先導式氣體減壓閥靜壓分析

介紹了氣體先導式減壓閥的工作原理，建立了減壓閥閥芯節流數學模型，分析了減壓閥靜態特性和動態特性。先導活塞式氣體減壓閥由主閥和導閥兩部分組成。主閥主要由閥座、主閥盤、活塞、缸套、彈簧等零件組成。通過調節調節彈簧壓力設定出口壓力、利用膜片傳感出口壓力變化，通過導閥啟閉驅動活塞調節主閥節流部位過流面積的大小，實現減壓穩壓功能。
1、先導式氣體減壓閥靜壓分析先導式減壓閥的概述
　　減壓閥是一種自動降低管路工作壓力的專門裝置，作用是在給定減壓范圍后，將閥前管路較高的壓力降低至閥后管路所需的水平。減壓閥廣泛用于高層建筑、城市給水管網水壓過高的區域、礦井和氣體管路等。隨著工業控制精度的提高，減壓閥的控制精度也逐步提高，要求閥后壓力穩定，過流能力大，反向壓力損失小，瞬態恢復時間短，減壓和卸壓時間短，壓力超調率低，開展減壓閥靜態和動態特性研究，有利于了解其控制能力和狀態。
2、先導式氣體減壓閥靜壓分析先導式減壓閥的工作原理
　　先導式減壓閥是一種活塞式的減壓閥，是氣動調節閥的*配件。先導式減壓閥的內部比較復雜，有安裝主閥、導閥等一些元件。先導式減壓閥是通過這兩部分的同時作用來實現減壓的作用。然后整個實現氣體減壓和穩壓的性質上是比較復雜的，伴隨著很多的能量轉換。先導式減壓閥主要由閥體、主彈簧、主閥芯、主閥座、活塞、先導閥芯、先導閥座、先導活塞和調整彈簧等組成(圖1) 。擰動調節螺釘，壓縮調整彈簧，頂開先導閥芯，介質從進口側進入活塞上方，由于活塞面積大于主閥閥芯面積，推動活塞向下移動，使主閥打開，由閥后壓力平衡調節彈簧的壓力改變導閥的開度，從而改變活塞上方的壓力，控制主閥芯的開度使閥后壓力保持恒定。
先導式減壓閥通過改變節流面積，讓管道系統中的流速及流體的動能發生改變，產生不同程度的壓力損失之后，達到管道內部減壓的目的，通過細致控制和調節，讓閥門內部壓力的波動與彈簧力達到一種平衡，終使得管道中的閥后壓力保持在一定的誤差范圍內恒定。
　　先導式減壓閥運用液壓工作原理來實現控制。先導式減壓閥作為一個局部壓力變化調整和節流的元件，通過調節進口壓力，將其降低至某一設定的出口壓力范圍內，然后憑借介質本身的能量，讓出口壓力自動保持穩定的閥門。
1. 閥體2. 主彈簧3. 主閥芯4. 主閥座5. 活塞6. 密封7. 先導閥芯8. 先導閥座9. 先導活塞10. 調整彈簧先導式減壓閥減壓閥基本原理是采用氣體在管路中的節流效應而減壓。閥芯節流處方程為

3、先導式氣體減壓閥靜壓分析先導式減壓閥的仿真建模
　　先導式減壓閥采用AMESim 軟件( Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering System) 建模( 圖2) 。假設氣體為理想氣體，滿足理想氣體狀態方程。忽略減壓閥工作過程的溫度變化和節流處的阻尼，工作過程中節流處流量系數不變; 各容腔內的壓力場均勻分布，氣源為恒壓源。
1. 主彈簧2. 活塞3. 主閥芯4. 出口5. 氣體屬性 6. 氣源7. 調整彈簧8. 先導閥芯9. 先導活塞10. 式減壓閥AMESim 模型
4、先導式減壓閥的特性分析
　　減壓閥的特性分靜態特性和動態特性兩種。靜態特性是指在穩定流動狀態下，減壓閥出口壓力與進口壓力或流量等參數間的函數關系。動態特性是指在進口壓力或流量突然變化或其他擾動因素的作用下，減壓閥出口壓力與時間的函數關系。將先導式減壓閥前的開關閥關掉，開啟減壓閥后的開關閥，制造下游低壓環境，。再將調節螺釘按逆時針旋轉至上位置，先關閉閥后的開關閥，慢慢開啟閥前的開關閥至全開。順時針慢慢旋轉調節螺釘，將出口壓力調至所需要的壓力，調整好后，將鎖緊螺母鎖緊，打開閥后開關閥。如在調整時出口壓力高于設定壓力，須從步開始重新調整。

　　先導式減壓閥調壓步驟
　　1、首先，關閉先導式減壓閥前的閘閥，然后開啟先導式減壓閥裝備上的閘閥，實現下游低壓狀態。
　　2、將先導式減壓閥的調節螺釘按逆時針旋轉至上位置，記住千萬不能順時針旋轉，然后關閉先導式減壓閥的后方的閥。
　　3、慢慢開啟先導式減壓閥前的閘閥，知道前閥全部打開。
　　4、這時候，需要把先導式減壓閥的閥門按順時針旋轉，主要是為了將出口壓力調至所需要的壓力。
　　5、如在調整先導式減壓閥的時出現出口壓力比設定的壓力要高，這是需要停止下面的操作，然后從步開始重新調整。
　　4.1、靜態特性
　　靜態仿真結果如圖3 所示，P1為進口試驗壓力( P1 = 20MPa) ，P2為出口試驗數據，P2 - 20、P2 - 15和P2 - 10分別為進口試驗壓力為20MPa、15 MPa 和10MPa 下的仿真出口壓力。從試驗結果分析，進口壓力為20 MPa 時，其試驗數據和仿真P2 - 20數據變化
　　趨勢基本相同，初始階段出口壓力快速上升。經過適當振蕩后壓力逐漸穩定，超調量較小僅為3%，終試驗數據穩定在4. 35 MPa，P2 - 20穩定在4.25MPa，兩者有一定差異，但在可接受范圍內，模型較準確。利用模型仿真的進口壓力15 MPa 和10MPa下出口壓力的變化情況，對比P2 - 20、P2 - 15和P2 -10曲線可以發現，三條曲線變化趨勢相同。在穩定階段壓力波動狀態*一致，在不同壓力下出口壓力也不相同，進口壓力越小則出口壓力也越小，但比進口壓力減小比例小，即出口壓力變化小，符合減壓閥設計要求。

1. P1—進口試驗數據　2. P2—出口試驗數據　3. P2 - 20—仿真進口壓力為20MPa 時的出口數據　4. P2 - 15—仿真進口壓力為15MPa 時的出口數據　5. P2 - 10—仿真進口壓力為10MPa 時的出口數
圖3 進口壓力和出口壓力的試驗和仿真數據
　　4.2、動態特性
　　根據靜態特性分析，對模型進行了優化處理，首先模型中增加了彈性元件的總剛度Kt以提高活動系統的固有頻率，提高抗干擾能力，其次減小了模型中活動件質量，活動件質量越小，運動時慣性力越小，這樣較小的阻尼力就可抑制系統的自激振蕩。
　　將進口壓力P1從20 ～ 10MPa 變化，觀察出口壓力P2的變化( 圖4) 。1 ～ 2s 時進口壓力從20MPa逐漸降為15MPa，2 ～ 3s 時進口壓力逐漸降為10MPa。在此過程中，出口壓力也逐漸降低。在1～ 2s 和2 ～ 3s 期間出口壓力微小波動，終穩定，平均出口壓力分別為3. 7MPa 和3. 2MPa，與靜態分析中三種進口壓力條件下出口壓力值一致。在1s 和2s 時出口壓力隨著進口壓力降低而突降，當3s 時進口壓力升至20MPa，出口壓力突升至4MPa。出口壓力在進口壓力突降和突升過程中壓力沒有出現明顯的波動。

5、結語
　　利用AMESim 軟件建立仿真模型分析先導式減壓閥靜態和動態特性過程中，可以通過優化模型結構，獲得需要的閥門性能，縮短了閥門研發周期，節約了設計制造成本。