佟得吉，梁奎，刘翔

(中国特种设备检测研究院，北京 100029)

0 引言

电站锅炉是电厂用来发电的锅炉，一般容量较大。常见的主力机组为600MW。目前较先进的是超临界锅炉，容量可达1000MW。电站锅炉主要有煤粉炉和循环流化床锅炉两类[1]。安全阀是电站锅炉中重要安全附件，主要用于锅炉的超压保护。目前安全阀种类主要有弹簧机械式安全阀和先导式安全阀[2]。弹簧机械式安全阀主要以安全阀弹簧的机械式压缩来实现阀门的密封，系统压力通过克服弹簧压力来实现开启并排放工质。先导式安全阀是一种非直接作用式安全阀，由主阀和导阀组成，依靠从导阀排出介质来驱动或控制主阀的启闭，适用于高背压、大口径、大流量和安装位置紧凑的场合。当系统压力超压时，先导式安全阀能够及时开启，泄放压力从而保护锅炉容器系统的安全和稳定[3]。

GB /T 28778—2012 对于先导式安全阀的起跳调压力有严格的要求，然而实际试验过程中发现，一些先导式安全阀开启过程中压力超调量大[4]。

鉴于此，以电站锅炉用AF46Y-25先导式安全阀为例，在分析元件工作原理的基础上，利用AMESim仿真软件建立了仿真模型，仿真研究分析先导阀阻尼孔面积、主阀弹簧腔容腔体积、主阀弹簧刚度、先导阀弹簧刚度对阀压力超调量等特性的影响，所得结论为先导式安全阀的结构设计及参数优化提供参考依据。同时，所建立的AF46Y-25先导式安全阀PCD模型为其他型号的安全阀模型建立提供了参考，具有一定的实用价值。

1 AF46Y-25先导式安全阀结构及工作原理

图1所示为AF46Y-25型先导式安全阀结构原理图。

图1 AF46Y-25先导式安全阀结构图

当系统正常工作时, 先导阀阀芯处于关闭状态，系统压力通过下导管、先导阀控制阀腔、上导管，进入主阀阀瓣顶部圆顶气室的同时作用在先导阀控制活塞下端。

当系统压力到达先导阀调定压力时，系统压力克服先导弹簧力通过顶杆推动导阀阀芯上移，导阀开启的同时关闭导阀进气通道，主阀上腔气室压力通过先导阀泄压口泄压，主阀阀芯在阀芯上下腔压差的作用下上移，主阀阀瓣完全打开，通过主阀泄放降压。

当系统压力降低到回座压力时，先导阀克服进口压力作用在滑阀上的力使导阀复位，顶杆顶开滑阀，进口压力气体通过滑阀重新进入主阀上腔，主阀重新关闭。

2 建模及AMESim仿真分析

2.1 模型建立

根据AF46Y-25先导式安全阀结构及工作原理，利用AMESim仿真软件[5]建立模型如图2所示。

图2 AF46Y-25先导式安全阀 AMESim仿真模型

2.2 参数设置

根据AF46Y-25先导式安全阀样本结构参数，设定系统主要元件AMESim各模块的参数如表1所示。其他参数保持默认值。

表1 参数设置

2.3 动态特性仿真分析

1)仿真验证分析

设定恒压源0～10 s时段为2MPa。仿真时间为10s，仿真步长为0.01s，进行仿真，得到先导式安全阀主阀进口压力如图3所示。

图3 先导式安全阀进口压力及局部放大曲线

由图3(b)可知，0.15s时先导式安全阀主阀阀芯开启，阀口开启压力峰值为1.525MPa，最终稳定压力为1.491MPa，压力超调量为0.03MPa，符合GB /T 28778—2012的要求[6]。

根据表1中先导阀弹簧预紧力为338N、主阀阀芯直径为17mm，可计算得出减压阀出口稳定压力为1.489MPa，与仿真结果基本一致。证明了所建立模型的正确性和精确性。

2)先导阀阻尼孔通流面积对阀动态特性影响分析

利用AMESim批处理功能对先导阀阻尼孔通流面积进行研究分析，设定先导阀阻尼孔通流面积分别为0.5mm2、1.0mm2、1.5mm2、2.0mm2，仿真得到不同先导阀阻尼孔通流面积下主阀进口处压力曲线如图4所示(本刊黑白印刷，相关疑问请咨询作者)。

图4 不同先导阀阻尼孔通流面积先导式安全阀进口处压力及局部放大曲线

从仿真结果可以发现：先导阀阻尼孔通流面积0.5mm2时其阀口开启压力峰值为1.525MPa，最终稳定压力为1.491MPa，压力超调量为0.034MPa；阻尼孔通流面积为1.0mm2时其阀口开启压力峰值为1.532MPa，最终稳定压力为1.500MPa，压力超调量为0.041MPa；阻尼孔通流面积为1.5mm2时其阀口开启压力峰值为1.538MPa，最终稳定压力为1.507MPa，压力超调量为0.047MPa；阻尼孔通流面积为2.0mm2时其阀口开启压力峰值为1.543MPa，最终稳定压力为1.513 MPa，压力超调量为0.052MPa。即随着阻尼孔通流面积的增加，压力超调量、稳定压力值有增加的趋势，主阀入口达到峰值压力的响应时间基本不变，但达到稳定压力的响应时间逐渐缩短。

3)主阀弹簧刚度对阀动态特性影响分析

利用AMESim批处理功能对主阀阀弹簧刚度进行研究分析，设定主阀弹簧刚度分别为1N/mm、6N/mm、11N/mm、16N/mm，仿真得到不同主阀弹簧刚度下主阀进口处压力曲线如图5所示。

图5 不同主阀弹簧刚度下先导式安全阀进口处压力及局部放大曲线

从仿真结果可以发现：主阀弹簧刚度为1N/mm时其阀口开启压力峰值为1.526MPa，最终稳定压力为1.491MPa，压力超调量为0.035MPa；主阀弹簧刚度为6N/mm时其阀口开启压力峰值为1.526MPa，最终稳定压力为1.494MPa，压力超调量为0.035MPa；主阀弹簧刚度为11N/mm时其阀口开启压力峰值为1.527MPa，最终稳定压力为1.496 MPa，压力超调量为0.036MPa；主阀弹簧刚度为16N/mm时其阀口开启压力峰值为1.528MPa，最终稳定压力为1.498MPa，压力超调量为0.037MPa。即随着主阀弹簧刚度越大，最终稳定压力值、压力超调量有增加的趋势，但增加幅度小，主阀入口达到峰值压力的响应时间基本不变，但达到稳定压力的响应时间逐渐缩短。

4)先导阀弹簧刚度对阀动态特性影响分析

利用AMESim批处理功能对先导阀弹簧刚度进行研究分析，设定先导阀弹簧刚度分别为10N/mm、20N/mm、30N/mm、40N/mm、50N/mm，仿真得到不同先导阀弹簧刚度下主阀进口处压力曲线如图6所示。

图6 不同先导阀弹簧刚度下先导式安全阀进口处压力及局部曲线

从仿真结果可以发现：先导阀弹簧刚度为10N/mm时其阀口开启压力峰值为1.497MPa，最终稳定压力为1.479MPa，压力超调量为0.006MPa；先导阀弹簧刚度为20N/mm时其阀口开启压力峰值为1.498MPa，最终稳定压力为1.482MPa，压力超调量为0.007MPa；先导阀弹簧刚度为30N/mm时其阀口开启压力峰值为1.499MPa，最终稳定压力为1.485 MPa，压力超调量为0.008MPa；先导阀弹簧刚度为40N/mm时其阀口开启压力峰值为1.510MPa，最终稳定压力为1.489MPa，压力超调量为0.009MPa；先导阀弹簧刚度为50N/mm时，其阀口开启压力峰值为1.525MPa，最终稳定压力为1.491MPa，压力超调量为0.034MPa。即随着先导阀弹簧刚度增大，最终稳定压力值、压力超调量有增加的趋势，但增加幅度小，主阀入口达到峰值压力的响应时间基本不变，但达到稳定压力的响应时间逐渐缩短。

5)主阀弹簧容腔体积对阀动态特性影响分析

利用AMESim批处理功能对主阀弹簧容腔体积进行研究分析，设定主阀入口容腔体积分别为0.0005L、0.0010L、0.0015L、0.0020L、0.002 5 L，仿真得到不同阀弹簧容腔体积下主阀进口处压力曲线如图7所示。

图7 不同主阀弹簧容腔体积下先导式安全阀进口处压力及局部放大曲线

从仿真结果可以发现：随着主阀弹簧容腔体积的增加，最终稳定压力值、压力超调量基本保持不变，分别为1.491MPa和0.03MPa，但主阀入口达到峰值及稳定压力的响应时间延长，主阀弹簧容腔体积由0.0005L增加到0.0025L时，响应时间由0.16s延长至0.22s。

3 结语

以电站锅炉用AF46Y-25先导式安全阀为例，利用AMESim仿真软件建立了仿真模型并进行仿真研究。研究结果表明：阻尼孔通流面积、先导阀及主阀弹簧刚度对阀的压力超调量、稳定压力及达到稳定压力的响应时间影响较大，而对主阀入口达到峰值压力的响应时间影响较小；主阀弹簧容腔体积对主阀入口达到峰值及稳定压力的响应时间影响较大，对压力超调量、稳定压力影响较小。