在鋼廠混合氣體循環(huán)發(fā)電工程中，控制閥需要控制混合氣體輸送管道中的壓力脈動，以確保輸送給氣體輪機的混合氣體壓力穩(wěn)定，機組正常發(fā)電。混合氣體的熱值較低，因此在相同的裝機容量下，混合氣體燃料管道的直徑和燃料控制閥的尺寸增加了3~4倍，相應的混合氣體壓力控制閥的直徑也應增加。增加閥門直徑是滿足大流量要求的有效措施之一。但控制閥部件尺寸的增加會使氣體密封性能更差。
   混合氣體的主要可燃成分中含有有毒物質CO氣體一旦泄漏，就會有安全隱患，因此研究大流量氣體燃料控制閥泄漏故障的診斷方法具有重要的現實意義。
   1 控制閥泄漏故障機理
   1.1 控制閥泄漏的類型

   控制閥泄漏分為外部泄漏和內部泄漏兩種類型。外部泄漏常見于閥體、閥桿、填料函和閥體之間的連接部調節(jié)閥關閉不嚴格形成的泄漏為內部泄漏，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，重點研究其外部泄漏故障的機制。根據泄漏部位的不同，外部泄漏故障可分為：法蘭泄漏、閥蓋泄漏、壓力蓋泄漏、閥體泄漏。根據故障所涉及的不同部件，總結分析外部泄漏故障的分類，可獲得控制閥外部泄漏的機制。具體情況見表1。

   1.2 泄漏時壓力變化
   從混合氣體粘度的角度來看，當流體沿管道流動時，由于流體分子及其與管壁之間的摩擦，必須消耗部分機械能來克服摩擦阻力；由于流動方向和速度的變化，流體會產生局部漩渦和沖擊，機械能損失會導致流體壓力下降。因此，當控制閥泄漏時，泄漏處的流體流動會帶來新的機械能損失，新的機械能損失會導致新的壓力損失。
   控制閥入口壓力為p，出口壓力為p1，pf為了克服摩擦造成的壓力損失，壓力降低到Δp1.泄漏時，出口壓力為p2，此時的壓力降為Δp2.泄漏造成的壓力損失為pL，有以下關系類型：

   由式(4)可以看出，當發(fā)生泄漏時，控制閥的出口壓力在同一開度下降低。
   由于混合氣體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很難檢測到調節(jié)閥的泄漏故障，因此需要在此基礎上找到更有效的解決方案。
   2 控制閥泄漏故障的診斷方法
   2.1 混合氣體的流動狀態(tài)
   在建立控制閥泄漏故障數學模型時，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。
   在鋼廠循環(huán)發(fā)電過程中，混合氣由高爐氣和焦爐氣組成，常用高焦比為7∶3.混合煤氣的組元體積及相關數據(表2)由高爐煤氣和焦爐煤氣獲得。

   混合氣體的絕緣指數為Kh，氣體常數為Rh（J/kg•K），當地音速為ah（m/s），馬赫數為Mh，則有：
   式中
   R——氣體常數，R=8.314J/mol•K；
   T——混合氣體的溫度取平均溫度T=548K；
   V——混合氣體的流速取平均流速V=16.25m/s。
   由式(5)~(8))~(8)聯立求解混合氣體Mh=0.0367，即Mh＜0.3.在流動過程中，由壓力變化引起的密度變化不到5%。此時，氣體可視為不可壓縮流體。因此，混合氣體的氣體流動可視為不可壓縮流體流動，即混合氣體的密度ρ為常數。

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   2.2 壓力與速度和密度的關系
   壓力與速度的關系可以從流體力學中的伯努利方程中獲得。理想的不可壓縮流體伯努利方程為：
   式中
   γ -重度，N/m3，即γ=ρg；
   ρ -混合氣體密度，kg/m3；
   g -重力加速，m/s2；
   V -氣閥入口速度，m/s；
   V1-正常情況下氣閥出口速度，m/s；
   z，z1-流體距離基準在不同截面的高度，m。
   考慮到實際摩擦力的影響和氣體重量較小的因素，公式（9）可以在實際控制閥的入口和出口推出伯努利方程，以獲得壓力和速度之間的關系：
   密度與壓力之間的關系可根據氣體狀態(tài)方程獲得：
   2.3 控制閥泄漏故障的數學模型
   設Qm是閥體入口處的質量流，即單位時間流入的質量；Qm一是閥體出口處的質量流；Qm2.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等于流出控制閥的氣體質量，反之亦然。泄漏故障的數學模型為：

   
   式中
   V2-發(fā)生泄漏故障時，混合氣體出口速度，m/s；
   A——流過的斷面面積，m2。
   將式(10)和(11)替代式(12)可獲得質量流與壓力和流量之間的函數關系:
   式中
   Qv——氣閥入口體積流量，m/s。
   通過測量壓力和流量信號，監(jiān)測質量流量變化，診斷控制閥泄漏故障。
   3 模擬和實現泄漏故障診斷
   模擬根據質量流變化建立的泄漏故障數學模型，模擬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混合氣體常數Rh=343.82J/kg•K；
   e混合氣體溫度T=548K。
   在LabVIEW在環(huán)境中，上述條件分別模擬控制閥的正常和泄漏狀態(tài)。模擬結果表明，當泄漏故障發(fā)生時，出口質量流相對正常狀態(tài)的質量流發(fā)生顯著變化，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)，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)的關鍵組成部分，泄漏故障信號的收集和處理對實現泄漏故障的自診斷具有重要意義。根據質量守恒定律，比較控制閥出口和入口的質量流變化，獲得以壓力信號和流量信號表達的質量流量征兆作為故障診斷征兆的具體解決方案，通過模擬實驗證明了診斷方法的有效性。