在鋼廠混合煤氣循環(huán)發(fā)電工程中，需要用控制閥控制混合煤氣輸送管道中的壓力脈動，以保證送往燃氣輪機的混合煤氣壓力穩(wěn)定、機組正常發(fā)電?；旌厦簹鉄嶂档停虼嗽谙嗤b機容量下相對天然氣系統(tǒng)，混合煤氣燃料管道的直徑和燃料控制閥尺寸增大3～4倍，相應混合煤氣的壓力控制閥口徑也要增大。增加閥門口徑是滿足大流量要求的有效措施之一。但是控制閥零件尺寸的增加，會使氣體密封性能變差。
混合煤氣主要可燃成分中含有有毒的CO氣體，一旦泄漏會存在安全隱患，因此對大流量氣體燃料控制閥的泄漏故障診斷方法進行研究有著重要的實際意義。
1 控制閥泄漏故障機理
1．1 控制閥泄漏的種類
控制閥泄漏分為兩種：外部泄漏和內部泄漏。外泄漏常見于閥體、閥桿、填料函與閥體的連接部位；調節(jié)閥關閉不嚴形成的泄漏為內泄漏，發(fā)生在閥座密封處。以圖1所示結構的控制閥為研究對象，重點研究其外泄漏故障的機理。根據泄漏部位的不同，外泄漏故障可以分為：法蘭處的泄漏、閥蓋處的泄漏、壓蓋處的泄漏、閥體泄漏。按故障發(fā)生時涉及的零件不同，對外泄漏故障分類進行總結分析，可以得到控制閥發(fā)生外泄漏的機理，具體情況見表1。
1.2 泄漏時的壓力變化
從混合煤氣的粘性角度考慮，當流體沿管道流動時，由于流體分子之間及其與管壁間的摩擦，須消耗部分機械能以克服此摩擦阻力；而流體由于流動方向及速度的改變會產生局部漩渦和撞擊，也要損失機械能，機械能的損失會導致流體壓力下降。因此當控制閥發(fā)生泄漏故障時，泄漏處的流體流動會帶來新的機械能損失，新?lián)p失的機械能會導致新的壓力損失。
設控制閥入口壓力為p，出口壓力為p1，pf為克服摩擦力引起的壓力損失，壓力降為Δp1。當發(fā)生泄漏時，出口處壓力為p2，此時的壓力降為Δp2，由于泄漏產生的壓力損失為pL，則有如下關系式：
由式（4）可知，發(fā)生泄漏時，在相同開度下控制閥的出口壓力降低。
由于混合煤氣在傳輸過程中存在壓力信號波動，僅通過簡單的壓力變化分析，難以檢測出調節(jié)閥的泄漏故障，因此需要在此基礎上找到更為有效的解決辦法。
2 控制閥泄漏故障的診斷方法
2.1 混合煤氣的流動狀態(tài)
在建立控制閥泄漏故障數(shù)學模型時，需要明確混合煤氣在控制閥中的流動狀態(tài)和類別，以明確有關的邊界條件。
鋼廠循環(huán)發(fā)電工藝中，混合煤氣由高爐煤氣和焦爐煤氣組成，常用高焦比為7∶3。由高爐煤氣的組元成分和焦爐煤氣的組元成分得到混合煤氣的組元體積及相關數(shù)據（表2）。
設混合煤氣的絕熱指數(shù)為Kh，氣體常數(shù)為Rh（J/kg•K），當?shù)匾羲贋閍h（m/s），馬赫數(shù)為Mh，則有：
式中
R——氣體常數(shù)，R=8.314J/mol•K；
T——混合煤氣的溫度，取平均溫度T=548K；
V——混合煤氣的流速，取平均流速V=16.25m/s。
由式（5）～（8）聯(lián)立求解可得混合煤氣的馬赫數(shù)Mh=0.0367，即Mh＜0.3。流動過程中由于壓力變化引起的密度變化不到5%，此時氣體可以看作不可壓縮流體。因此混合煤氣的氣體流動可以近似地看作是不可壓縮流體流動，即在流動過程中，混合煤氣的密度ρ為常數(shù)。
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2.2 壓力與速度及密度的關系
由流體力學中的伯努利方程可以得到壓力與速度的關系。理想不可壓縮流體的伯努利方程為：
式中
γ ——重度，N/m3，即γ=ρg；
ρ ——混合煤氣密度，kg/m3；
g ——重力加速度，m/s2；
V ——煤氣閥入口速度，m/s；
V1——正常狀態(tài)下煤氣閥出口速度，m/s；
z，z1——不同截面處流體距離基準的高度，m。
考慮到實際中存在的摩擦力影響以及氣體重度較小的因素，可以由式（9）推出實際中對控制閥入口和出口處列出的伯努利方程，從而得到壓力和速度的關系：
根據氣體狀態(tài)方程可得密度和壓力的關系：
2.3 控制閥泄漏故障的數(shù)學模型
設Qm為閥體入口處的質量流，即單位時間流入的質量；Qm1為正常工作狀態(tài)下閥體出口處的質量流；Qm2為發(fā)生泄漏時閥體出口處的質量流。根據質量守恒定律，如果沒有泄漏故障，流入控制閥的氣體質量和流出控制閥的氣體質量相等，反之亦然。則泄漏故障的數(shù)學模型為：
式中
V2——泄漏故障發(fā)生時混合煤氣出口速度，m/s；
A——流過的斷面面積，m2。
將式（10）、（11）代入式（12）可以得到質量流與壓力和流量的函數(shù)關系：
式中
Qv——煤氣閥入口體積流量，m/s。
通過測量壓力與流量信號，監(jiān)測質量流變化情況，對控制閥的泄漏故障進行診斷。
3 泄漏故障診斷的仿真與實現(xiàn)
對依據質量流變化情況建立的泄漏故障數(shù)學模型進行仿真，仿真條件根據實際工藝條件確定：
a．入口壓力p在2.08～2.86MPa波動；
b．入口流量Qv在23.75～26.75m3/s波動；
c．斷面面積A=1．5384m2；
d．混合煤氣氣體常數(shù)Rh=343.82J/kg•K；
e．混合煤氣氣體溫度T=548K。
在LabVIEW環(huán)境下，以上述條件對控制閥的正常和泄漏狀態(tài)分別進行仿真。仿真結果表明，在發(fā)生泄漏故障時，出口的質量流相對正常狀態(tài)的質量流會發(fā)生明顯變化，如圖2所示。
泄漏故障診斷部分作為控制閥智能故障診斷系統(tǒng)的子系統(tǒng)，控制結構框圖如圖3所示。
4 結束語
泄漏故障診斷是控制閥智能診斷系統(tǒng)中的關鍵部分，泄漏故障信號的采集與處理對能否實現(xiàn)泄漏故障自診斷有著重要意義。依據質量守恒定律對控制閥出、入口處質量流變化進行對比，得到了采用壓力信號和流量信號表達的質量流征兆作為故障診斷征兆、實現(xiàn)泄漏故障診斷的具體解決方法，通過仿真實驗證明該診斷方法的有效性。
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