电磁泄放阀的优化设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)武汉锅炉集团阀门有限责任公司 作者:焦子婕

  介绍了电磁泄放阀的结构形式和工作原理。分析了实际运行中电磁泄放阀启跳缓慢的原因,论述了电磁泄放阀中辅阀的性能和优化设计。

1、概述

  电磁泄放阀是一种由压力电信号控制开启及关闭的阀门,用来防止锅炉内蒸汽压力超过规定值的保护装置,它与安全阀配合使用,安装在过热器出口处安全阀上游,整定压力设定在过热器的工作压力和安全阀最低整定压力之间。它在全启式弹簧安全阀动作之前开启,排除多余蒸汽,以保证锅炉在规定压力下安全运行。同时减少安全阀启跳次数,从而保护安全阀,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为可以延长安全阀的使用寿命。

2、工作原理

  电磁泄放阀主要由主阀、辅阀和电磁铁组成(图1)。主阀包括大阀体、阀瓣、阀座和中间隔层等,辅阀包括小阀体、阀座、阀杆和弹簧等。电磁铁是接收阀门开启、关闭信号的控制装置。

  该电磁泄放阀的主阀密封呈倒密封结构形式,在锅炉升压过程中,介质从主阀阀瓣与中间隔层之间的间隙进入阀瓣背面,在辅阀与主阀形成的密闭空间内聚集,随着介质压力的升高,主阀保持密封。当锅炉继续升压并超过规定压力后,压力变送器发出信号,使电磁铁通电吸合,通过提升辅阀阀杆,使辅阀打开,主阀阀瓣背面的蒸汽通过辅阀排出,使主阀阀瓣背压急剧下降,主阀瓣在进口蒸汽压力的作用下,压缩其背部弹簧向下运动,使蒸汽快速排出。当锅炉压力恢复到设定压力时,压力变送器发出信号,电磁铁断电,辅阀阀瓣在弹簧作用下关闭。蒸汽从中间隔层与主阀阀瓣之间的间隙再次进入阀瓣背面的密闭空间,当背压达到一定压力时,主阀阀瓣关闭并保持密封。

电磁泄放阀的优化设计

1.主阀阀体 2.主阀阀瓣 3.主阀阀座 4.电磁铁 5.辅阀

图1 电磁泄放阀

3、性能分析

  从电磁泄放阀的工作原理分析,阀门启闭动作和密封性能与辅阀有直接关系,故辅阀的设计尤为重要。

3.1、辅阀口径

  电磁泄放阀能灵活启闭取决于主阀阀瓣的背压升降速度,而背压升降快慢的条件与辅阀的口径有关。辅阀口径太小,会使主阀开启缓慢影响阀门的排放能力。辅阀口径太大,背压升高缓慢,回座压差太大,且辅阀不易与主阀固定。以DN100-P5410V的电磁泄放阀为例,其整定压力为10.2MPa,选择辅阀口径。

  DN100的主阀阀瓣外径D=114-0.12-0.17,中间隔层内径d=114+0.12+0.07,则阀瓣与隔层的最大间隙面积A和辅阀通道孔直径d为

电磁泄放阀的优化设计

  选择通径为DN10的辅阀匹配DN100的主阀。在运行调试过程中,记录的电磁泄放阀的回座压力为10.01MPa,则回座压差为1.86%,满足标准规定的启闭压差2%。

3.2、讨论与分析

  在理论设计中,DN10的辅阀完全满足DN100主阀的动作要求,但在实际运行中DN100的主阀开启缓慢,从排放声音判断未达到全开启。这一现象说明DN10辅阀的排放量小于DN100主阀阀瓣与内件间隙的进气量。根据理论设计,图纸中要求阀瓣的上偏差与内件下偏差所构成的最大间隙面积小于DN10辅阀的通道面积。通过实际测量,主阀阀瓣外径为Φ113.85mm,中间隔层内径为Φ114.1mm,则其间隙面积ΔS为

电磁泄放阀的优化设计

  由计算可知,导致排量不足的原因可能是辅阀的开启高度不足或电磁铁产生引力不够等,并不是由于加工误差引起的。试验中,在关闭试验介质的情况下,接通电磁铁电源,使辅阀空载动作,发现辅阀的阀杆高频上下颤动,无法保持开启状态。该现象是导致主阀背压的介质无法通过辅阀连续排出,使得主阀开启缓慢,未达到全开启的原因之一。

3.3、电磁铁拉力

  电磁铁型号为MZ13F-215-6B,其瞬时最小力为2.15kN,保持吸合力为1.35kN,吸合行程6mm。弹簧刚度k=(3245-1215)×16.7≈302.99。弹簧安装后,预紧压缩量x=5.5mm,则阀门密封。预紧力F1=kx=302.99×5.5=1.666kN,辅阀打开后弹簧力F2=302.99×(5.5+6)=3.484kN,介质作用力为F3=πPd2/4=801.1MPa,则辅阀开启时电磁铁所需克服的拉力T1=F1-F3=0.865kN<2.15kN,辅阀开启后电磁铁所需克服的拉力T2=F2-F3=2.683kN>1.35kN。

电磁泄放阀的优化设计

图2 弹簧

  经计算分析,辅阀无法保持开启状态说明电磁铁的拉力不足,辅阀开启后电磁铁所克服的拉力大于其吸合力,故出现了通电时阀杆高频上下颤动的现象,致使阀门无法正常开启,使得电磁铁断电,阀门回座后辅阀无法密封。主阀会因为辅阀泄漏,体腔内无法维持压力平衡,主阀始终处于接近起跳值的临界状态。除了锅炉启动时,辅阀阀瓣结合面存在灰尘杂物,对阀瓣密封面的损伤以外,电磁铁通电时阀杆高频上下颤动也是辅阀频繁出现泄漏的原因之一。

4、优化设计

  通过受力计算分析,引起辅阀阀杆高频上下颤动的原因是辅阀提供密封的弹簧力过大。如果提高电磁铁的吸合力则需要购买更大拉力的电磁铁,成本较高。在不影响密封的情况下,通过降低弹簧力解决存在的问题。

  根据胡克定律,弹簧力F为

  F=kx

  式中F———弹簧力,N

  k———弹簧刚度

  x———弹簧变形量,mm

  影响弹簧力的两个因素是弹簧刚度和压缩量。辅阀的开启高度为2.5mm,电磁铁的行程为6mm,均无法调节,故从弹簧刚度方面降低弹簧力。通过设计验算,新设计的弹簧,其刚度k=116,安装时预紧压缩10mm,则弹簧密封预紧力F4=116×10=1.16kN。辅阀开启后弹簧力F5=116×(10+6)=1.856kN,则辅阀开启时电磁铁所需克服的拉力T3=F4-F3=358.89N<2.15kN,辅阀开启后电磁铁所需克服的拉力T4=F5-F3=1.054kN<1.35kN。并且调整了辅阀弹簧刚度,加大弹簧压缩量后,弹簧预紧力F4>介质作用力F3,辅阀仍能密封,所以更改后的弹簧可以使用。

5、结语

  通过适当的降低辅阀弹簧刚度,提高弹簧的压缩量,保证了阀门准确快速启跳,解决了辅阀频繁开启而造成的密封面磨损问题,同时降低了成本。优化后的电磁泄放阀通过试验检测,开启迅速,调整可靠、准确,回座后密封情况良好,启闭压差可调节到2%,满足阀门的使用要求。

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