2.脉冲阀综合性能测试方法及装置的研究

发布时间:2020-10-20 浏览量:698

陈隆枢  (中钢集团安全环保研究院)

朱德生  (上海尚泰环保配件有限公司)


摘   要:长期以来,脉冲阀的性能被归结为以流量系数Cv或Kv表示,但该参数不适于以气体为介质的阀门,更不能反映直接影响清灰效果的脉冲阀开关性能。本文提出建立脉冲阀综合性能测试装置,将脉冲阀的喷吹能量施加于装有传感器件的“标靶”,通过其感受到的气脉冲压力、加速度等参数,综合评价脉冲阀的性能。国内已制成两套测试装置,经多种方式检验,证明工作可靠,数据重复性好,性能稳定。已用于产品质量监测、新产品开发、不同品种脉冲阀的性能比对等,获得良好效果。

关键词:脉冲阀   综合性能   测试   标靶


1. 脉冲阀概述 

脉冲阀是脉冲袋式除尘器的核心部件,其性能直接影响该类除尘器的清灰效果。目前市场上脉冲阀的结构和型式繁多,有直角式、直通式、淹没式;有单膜片和多膜片型式;有膜片式、活塞式和阀片式。同一结构脉冲阀有多种规格,其通径(DN,mm)有8、15、20、25、40、60、80、100、120、150、200、250、300,最大脉冲阀的口径为DN400mm。结构、型式和规格的多样性,导致脉冲阀产品的质量和性能差别较大。此外,脉冲阀生产企业数量众多,即使同一结构和规格的脉冲阀,不同厂商产品的性能也存在较大的差异。

面对上述情况,脉冲阀行业迄今缺乏检测产品综合性能的统一方法和装置,难以准确地提供脉冲阀的性能参数,在设计过程中,往往只能参照以往工程的经验选用脉冲阀,容易造成选择失误:不是清灰能力不足而导致除尘器阻力过高,就是清灰能力过剩而增加无效的能耗。

目前,国内外一些企业参照气动元件的标准GB/T 14513-1993 《气动元件流量特性的测定》或国际标准ISO6358,用于评价脉冲阀的流量特性,并以此判定脉冲阀产品的优劣。

 

1.1 气动元件流量特性的表述方法[1] 

表述气动元件流量特性有多种方法,主要有:

1)流通能力Cv值和Kv值;

2)额定流量下的压力降;

3)流量—压力降特性曲线;

4)不可压缩状态下的有效截面积S值;

5)壅塞流态下的有效截面积S值;

6)流量系数Cd;

7)声速流导C值与临界压力比b值;

8)壅塞状态下的有效截面积S值和临界压力比b值。


1.2. 气动元件流量特性表述方法的局限性[1] 

1)上述方法大多不适于表述脉冲阀的流量特性: Cv值或Kv值用于计算不可压缩流动时的流量与压力降之间的关系比较合理;额定流量下的压力降和流量—压力降特性曲线,都只适用于不可压缩流态下的元件;不可压缩状态下的有效截面积S值适用于压降小于2%的气动元件,但不适于可压缩气体;流量系数Cd,因元件的最小界面位置不易确定,故难以准确测定相关参数。

2)受国外脉冲阀厂商的影响,我国很多脉冲阀厂商在产品样本中以Cv值或Kv值作为重要的性能指标。

Cv的定义为:在通过阀门的压力降为 1 磅/英寸²(1bf/in²)的标准条件下,温度为60℉(15.6℃)的水,每分钟流过阀门的美制加仑数(Usgal/min)。

Kv的定义为:在通过阀门的压力降为 1 巴(bar)的标准条件下,温度为 5~40℃的水每小时流过阀门的立方米体积流量(m³/h)。Cv=1.167Kv

测定Cv值和Kv值都是以水为工作介质,可能对气动元件带来不利的影响(如生锈)。而且,它是测定特定压力降下的流量,只表示流量特性曲线的不可压缩流动范围上的一个点,故用于计算不可压缩流动时的流量与压力降之间的关系比较合理。可见Cv和Kv都不适合用作评价脉冲阀性能的参数。

一家长期在我国以Cv值或Kv值为指标助推自己产品的国外公司,在自己资料中也说,“Cv值和Kv值是工业控制阀(常开式/常闭式)通过测试阀门进出口压降而计算出的阀门阻力系数。一个阀门的Cv或Kv值越高,表示阻力越小。对于电磁脉冲阀,由于目前还没有更快捷方便的方法,所以行业内也经常采用阀门厂家公布的Cv或Kv来进行清灰系统设计”。“由于Cv或Kv值的概念并不包含脉冲清灰时所产生的抖动能量,也不考虑现场压缩气能源的供应压力和流量,以及工艺、烟尘和滤料的实际清灰能量需要,因此如果只靠Cv或Kv值和方程式来计算喷嘴口径、被清灰的滤料面积,以及决定脉冲阀的大小选型,必将经常产生清灰系统失效的严重后果。”[2]

3)国际标准ISO6358规定,用声速流导C值与临界压力比b值作为表述气动元件流量特性的两个特性参数。通过试验,测定了气动元件的C值和b值,就可画出完整的气动元件的浏览特性曲线。但其测定方法难于保证两个特性参数测定的准确性,对测试仪表的测量范围和测量精度要求苛刻,且测试大通径元件时的耗气量太大,这是ISO6358标准存在的较大缺陷,因而难以实施。[3][4]

4)壅塞状态下的有效截面积S值和临界压力比b值,适用于可压缩流态下的元件,能确定元件的流量特性。国内有学者进行了有益的探索:建立了试验装置,用于测试壅塞流态下脉冲阀的有效截面积S值和临界压力比b值;并选取国内外四种典型脉冲阀分别进行试验;将试验装置的气包初始压力定为0.5 MPa,开启脉冲阀,连续排气4~6秒后关闭脉冲阀;自动采集其排气时的有关参数V—气包容积、Ta—气体温度、t—排气时间、p10—排气前气包内压力、p1∞—排气后气包内压力, p1—脉冲阀上游全压(即气包内压力)、p2—脉冲阀下游全压;对数据进行计算整理并绘制有关曲线。从而得出各脉冲阀壅塞状态下的有效截面积S值和临界压力比b值。结果证明,用该方法表述脉冲阀的流量特性是合适的[1]。


1.3. 流量特性不能反映脉冲阀最重要的性能

脉冲阀的工作原理以及其清灰机理,决定了对脉冲阀性能的表述远不能限于流量特性,更重要的还应包括脉冲阀的开关特性。

脉冲阀的工作过程具有以下特点:

1)时间短。从开启到关闭的气脉冲时间仅为80~200ms,少数特大脉冲阀时间长一点,也不超过500ms;

2)参数变化迅速。在上述的短暂时间内,流过脉冲阀的气体流量从零增加到最大值,又迅速减小为零;气流的压力也有类似的变化;

3)脉冲阀喷吹时的气体流量相当大。以DN80mm淹没式脉冲阀为例,当喷吹压力为0.2MPa、气脉宽为100ms时,其喷吹气量为0.196m³,其流量为1.96m³/s=117.6m³/min[5]。至于DN300mm以上的脉冲阀,在气脉冲宽度500ms条件下,喷吹气量超过5m³,其流量达600m³/min,相应喷吹压力为0.1MPa,对于绝大多数企业而言,建造符合上述要求的测试装置,几乎是不可能的。

4)脉冲阀的作用是产生高压气团,并高速作用于袋式除尘器的滤袋,破坏滤袋表面积附的粉尘层并使之脱离滤袋。据此,要求脉冲阀能够以最短的时间输出最多的压缩气体。为此,除了要求脉冲阀自身阻力小、流量特性好,脉冲阀还须开启迅速。[5]

对压缩气体产生激波的研究表明,压力≥0.1MPa的压缩气体在释放过程中就可产生激波,亦即达到声速,但前提条件是“瞬间释放”,若释放速度不够快速,则不能达此目标。实验室试验和现场应用结果表明:同等条件下,那些开启迅速的脉冲阀在下游形成的压力峰值更高、压力上升速度更快、对滤袋壁面造成的反向加速度更大,从而清灰效果更好。

4. 综上所述,按照现有国家标准和国际标准测量气动元件流量特性的方法,完全不能测量阀门的开关性能,不适合脉冲阀特性测量的要求,需要另辟蹊径。

 

2. 脉冲阀综合性能测试装置概要 

2.1. 基本思路 

1)作为脉冲袋式除尘器的核心部件,脉冲阀的作用是瞬间释放压缩气体的能量,以破坏滤袋表面积附的粉尘层,并使之脱离滤袋,从而实现滤袋的再生。脉冲阀和喷吹装置的工作效果体现为对滤袋表面粉尘层的破坏程度,在考核脉冲袋式除尘器的性能时,该喷吹效果是通过除尘器的阻力变化而衡量。

2)脉冲喷吹对滤袋表面粉尘层的破坏原理,与气体爆破的工作原理类同,都是瞬间释放高压气体能量,使压力急速上升,将目的物破坏。喷吹时,脉冲阀下游的压力峰值、压力上升速度及滤袋壁面获得的反向加速度,是衡量清灰能力的决定性指标,这已为大量的实验室试验和工程实践所证明。[6]

3)根据上述,可以考虑为测试装置设立一个“标靶”,用以替代粉尘层。标靶置于脉冲阀下游,直接承受脉冲阀输出的能量;借助于标靶上的压力传感器和加速度传感器,同时测量标靶上的压力峰值、压力上升速度,以及标靶加速度。通过这三项指标评价脉冲阀的喷吹能力,可以更真实地反映脉冲阀的综合性能。

对于不同的脉冲阀,在规定条件下令其对同一标靶分别进行喷吹,可以客观地比较彼此的性能异同。

 

2.2. 脉冲阀综合性能测试影响因素的取舍 

脉冲阀产品的结构、型号、规格繁多,其对配套件的要求也差异很大。为保证性能测试结果的真实性,测试时须保证被测脉冲阀与测试装置的对接符合原设计(或产品说明书)的要求。

测试装置应能真实反映脉冲阀的性能参数,又须结构简单、操作易行。为此要对与脉冲阀性能参数有关的因素进行甄别,剔除次要因素,仅留下主要因素,并据此设计试验装置、选用仪表和确定测试方法。

2.2.1 主要因素

所谓“主要因素”,就是与脉冲阀的性能参数直接关联的因素,亦即性能试验中不可或缺的因素。对于脉冲阀的主要因素,在测试时应当与原设计基本相同或相近。主要因素包括:①脉冲阀结构;②脉冲阀尺寸;③接口方式;④喷吹压力;⑤喷吹时间(包括电脉冲时间) ;⑥喷吹气量;⑦气包容积;⑧电磁阀类型和尺寸;⑨电脉冲信号的特性。

上述各因素中:

①、②、③、⑧和⑨皆由被测脉冲阀的生产厂商提供;

④通常为被测脉冲阀的额定压力,即厂家规定的工作压力;需要时,喷吹压力可在一定范围内调节,从而获得一组测试数据;

⑤喷吹时间指电脉冲时间,通常与被试验脉冲阀的额定喷吹时间一致;也可根据需要在一定范围内调节,以测得更多数据;

⑥喷吹气量以实测数据为准,被测脉冲阀生产厂商提供的数据可作参考;

⑦气包容积一项,鉴于业内对脉冲阀所需的气包容积看法差异较大,目前尚无统一标准,决定不采纳被试验脉冲阀生产者提供的数据,而按以下原则确定测试时的气包容积:脉冲阀喷吹后气包内剩余压力不小于喷吹压力的50%。


2.2.2. 次要因素

次要因素则是与脉冲阀性能参数间接有关、并可以避开的因素。对于脉冲阀的次要因素,在测试时可以忽略。次要因素包括:①气包型式和尺寸;②输出管结构和尺寸(直径、弯管曲率半径、两端直管长度) ;③喷吹管结构和尺寸(直径、长度);④喷吹管开孔型式、数量和直径;⑤滤袋尺寸和数量;⑥滤袋容尘种类和容尘量。

 

2.3. 脉冲阀综合性能测试装置的构成[7] 

测试装置由以下部件组成:气包、被测脉冲阀、标靶、空压机、储气罐、油水分离器、压气管路及附件、传感器、数据采集卡、计算机。

本装置的“目的物”是一个标靶。该标靶有足够大的质量体系和足够高的强度、刚性,不因承受脉冲阀的喷吹而导致损坏、变形或移动。标靶可以有一种规格,以便使不同的脉冲阀在同一标靶上试验和比较,也可根据需要设计两种以上规格。

气包容积与被测脉冲阀的喷吹气量相适应。气包容积可改变。按照“剩余压力不小于额定压力的50%”的原则和被测脉冲阀的喷吹气量,确定测试所需的气包容积。

被测脉冲阀应有厂商提供的初步数据:额定喷吹压力、喷吹时间(电脉冲时间)、喷吹气量,以及气包容积等。

标靶固定在地面上,或者置于稳固的支架上。载有被测脉冲阀的气包升降可调,并可水平移动,以便调节脉冲阀输出口与标靶的距离,并使喷吹输出口与标靶对中。

喷吹气源由空压机提供,并设有储气罐和油水分离器,供气管路上设有调压阀。

信号的取样依赖于传感器,在气包上设压力传感器,在标靶上设压力传感器和加速度传感器。在气包上还应有温度计、压力表、放水阀等附件。

数据采集卡用于采集传感器电信号,通过其将传感器输出的模拟信号转换成数字信号,并输入计算机。

计算机用于控制脉冲阀的喷吹、数据采集、存储、处理、绘制图形等。

脉冲阀综合性能测试装置如图2-1所示。


image.png 

图2-1  脉冲阀综合性能测试装置示意

1─空压机   2─储气罐   3─油水分离器   4─调压阀   5─压力传感器(1)   6─被测脉冲阀   7─气包(1)   8─计算机   9─数据采集卡   10─压力传感器(2)   11─加速度传感器   12─标靶   13─气包(2)


2.4. 脉冲阀综合性能测试装置控制系统要点[7] 

1)采用定时器同步触发 A/D,并与FIFO数据传输方式相结合,以提高系统的采样频率和数据的可靠性,满足控制系统高速采集数据的需要,保证数据采集和传输的连续性、完整性。

2)采用多线程的数据采集软件,使系统能够不间断地进行数据采集,同时又进行数据的在线实时处理,从而避免数据的丢失或不连续。主要包括数据采集、标志位辨别、数据传输、信号处理等线程。

3)系统抗干扰措施

在本实时控制系统中,必须采用各种抗干扰手段来抑制干扰对测量结果的影响。

控制系统所处现场存在部分电器的脉冲型干扰、继电器开断产生的随机型脉冲干扰、传感器以及变送器自身噪音等。这些干扰主要通过系统的工频进入,或通过电磁耦合以及监测元件进入。

采取的抗干扰措施包括:共模抑制技术;模拟地隔离技术;数字滤波处理技术。

对于采样信号中的各类噪音和失真采取软件滤波与硬件滤波相结合的方法。在正式采样中需进行全程背景噪音扣除,以消除系统误差。对采集到的数据实行五点三次平滑法滤波。采用程序判断滤波法,剔除采样信号中的“毛刺”干扰。


3. 脉冲阀综合性能测试内容及评价指标[6][7][8] 

3.1. 测试内容 

脉冲阀综合性能测试装置应测试并显示下列内容或参数:

1)喷吹压力,即脉冲阀喷吹前气包的压力P0,MPa;

2)脉冲阀输出(标靶表面)压力波形;

3)脉冲阀输出(标靶表面)压力峰值Pmax,MPa;

4)脉冲阀输出压力上升速度image.png ,kPa/ms ;

5)脉冲阀喷吹后气包的压力P1,MPa;

6)气包压力变化波形;

7)  标靶加速度波形;

8)标靶加速度峰值amax,m/s²;

9)电脉冲宽度td,ms;

10)电脉冲波形;

11)气脉冲宽度tq,ms;

12)气脉冲宽度与电脉冲宽度之差Δt,ms;Δt=tq-td

13)输出压力峰值与喷吹压力之比image.png,%;

14)脉冲阀自身阻力ΔP,MPa;ΔP=P1-Pmax

15)喷吹气量ΔQ,m³/阀∙次;

16)喷吹流量Δq,m³/ms;image.png


3.2. 脉冲阀综合性能评价指标 

以下六项参数为脉冲阀综合性能的评价指标:

1)脉冲阀输出(标靶表面)压力峰值Pmax,MPa;

脉冲阀输出气脉冲压力峰值Pmax是表征清灰强度的指标之一,压力峰值越高,清灰能力越强。

2)脉冲阀输出压力上升速度image.png ,kPa/ms ;

脉冲阀输出气脉冲压力峰值Pmax,与输出压力从零至达到峰值的时间dt之比,称为压力上升速度。压力上升速度是表征清灰强度的另一重要指标,压力上升速度越大,清灰能力越强。

3)标靶的加速度峰值amax,m/s²;

在脉冲袋式除尘器清灰能力评价中,滤袋壁面运动的最大反向加速度被证明是表征清灰效果的重要指标之一。脉冲阀综合性能测试装置不设滤袋,而以喷吹时气脉冲施加于标靶所产生的加速度峰值替代。

4)气脉冲宽度与电脉冲宽度之差Δt,ms;Δt=tq-td

电脉冲(电信号)与脉冲阀喷吹形成的气脉冲并非同步的。电脉宽可按照设定而精准地控制,脉冲阀的启、闭都受电信号控制,但存在滞后。过分滞后是脉冲阀性能差的表现,不但影响脉冲喷吹的清灰效果,也白白消耗了清灰动力。气、电脉冲宽度差是衡量脉冲阀开启和关闭的可控程度,也是脉冲阀响应速度的体现。

5)输出、输入压力比,亦即:输出压力峰值Pmax与喷吹压力P1之比image.png,%;

输出压力峰值Pmax与喷吹压力P1之比ɳP反映脉冲阀对压缩气体能量的利用效率,ɳP值越高,用于清灰的能量就越高,清灰效果越好。

6)喷吹流量Δq,m³/ms;image.png

长期以来,业界涉及脉冲阀的喷吹性能时,经常提到“喷吹气量”(单位是m³/阀∙次)。曾普遍认为,“喷吹气量越大,清灰效果越好”,这是一个误区。喷吹气量忽略了“时间”的因素,一些脉冲阀产品的额定电脉宽很长;还有的脉冲阀启、闭性能不好,导致气脉宽大大高于正常值;此外,运行中脉冲阀的节流通道阻塞,也会使气脉宽过长;凡此种种,结果都是喷吹气量很大,但对于清灰毫无作用,只能白白消耗压缩气体。[8][9][2]

实践证明,“喷吹流量”Δq是影响清灰效果的重要参数之一,它是喷吹气量ΔQ与气脉冲宽度dq的比值,单位是m³/ms。喷吹流量越大,清灰效果越好。


4. 脉冲阀综合性能测试装置的检验和应用 

4.1. 检验[7] 

迄今,国内至少建立了两套脉冲阀综合性能测试装置。对于其中一套装置专门进行了检验,以考察其测试脉冲阀综合性能的可靠性和稳定性。

选取了四个淹没式脉冲阀在测试装置上进行性能检测,其中三个阀的口径为Φ80mm,分别产自国内、台湾和国外;第四个脉冲阀的口径为Φ120mm,系本世纪初我国自行研发的大口径淹没式脉冲阀。通过改变节流孔面积、电脉冲时间、喷吹压力、阀门通径等因素,考察脉冲阀性能的变化情况,从而检验测试装置的可靠性。将测试数据同理论分析结论、以前的研究结果及实际应用的状况进行比较,证明相符,说明测试装置用于脉冲阀性能检测是可靠的。

在测试装置被证明可靠的基础上,对脉冲阀进行重复性采样测试,以验证测试装置的稳定性。结果表明,脉冲阀综合性能测试装置的测试数据重复性好,性能稳定。

 

4.2. 应用 

已经建成的两套脉冲阀综合性能测试装置在以下方面发挥了有力的作用。

1)助推大口径脉冲阀的研制顺利完成。本世纪初,一项名为“大口径脉冲阀研制”的研究项目,借助脉冲阀综合性能测试装置进行了大量的试验,使研制中的Φ120mm脉冲阀加速优化和定型,最终获得良好的性能。[10]

2)脉冲阀生产企业利用综合性能测试装置进行产品质量监控,按规定抽检脉冲阀成品,通过性能测试中发现的参数变化,能快速发现存在的缺陷,及时整改。对于新产品开发,测试装置是举足轻重的利器,新产品改进之处经过测试,其性能参数的变化一目了然。[8]

3)对国内外部分脉冲阀产品进行了相同条件下的性能测试,有利于加深了解,相互学习,取长补短。表4-1、4-2和4-3为部分测试数据,其中所列为两个国产阀和一个进口新型阀的性能参数。图4-1、4-2和4-3相应为三个阀的喷吹波形。三个阀皆为淹没式,口径为Φ80mm。从中可见,进口新型阀的多项技术指标优于国产,值得学习和借鉴。[8]


5. 结束 

长期以来,对于脉冲阀综合性能的测试缺少研究,未能形成有效而可靠的评价方法和装置,脉冲阀的喷吹性能参数不能通过实测而提供给用户,导致脉冲阀的选型普遍存在盲目性,不利于脉冲袋式除尘器的可靠运行。

国内对脉冲阀综合性能测试方法和装备进行了一些探索,工作还很粗浅。本文旨在抛砖引玉,引起业界对此问题的关注,共同努力,以改变目前脉冲阀选型的粗放局面,使脉冲袋式除尘器设计和制造者正确选用脉冲阀;确保除尘器清灰装置的有效、可靠和经济;同时引导生产企业提供性能优良的脉冲阀,并积极开发性能更佳的新产品。


参考文献

1. 喻同信等(上海信孚环保技术工程有限公司),脉冲阀流量特性的研究

2. 黄孟炀(高原控制有限公司上海代表处),GOYEN清灰系统电脑设计服务,澳大利亚高原控制有限公司资料 

3. 张士宏1,徐文灿2,对ISO6358-1 定压法的评说与建议,液压气动与密封,1916年04期

4. 秦胜林,关于气体阀门的流量特性定义及计算,科技展望,2016年20期

5. 武汉安全环保研究院,脉冲喷吹系统试验报告

6. 杨复沫, 脉冲袋式除尘器清灰能力的评价方法和手段的试验研究,武汉安全环保研究院硕士学位论文,1992  

7. 李兴华,脉冲阀性能检测装置的研究,武汉安全环保研究院硕士学位论文,2002

8. 朱德生(上海尚泰环保配件有限公司),科学探讨脉冲阀标识、膜片配置和选用中的几个问题,全国袋式过滤技术研讨会论文集,2015

9. 姚宇平(浙江菲达环保科技股份有限公司),袋式除尘器滤料及脉冲喷吹技术探讨,全国袋式过滤技术研讨会论文集,2005

10. 陈志炜等(武汉天澄环保科技股份有限公司),袋式除尘器脉冲阀性能评价方法及选型计算,全国袋式过滤技术研讨会论文集,2005


摘自“全国袋式除尘技术研讨会”论文集 2018 武汉  (P540)

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