座壓差為1.86%,滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的啟閉壓差2%。

3.2、討論與分析

  在理論設(shè)計(jì)中,DN10的輔閥完全滿足DN100主閥的動(dòng)作要求,但在實(shí)際運(yùn)行中DN100的主閥開啟緩慢,從排放聲音判斷未達(dá)到全開啟。這一現(xiàn)象說明DN10輔閥的排放量小于DN100主閥閥瓣與內(nèi)件間隙的進(jìn)氣量。根據(jù)理論設(shè)計(jì),圖紙中要求閥瓣的上偏差與內(nèi)件下偏差所構(gòu)成的最大間隙面積小于DN10輔閥的通道面積。通過實(shí)際測量,主閥閥瓣外徑為Φ113.85mm,中間隔層內(nèi)徑為Φ114.1mm,則其間隙面積ΔS為

電磁泄放閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

  由計(jì)算可知,導(dǎo)致排量不足的原因可能是輔閥的開啟高度不足或電磁鐵產(chǎn)生引力不夠等,并不是由于加工誤差引起的。試驗(yàn)中,在關(guān)閉試驗(yàn)介質(zhì)的情況下,接通電磁鐵電源,使輔閥空載動(dòng)作,發(fā)現(xiàn)輔閥的閥桿高頻上下顫動(dòng),無法保持開啟狀態(tài)。該現(xiàn)象是導(dǎo)致主閥背壓的介質(zhì)無法通過輔閥連續(xù)排出,使得主閥開啟緩慢,未達(dá)到全開啟的原因之一。

3.3、電磁鐵拉力

  電磁鐵型號(hào)為MZ13F-215-6B,其瞬時(shí)最小力為2.15kN,保持吸合力為1.35kN,吸合行程6mm。彈簧剛度k=(3245-1215)×16.7≈302.99。彈簧安裝后,預(yù)緊壓縮量x=5.5mm,則閥門密封。預(yù)緊力F1=kx=302.99×5.5=1.666kN,輔閥打開后彈簧力F2=302.99×(5.5+6)=3.484kN,介質(zhì)作用力為F3=πPd2/4=801.1MPa,則輔閥開啟時(shí)電磁鐵所需克服的拉力T1=F1-F3=0.865kN<2.15kN,輔閥開啟后電磁鐵所需克服的拉力T2=F2-F3=2.683kN>1.35kN。

電磁泄放閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖2 彈簧

  經(jīng)計(jì)算分析,輔閥無法保持開啟狀態(tài)說明電磁鐵的拉力不足,輔閥開啟后電磁鐵所克服的拉力大于其吸合力,故出現(xiàn)了通電時(shí)閥桿高頻上下顫動(dòng)的現(xiàn)象,致使閥門無法正常開啟,使得電磁鐵斷電,閥門回座后輔閥無法密封。主閥會(huì)因?yàn)檩o閥泄漏,體腔內(nèi)無法維持壓力平衡,主閥始終處于接近起跳值的臨界狀態(tài)。除了鍋爐啟動(dòng)時(shí),輔閥閥瓣結(jié)合面存在灰塵雜物,對(duì)閥瓣密封面的損傷以外,電磁鐵通電時(shí)閥桿高頻上下顫動(dòng)也是輔閥頻繁出現(xiàn)泄漏的原因之一。

4、優(yōu)化設(shè)計(jì)

  通過受力計(jì)算分析,引起輔閥閥桿高頻上下顫動(dòng)的原因是輔閥提供密封的彈簧力過大。如果提高電磁鐵的吸合力則需要購買更大拉力的電磁鐵,成本較高。在不影響密封的情況下,通過降低彈簧力解決存在的問題。

  根據(jù)胡克定律,彈簧力F為

  F=kx

  式中F———彈簧力,N

  k———彈簧剛度

  x———彈簧變形量,mm

  影響彈簧力的兩個(gè)因素是彈簧剛度和壓縮量。輔閥的開啟高度為2.5mm,電磁鐵的行程為6mm,均無法調(diào)節(jié),故從彈簧剛度方面降低彈簧力。通過設(shè)計(jì)驗(yàn)算,新設(shè)計(jì)的彈簧,其剛度k=116,安裝時(shí)預(yù)緊壓縮10mm,則彈簧密封預(yù)緊力F4=116×10=1.16kN。輔閥開啟后彈簧力F5=116×(10+6)=1.856kN,則輔閥開啟時(shí)電磁鐵所需克服的拉力T3=F4-F3=358.89N<2.15kN,輔閥開啟后電磁鐵所需克服的拉力T4=F5-F3=1.054kN<1.35kN。并且調(diào)整了輔閥彈簧剛度,加大彈簧壓縮量后,彈簧預(yù)緊力F4>介質(zhì)作用力F3,輔閥仍能密封,所以更改后的彈簧可以使用。

5、結(jié)語

  通過適當(dāng)?shù)慕档洼o閥彈簧剛度,提高彈簧的壓縮量,保證了閥門準(zhǔn)確快速啟跳,解決了輔閥頻繁開啟而造成的密封面磨損問題,同時(shí)降低了成本。優(yōu)化后的電磁泄放閥通過試驗(yàn)檢測,開啟迅速,調(diào)整可靠、準(zhǔn)確,回座后密封情況良好,啟閉壓差可調(diào)節(jié)到2%,滿足閥門的使用要求。