調(diào)節(jié)閥是流體輸送系統(tǒng)中重要的控制部件,在流體管道輸送中,合理采用調(diào)節(jié)閥對(duì)調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量、壓力等參數(shù)進(jìn)行有效控制,進(jìn)而控制流體脈動(dòng),對(duì)降低能耗,提高能源利用率具有十分重要的意義。調(diào)節(jié)閥廣泛應(yīng)用于化工、石油、冶金、電力、輕工、水利、船舶以及航空等領(lǐng)域,隨著工業(yè)發(fā)展的需要,流體管道輸送向著更大流量、更高壓力的方向發(fā)展,因此大流量調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用更為廣泛。鋼廠利用混合煤氣進(jìn)行燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的工程中,氣體供給量大,對(duì)混合煤氣的流量要求高達(dá)54000Nm3/h以上,用于混合煤氣壓力控制的調(diào)節(jié)閥公稱(chēng)通徑超過(guò)200mm。大流量混合煤氣的穩(wěn)壓控制是鋼廠循環(huán)發(fā)電工程的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。 通常采用預(yù)防性定期檢修的手段保證大流量調(diào)節(jié)閥工作的安全性和可靠性,但是預(yù)防性檢修存在著“維修過(guò)�！钡膯�(wèn)題,致使維修費(fèi)用過(guò)高,導(dǎo)致可靠性降低,故障率上升；另一方面國(guó)內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域?qū)Υ罅髁空{(diào)節(jié)閥的需求量非常大,但是我國(guó)相關(guān)的調(diào)節(jié)閥故障診斷工作的深入研究不足,氣體壓力調(diào)節(jié)閥的故障診斷研究報(bào)道少見(jiàn),尤其大流量氣體壓力調(diào)節(jié)閥故障診斷的報(bào)道就更為鮮見(jiàn),高性能大流量調(diào)節(jié)閥的最先進(jìn)技術(shù)都被國(guó)外公司壟斷,而且許多關(guān)鍵的調(diào)節(jié)閥價(jià)格高達(dá)數(shù)十萬(wàn),甚至數(shù)百萬(wàn)人民幣。因此大流量調(diào)節(jié)閥的故障診斷方法從理論研究和實(shí)際應(yīng)用都有大量的工作要做。 由于大流量混合煤氣調(diào)節(jié)閥應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性,在正常運(yùn)行工況下很難提取故障發(fā)生時(shí)的事故特征,而且由于流場(chǎng)脈動(dòng),直接信號(hào)檢測(cè)分析方法難以甄別異常的信號(hào)產(chǎn)生的原因；當(dāng)開(kāi)發(fā)調(diào)節(jié)閥新產(chǎn)品時(shí),用于故障診斷的知識(shí)獲取成為實(shí)現(xiàn)故障診斷的瓶頸。而基于模型的故障診斷方法將系統(tǒng)的模型和實(shí)際系統(tǒng)冗余運(yùn)行,通過(guò)對(duì)比產(chǎn)生殘差信號(hào),剔除控制信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響因素,基于模型的方法適合于調(diào)節(jié)閥的故障診斷。對(duì)于基于模型的故障診斷方法,建立數(shù)學(xué)模型是關(guān)鍵問(wèn)題。調(diào)節(jié)閥中的介質(zhì)流動(dòng)受物理守恒定律的支配,因此建立調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型采用“灰箱理論”的方法,即將理論建模方法和系統(tǒng)辨識(shí)建模方法結(jié)合起來(lái)：機(jī)理已知的部分采用理論建模方法,機(jī)理未知的部分采用系統(tǒng)辨識(shí)建模的方法。 輸入輸出數(shù)據(jù)是系統(tǒng)辨識(shí)的基礎(chǔ),由于大流量調(diào)節(jié)閥的工作環(huán)境的特殊性,采取做樣機(jī)試驗(yàn)的方法在試驗(yàn)室環(huán)境下獲取數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展,對(duì)于傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)耗時(shí)長(zhǎng)、成本高以及試驗(yàn)條件下模擬實(shí)際工況的局限性等問(wèn)題,利用數(shù)值模擬手段分析流體流動(dòng)問(wèn)題的優(yōu)越性和可靠性越來(lái)越明顯。從計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)物理守恒定律的數(shù)學(xué)描述可以得到調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)在時(shí)間和空間上定量描述流場(chǎng)的數(shù)值解,因此應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法研究調(diào)節(jié)閥流場(chǎng),可以克服試驗(yàn)室條件的局限性,在場(chǎng)變量近似值的基礎(chǔ)上獲取輸入輸出數(shù)據(jù),然后按照最小二乘法辨識(shí)方法,建立調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 通過(guò)混合煤氣的組分相關(guān)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算,給出了在調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)中混合煤氣特性的判斷方法和依據(jù)；研究不同開(kāi)度情況下調(diào)節(jié)閥流道CAD模型的快速建模方法和分塊劃分網(wǎng)格方法,可以滿足不同情況的數(shù)值試驗(yàn)要求、提高建模效率,并得到網(wǎng)格質(zhì)量較好的網(wǎng)格模型,從而保證計(jì)算準(zhǔn)確性；確立調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的控制方程、離散化方法以及數(shù)值計(jì)算方法,得到調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)CFD模型的建模和求解的思路,解決調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)數(shù)值試驗(yàn)中關(guān)于試驗(yàn)方案、試驗(yàn)過(guò)程以及結(jié)果后處理等問(wèn)題,并分別完成了大流量調(diào)節(jié)閥正常工作狀態(tài)、泄漏故障狀態(tài)以及堵塞故障狀態(tài)的數(shù)值試驗(yàn)。 根據(jù)數(shù)值試驗(yàn)的結(jié)果分析輸入輸出變量之間的變化關(guān)系,確定系統(tǒng)辨識(shí)模型的模型類(lèi)型。根據(jù)參數(shù)辨識(shí)方法建立準(zhǔn)則函數(shù),對(duì)調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的基于壓力和開(kāi)度的瞬態(tài)模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì)；利用數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果分析壓力損失和開(kāi)度變化對(duì)流場(chǎng)滯后現(xiàn)象的影響規(guī)律,確立采樣時(shí)間的函數(shù)類(lèi)型,通過(guò)參數(shù)估計(jì)建立調(diào)節(jié)閥出口壓力的采樣時(shí)間控制模型；根據(jù)正常狀態(tài)和故障狀態(tài)的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果,考察瞬態(tài)模型預(yù)測(cè)的調(diào)節(jié)閥出口壓力變化規(guī)律,采用實(shí)際出口壓力相對(duì)于預(yù)測(cè)值的變化趨勢(shì),即出口壓力相對(duì)于預(yù)測(cè)值偏差的大小和趨勢(shì)作為故障征兆,為實(shí)現(xiàn)泄漏故障和堵塞故障的診斷提供依據(jù)。 根據(jù)調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型研究結(jié)果,給出調(diào)節(jié)閥故障診斷中殘差的設(shè)計(jì)原則以及閾值和故障分析殘差的定義,提出基于統(tǒng)計(jì)方法的殘差算法,完成調(diào)節(jié)閥故障指示器的設(shè)計(jì)；根據(jù)確定的故障監(jiān)測(cè)與診斷的詳細(xì)步驟,分析硬件和軟件的功能要求,確定所需硬件,選擇軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),結(jié)合開(kāi)發(fā)平臺(tái)特點(diǎn)確定調(diào)節(jié)閥故障監(jiān)測(cè)與診斷過(guò)程的數(shù)據(jù)流向,為基于瞬態(tài)模型的調(diào)節(jié)閥故障監(jiān)測(cè)與診斷的相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供指導(dǎo)方案。 選擇試驗(yàn)平臺(tái)中的測(cè)試設(shè)備和試驗(yàn)管路,確定相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸和元件安裝尺寸,在穩(wěn)壓試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的測(cè)試試驗(yàn)；同時(shí)根據(jù)測(cè)試平臺(tái)的試驗(yàn)管路結(jié)構(gòu)尺寸,利用快速建模方法分別建立不同開(kāi)度下試驗(yàn)管路中小流量調(diào)節(jié)閥的三維模型并分塊劃分網(wǎng)格,進(jìn)行小流量調(diào)節(jié)閥的數(shù)值試驗(yàn),并根據(jù)測(cè)試元件的安裝尺寸處理試驗(yàn)結(jié)果；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,建立小流量調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的瞬態(tài)模型和采樣時(shí)間控制模型,對(duì)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果和小流量調(diào)節(jié)閥瞬態(tài)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。比對(duì)結(jié)果證明：論文提出通過(guò)對(duì)殘差信號(hào)的分析實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥故障監(jiān)測(cè)與診斷的方法是可行的,即瞬態(tài)模型對(duì)于調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)狀態(tài)的預(yù)測(cè)結(jié)果具有有效性,同時(shí)證明采用CFD方法進(jìn)行調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)數(shù)值試驗(yàn)具有可靠性。 綜上所述,論文以大流量混合煤氣的壓力調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象,應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的有關(guān)理論,結(jié)合CFD軟件,對(duì)大流量調(diào)節(jié)閥的瞬態(tài)壓力場(chǎng)規(guī)律進(jìn)行研究；應(yīng)用系統(tǒng)辨識(shí)的有關(guān)理論得到了調(diào)節(jié)閥的壓力場(chǎng)參數(shù),建立了調(diào)節(jié)閥瞬態(tài)流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型；應(yīng)用故障診斷理論提出大流量調(diào)節(jié)閥故障監(jiān)測(cè)與診斷的方法,從而既保證調(diào)節(jié)閥在工作過(guò)程中的可靠性,又避免調(diào)節(jié)閥的“維修過(guò)�！眴�(wèn)題。論文研究結(jié)果對(duì)推動(dòng)鋼鐵廠的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工程的進(jìn)一步發(fā)展具有重要的理論意義和工程實(shí)踐價(jià)值,也為高性能大流量調(diào)節(jié)閥應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)化提供科學(xué)的依據(jù)和技術(shù)支撐。 本課題得到國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“鋼廠循環(huán)發(fā)電工程中大流量煤氣的智能優(yōu)化控制及應(yīng)用技術(shù)(2008AA042130)”和高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目“大流量高頻響核電控制閥的多場(chǎng)耦合振動(dòng)與泄漏自感知機(jī)理研究”(20110131110042)的支持。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2012
【中圖分類(lèi)】：TH134
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 課題的研究背景和意義
        1.1.1 大流量調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用背景
        1.1.2 大流量調(diào)節(jié)閥應(yīng)用中存在的問(wèn)題
        1.1.3 課題的目的和意義
    1.2 調(diào)節(jié)閥故障診斷的研究綜述
        1.2.1 調(diào)節(jié)閥的故障概述
        1.2.2 調(diào)節(jié)閥故障診斷研究現(xiàn)狀
    1.3 故障診斷理論綜述
        1.3.1 故障診斷理論的應(yīng)用概述
        1.3.2 故障診斷理論的分類(lèi)
    1.4 課題亟待解決的問(wèn)題
        1.4.1 確定適用于大流量調(diào)節(jié)閥故障的診斷方法
        1.4.2 建立大流量調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
        1.4.3 確立基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的試驗(yàn)方法
    1.5 課題的研究?jī)?nèi)容與論文體系結(jié)構(gòu)
        1.5.1 課題研究的主要內(nèi)容
        1.5.2 論文的體系結(jié)構(gòu)
第2章 大流量調(diào)節(jié)閥故障監(jiān)測(cè)與診斷方法的理論基礎(chǔ)
    2.1 基于模型的故障診斷方法的特點(diǎn)分析
        2.1.1 基于模型的故障診斷方法的分類(lèi)
        2.1.2 基于狀態(tài)估計(jì)的診斷方法的關(guān)鍵問(wèn)題
    2.2 最小二乘法辨識(shí)的思路
        2.2.1 系統(tǒng)辨識(shí)的關(guān)鍵問(wèn)題
        2.2.2 最小二乘法的準(zhǔn)則函數(shù)
    2.3 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法的應(yīng)用思路
        2.3.1 CFD模型建模和求解的方法
        2.3.2 調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)數(shù)值試驗(yàn)的關(guān)鍵問(wèn)題
    2.4 混合煤氣調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)特性的研究
        2.4.1 混合煤氣的壓縮性假設(shè)
        2.4.2 混合煤氣流動(dòng)狀態(tài)分析
        2.4.3 調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的定常與非定常假設(shè)
        2.4.4 調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的壓力場(chǎng)特性分析
        2.4.5 調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的時(shí)滯現(xiàn)象分析
    2.5 調(diào)節(jié)閥常見(jiàn)故障的機(jī)理
        2.5.1 調(diào)節(jié)閥泄漏故障的機(jī)理研究
        2.5.2 調(diào)節(jié)閥卡堵故障的機(jī)理研究
    2.6 調(diào)節(jié)閥故障監(jiān)測(cè)與診斷方法研究的技術(shù)路線
    2.7 本章小結(jié)
第3章 大流量調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的數(shù)值試驗(yàn)研究
    3.1 調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)三維模型快速建模的方法
        3.1.1 流場(chǎng)CAD三維建模的主要內(nèi)容
        3.1.2 閥體內(nèi)腔體素的建立方法
        3.1.3 建立流場(chǎng)三維模型的布爾運(yùn)算
        3.1.4 不同開(kāi)度流道模型的建立方法
    3.2 調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)網(wǎng)格模型的建模方法
        3.2.1 CAD軟件與前處理軟件的協(xié)同要點(diǎn)
        3.2.2 調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)CAD模型的分塊方法
        3.2.3 調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的網(wǎng)格劃分方法
    3.3 調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)CFD模型的建模方法
        3.3.1 調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的控制方程
        3.3.2 調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)控制方程的離散化
        3.3.3 調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法
    3.4 大流量調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)正常工作狀態(tài)的數(shù)值試驗(yàn)
        3.4.1 正常工作狀態(tài)數(shù)值試驗(yàn)方案的確定
        3.4.2 調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)數(shù)值試驗(yàn)的方法
        3.4.3 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果的后處理
    3.5 大流量調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)故障狀態(tài)的數(shù)值試驗(yàn)
        3.5.1 大流量調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)泄漏故障的數(shù)值試驗(yàn)
        3.5.2 大流量調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)堵塞故障的數(shù)值試驗(yàn)
    3.6 本章小結(jié)
第4章 大流量調(diào)節(jié)閥故障監(jiān)測(cè)與診斷的數(shù)學(xué)模型研究
    4.1 大流量調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的瞬態(tài)模型的研究
        4.1.1 大流量調(diào)節(jié)閥瞬態(tài)模型的模型類(lèi)型
        4.1.2 大流量調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)瞬態(tài)模型的參數(shù)估計(jì)
        4.1.3 大流量調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)瞬態(tài)模型的可信性檢驗(yàn)
    4.2 大流量調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)采樣時(shí)間的控制模型的研究
        4.2.1 大流量調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)采樣時(shí)間控制模型的模型類(lèi)型
        4.2.2 大流量調(diào)節(jié)閥采樣時(shí)間的控制模型的參數(shù)估計(jì)
        4.2.3 大流量調(diào)節(jié)閥采樣時(shí)間的控制模型的可信性檢驗(yàn)
    4.3 大流量調(diào)節(jié)閥主要故障的狀態(tài)征兆的研究
        4.3.1 大流量調(diào)節(jié)閥出口壓力偏差
        4.3.2 不同狀態(tài)出口壓力偏差的變化趨勢(shì)
    4.4 本章小結(jié)
第5章 基于瞬態(tài)模型的大流量調(diào)節(jié)閥故障監(jiān)測(cè)與診斷方法
    5.1 故障狀態(tài)指示器的設(shè)計(jì)
        5.1.1 殘差和相對(duì)殘差
        5.1.2 閾值與故障分析殘差
        5.1.3 基于統(tǒng)計(jì)方法的殘差算法
        5.1.4 故障狀態(tài)指示器的結(jié)構(gòu)
    5.2 基于瞬態(tài)模型的故障監(jiān)測(cè)與診斷過(guò)程
        5.2.1 故障監(jiān)測(cè)與診斷的主要內(nèi)容
        5.2.2 故障監(jiān)測(cè)與診斷的步驟
    5.3 故障監(jiān)測(cè)與診斷的實(shí)現(xiàn)方法
        5.3.1 軟件與硬件實(shí)現(xiàn)的主要內(nèi)容
        5.3.2 硬件實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)問(wèn)題
        5.3.3 軟件實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)
        5.3.4 軟件模塊的數(shù)據(jù)流
    5.4 本章小結(jié)
第6章 調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)瞬態(tài)模型的試驗(yàn)驗(yàn)證
    6.1 驗(yàn)證瞬態(tài)模型的測(cè)試試驗(yàn)
        6.1.1 測(cè)試平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備
        6.1.2 測(cè)試試驗(yàn)的關(guān)鍵問(wèn)題
    6.2 驗(yàn)證瞬態(tài)模型的數(shù)值試驗(yàn)
        6.2.1 建立小流量調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)三維模型
        6.2.2 建立小流量調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)網(wǎng)格模型
        6.2.3 小流量調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果
    6.3 小流量調(diào)節(jié)閥的瞬態(tài)模型
        6.3.1 小流量調(diào)節(jié)閥的瞬態(tài)模型的參數(shù)估計(jì)
        6.3.2 小流量調(diào)節(jié)閥瞬態(tài)模型的可信性檢驗(yàn)
    6.4 小流量調(diào)節(jié)閥采樣時(shí)間控制模型
        6.4.1 小流量調(diào)節(jié)閥采樣時(shí)間控制模型的參數(shù)估計(jì)
        6.4.2 小流量調(diào)節(jié)閥采樣時(shí)間控制模型的可信性檢驗(yàn)
    6.5 瞬態(tài)模型的驗(yàn)證
        6.5.1 測(cè)試試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理方案
        6.5.2 測(cè)試試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果
        6.5.3 瞬態(tài)模型的驗(yàn)證結(jié)果
    6.6 本章小結(jié)
結(jié)論與展望
附錄
參考文獻(xiàn)
致謝
攻讀博士期間發(fā)表的論文及科研情況

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 曹芳;大流量煤氣壓力調(diào)節(jié)閥流固耦合機(jī)理及動(dòng)態(tài)特性研究[D];山東大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2830719