1減壓閥工作原理

　　天然氣高壓減壓閥主要包括：閥芯、閥座、閥體、橡膠膜片、平衡彈簧、調(diào)節(jié)彈簧、頂桿等如圖1。整個(gè)機(jī)構(gòu)中壓力調(diào)節(jié)彈簧、橡膠膜片通過頂桿作用在閥芯上的力、平衡彈簧作用于閥芯上的力，三者保持平衡，并由這些元件構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng)進(jìn)入氣體減壓閥的高壓氣體壓力和流量發(fā)生變化時(shí)或當(dāng)輸出氣氣體壓力和輸出流量發(fā)生變化時(shí)，閥芯受力平衡被破壞，在橡膠膜片、調(diào)節(jié)彈簧和平衡彈簧的作用下上下移動(dòng)，改變閥芯與閥座之間的節(jié)流面積，從而保持出口壓力的穩(wěn)定。

　　2天然氣高壓減壓閥的建模

　　天然氣高壓減壓閥采用AMESim軟件（AdvancedModelingEnvironmentforPerformingSimulationsofEngineeringSystem）進(jìn)行建模，AMESim為流體動(dòng)力（流體及氣體）、機(jī)械、熱流體和控制系統(tǒng)提供了一個(gè)完善、優(yōu)越的方針環(huán)境及最靈活的解決方案。相對(duì)于基于傳統(tǒng)的流量連續(xù)性方程、力平衡構(gòu)建的模型來說，AMESim軟件建模更加精確，實(shí)用性更強(qiáng)。模型如圖2所示。

　　此模型包括AMESim中的氣壓、機(jī)械模型庫中的子模型。依據(jù)天然氣高壓減壓閥的具體的物理結(jié)構(gòu)、工作原理、研究時(shí)關(guān)心的現(xiàn)象等選擇盡量簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型。模型具體情況介紹如下：

　　在模型中提供部件1、2、3形成理想的氣源和開關(guān)閥，通過設(shè)定氣源的工作壓力能在5-25Mpa范圍內(nèi)變化，提供繪制靜態(tài)特性曲線的壓力源；通過改變3的階躍時(shí)間可以提供繪制動(dòng)態(tài)特性曲線的階躍的壓力源。部件13在整個(gè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中提供限定流量作用。部件5、6、8、9、10、11組成整個(gè)天然氣高壓減壓閥的本體。部件5模擬從低壓腔B到平衡腔C的通道的節(jié)流作用；部件6模擬平衡彈簧和與頂桿形成的封閉平衡腔C；部件8模擬閥的運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量塊和彼此之間的摩擦作用（包括靜摩擦、動(dòng)摩擦）；部件9模擬閥的低壓腔B（包括橡膠膜片和頂桿）；部件10模擬閥芯和閥座組合（包括高壓腔A）通過設(shè)定節(jié)流口的尺寸可以準(zhǔn)確地改變整個(gè)裝置的節(jié)流效果；部件11模擬壓力調(diào)節(jié)彈簧的調(diào)節(jié)減壓壓力的作用，本論文中將其調(diào)整到1.17Mpa。

　　需要說明的是增設(shè)部件5、6的作用在于模擬平衡腔的作用，實(shí)際天然氣高壓減壓閥主彈簧的彈簧力存在不穩(wěn)定性，致使減壓閥工作時(shí)出口端靜壓復(fù)位的重復(fù)精度較差，且在額定大流量供氣情況下減壓閥的出口壓力波動(dòng)較大。在實(shí)際的天然氣高壓減壓閥中調(diào)節(jié)彈簧采用的是復(fù)合彈簧，為簡(jiǎn)化模型將部件11的調(diào)節(jié)彈簧的參數(shù)設(shè)置為與復(fù)合彈簧相同的一個(gè)獨(dú)立彈簧；部件9中的橡膠膜片在AMESim軟件的模型庫中是沒有相似模型的，但是由于實(shí)際天然氣高壓減壓閥中采用了壓板式的結(jié)構(gòu)，在建模時(shí)將橡膠膜片簡(jiǎn)化為一個(gè)活塞部件；部件10由于閥芯與閥座之間存在著一塊密封材料，而且閥座存在坡口結(jié)構(gòu)，在模型中并未考慮，它們之間的泄漏現(xiàn)象被忽略，密封是理想的。

　　總之，在本模型中未考慮氣體的泄漏、部件的傳熱特性、管路的實(shí)際長(zhǎng)度等，使整個(gè)模型理想化。設(shè)置仿真計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.001S。氣源采用恒溫恒壓CH4源，溫度為303.15K.大氣壓為0.1013MPa。

　　3模型仿真

　　為得到本論文關(guān)心的天然氣高壓減壓閥的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性。利用AMESim軟件提供的AMESimDesignexplorationmodule功能模塊對(duì)天然氣高壓減壓閥模型進(jìn)行了研究。

　　為了得到天然氣高壓減壓閥的靜態(tài)特性，首先，在AMESimexportmodule中設(shè)定inputparameters和simpleoutputparameters，然后，運(yùn)行designexploration，新建一個(gè)DOE項(xiàng)目，而后，設(shè)定controls和responses運(yùn)行參數(shù)，最后，繪出maineffectdiagram圖。

　　靜態(tài)特性可以綜合描述閥門的活動(dòng)靈敏性、密封性以及設(shè)計(jì)的合理性，這些問題所反映出的設(shè)計(jì)是否合理，最終均可反映在氣體減壓閥的出口壓力偏差大小上。通過設(shè)置輸出節(jié)流口的孔徑為1mm其到限流圈的作用，改變天然氣氣源的工作壓力（5-25Mpa）得到輸出節(jié)流口上游的壓力變化，從而繪制出其靜態(tài)特性曲線如圖3，從圖中可看出同設(shè)定值之差極小。圖3中的下降趨勢(shì)說明，流量下降同時(shí)壓力也下降。