脈沖閥綜合性能測試方法及裝置研究

陳隆樞，朱德生

（1.中鋼集團安全環保研究院，武漢 430080；2.上海尚泰環保配件有限公司，上海 201100）

1 脈沖閥概述

脈沖閥是脈沖袋式除塵器的核心部件，其性能直接影響該類除塵器的清灰效果。目前市場上脈沖閥的結構和型式繁多，有直角式、直通式、淹沒式、單膜片和多膜片型式、膜片式、活塞式和閥片式。同一結構的脈沖閥有多種規格，其通徑（DN）有8、15、20、25、40、60、80、100、120、150、200、250、300（mm），最大脈沖閥的口徑為DN400mm。結構、型式和規格的多樣性，導致脈沖閥產品的質量和性能差別較大。此外，脈沖閥的生產企業數量眾多，即使同一結構和規格的脈沖閥，不同廠商產品的性能也存在較大差異。

面對上述情況，脈沖閥行業迄今缺乏檢測產品綜合性能的統一方法和裝置，難以準確提供脈沖閥的性能參數，在設計過程中，通常只能參照以往工程的經驗選用脈沖閥，容易造成失誤，因清灰能力不足導致除塵器阻力過高，或因清灰能力過剩而增加無效的能耗。

目前，國內外一些企業參照《氣動元件流量特性的測定》（GB/T 14513-1993）或國際標準ISO6358，用于評價脈沖閥的流量特性，并以此判定脈沖閥產品的優劣。

1.1 氣動元件流量特性的表述方法[1]

表述氣動元件流量特性有多種方法，主要有：1）流通能力Cv值和Kv值；2）額定流量下的壓力降；3）流量-壓力降特性曲線；4）不可壓縮狀態下的有效截面積S值；5）壅塞流態下的有效截面積S值；6）流量系數Cd；7）聲速流導C值與臨界壓力比b值；8）壅塞狀態下的有效截面積S值和臨界壓力比b值。

1.2 氣動元件流量特性表述方法的局限性[1]

（1）上述方法大多不適于表述脈沖閥的流量特性：Cv值或Kv值用于計算不可壓縮流動時的流量與壓力降之間的關系較合理；額定流量下的壓力降和流量—壓力降特性曲線，都只適用于不可壓縮流態下的元件；不可壓縮狀態下的有效截面積S值適用于壓降小于2%的氣動元件，但不適用于可壓縮氣體；流量系數Cd，因元件的最小界面位置不易確定，故難以準確測定相關參數。

（2）受國外脈沖閥廠商的影響，我國很多脈沖閥廠商在產品樣本中以Cv值或Kv值作為重要的性能指標。

Cv的定義為：在通過閥門的壓力降為1磅/英寸2（1bf/in2）的標準條件下，溫度為60℉（15.6℃）的水，每分鐘流過閥門的美制加侖數（Usgal/min）。

Kv的定義為：在通過閥門的壓力降為 1 巴（bar）的標準條件下，溫度為 5℃～40℃的水每小時流過閥門的立方米體積流量（m3/h）。

測定Cv值和Kv值都是以水為工作介質，可能對氣動元件帶來不利的影響（如生銹）。而且，其是測定特定壓力降下的流量，只表示流量特性曲線的不可壓縮流動范圍上的一個點，故用于計算不可壓縮流動時的流量與壓力降之間的關系比較合理。可見Cv和Kv都不適合用作評價脈沖閥性能的參數。

一家長期在我國以Cv值或Kv值為指標助推自己產品的國外公司，在公司的資料中稱，“Cv值和Kv值是工業控制閥（常開式/常閉式）通過測試閥門進出口壓降而計算出的閥門阻力系數。一個閥門的Cv或Kv值越高，表示阻力越小。對于電磁脈沖閥，由于目前還沒有更快捷方便的方法，所以行業內也經常采用閥門廠家公布的Cv或Kv來進行清灰系統設計”。“由于Cv或Kv值的概念并不包含脈沖清灰時所產生的抖動能量，也不考慮現場壓縮氣能源的供應壓力和流量，以及工藝、煙塵和濾料的實際清灰能量需要，因此如果只靠Cv或Kv值和方程式來計算噴嘴口徑、被清灰的濾料面積，以及決定脈沖閥的大小選型，必將經常產生清灰系統失效的嚴重后果[2]。”

（3）國際標準ISO6358規定，用聲速流導C值與臨界壓力比b值作為表述氣動元件流量特性的兩個特性參數。通過試驗，測定了氣動元件的C值和b值，就可畫出完整的氣動元件的瀏覽特性曲線。但其測定方法難于保證兩個特性參數測定的準確性，對測試儀表的測量范圍和測量精度要求苛刻，且測試大通徑元件時的耗氣量太大，這是ISO6358標準存在的較大缺陷，因而難以實施[3、4]。

（4）壅塞狀態下的有效截面積S值和臨界壓力比b值，適用于可壓縮流態下的元件，能確定元件的流量特性。國內有學者進行了有益的探索：建立了試驗裝置，用于測試壅塞流態下脈沖閥的有效截面積S值和臨界壓力比b值；并選取國內外四種典型脈沖閥分別進行試驗；將試驗裝置的氣包初始壓力定為0.5MPa，開啟脈沖閥，連續排氣4～6s后關閉脈沖閥；自動采集其排氣時的有關參數V—氣包容積、Ta—氣體溫度、t—排氣時間、P10—排氣前氣包內壓力、—排氣后氣包內壓力，P1—脈沖閥上游全壓（即氣包內壓力）、P2—脈沖閥下游全壓；對數據進行計算整理并繪制有關曲線。從而得出各脈沖閥壅塞狀態下的有效截面積S值和臨界壓力比b值。結果證明，用該方法表述脈沖閥的流量特性是合適的[1]。

1.3 流量特性不能反映脈沖閥最重要的性能

脈沖閥的工作原理及其清灰機理，決定了對脈沖閥性能的表述遠不能限于流量特性，更重要的還應包括脈沖閥的開關特性。

脈沖閥的工作過程具有以下特點：1）時間短。從開啟到關閉的氣脈沖時間僅為80～200ms，少數特大脈沖閥時間也不超過500ms。2）參數變化迅速。在上述的短暫時間內，流過脈沖閥的氣體流量從零增加到最大值，又迅速減小為零；氣流的壓力也有類似的變化。3）脈沖閥噴吹時的氣體流量相當大。以DN80mm淹沒式脈沖閥為例，當噴吹壓力為0.2MPa、氣脈寬為100ms時，其噴吹氣量為0.196m3，其流量為1.96m3/s=117.6m3/min[5]。至于DN300mm以上的脈沖閥，在氣脈沖寬度500ms條件下，噴吹氣量超過5m3，其流量達600m3/min，相應噴吹壓力為0.1MPa，對于絕大多數企業而言，建造符合上述要求的測試裝置，幾乎是不可能的。4）脈沖閥的作用是產生高壓氣團，并高速作用于袋式除塵器的濾袋，破壞濾袋表面積附的粉塵層并使之脫離濾袋。據此，要求脈沖閥能夠以最短的時間輸出最多的壓縮氣體。為此，除了要求脈沖閥自身阻力小、流量特性好，脈沖閥還須開啟迅速[5]。

對壓縮氣體產生激波的研究表明，壓力≥0.1MPa的壓縮氣體在釋放過程中會產生激波，亦即達到聲速，但前提條件是“瞬間釋放”，若釋放速度不夠快速，則不能達到此目標。實驗室試驗和現場應用結果表明：同等條件下，開啟迅速地脈沖閥在下游形成的壓力峰值更高、壓力上升速度更快、對濾袋壁面造成的反向加速度更大，從而清灰效果更好。

綜上所述，按照現有國家標準和國際標準測量氣動元件流量特性的方法，完全不能測量閥門的開關性能，不適合脈沖閥特性測量的要求，需要另辟蹊徑。

2 脈沖閥綜合性能測試裝置概要

2.1 基本思路

作為脈沖袋式除塵器的核心部件，脈沖閥的作用是瞬間釋放壓縮氣體的能量，以破壞濾袋表面積附的粉塵層，并使之脫離濾袋，從而實現濾袋的再生。脈沖閥和噴吹裝置的工作效果體現在對濾袋表面粉塵層的破壞程度，在考核脈沖袋式除塵器的性能時，噴吹效果通過除塵器的阻力變化而衡量。

脈沖噴吹對濾袋表面粉塵層的破壞原理與氣體爆破的工作原理雷同，都是瞬間釋放高壓氣體能量，使壓力急速上升，將目的物破壞。噴吹時，脈沖閥下游的壓力峰值、壓力上升速度及濾袋壁面獲得的反向加速度，是衡量清灰能力的決定性指標，這已被大量的實驗室試驗和工程實踐所證明[6]。

根據上述情況，可考慮為測試裝置設立一個“標靶”，用以替代粉塵層。標靶置于脈沖閥下游，直接承受脈沖閥輸出的能量；借助于標靶上的壓力傳感器和加速度傳感器，同時測量標靶上的壓力峰值、壓力上升速度以及標靶加速度。通過這三項指標評價脈沖閥的噴吹能力，可以更真實地反映脈沖閥的綜合性能。

對于不同的脈沖閥，在規定條件下令其對同一標靶分別進行噴吹，可以客觀地比較彼此的性能異同。

2.2 脈沖閥綜合性能測試影響因素的取舍

脈沖閥產品的結構、型號、規格繁多，其對配套件的要求也差異很大。為保證性能測試結果的真實性，測試時須保證被測脈沖閥與測試裝置的對接符合原設計（或產品說明書）的要求。

測試裝置應能真實反映脈沖閥的性能參數，又須結構簡單、操作易行。為此要對與脈沖閥性能參數有關的因素進行甄別，剔除次要因素，僅留下主要因素，并據此設計試驗裝置、選用儀表和確定測試方法。

2.2.1 主要因素

所謂“主要因素”，是指與脈沖閥的性能參數直接關聯的因素，亦即性能試驗中不可或缺的因素。對于脈沖閥性能的主要因素，在測試時應當與原設計基本相同或相近。主要因素包括：①脈沖閥結構；②脈沖閥尺寸；③接口方式；④噴吹壓力；⑤噴吹時間（包括電脈沖時間）；⑥噴吹氣量；⑦氣包容積；⑧電磁閥類型和尺寸；⑨電脈沖信號的特性。上述各因素中：①、②、③、⑧和⑨皆由被測脈沖閥的生產廠商提供；④通常為被測脈沖閥的額定壓力，即廠家規定的工作壓力；需要時，噴吹壓力可在一定范圍內調節，從而獲得一組測試數據；⑤噴吹時間指電脈沖時間，通常與被試驗脈沖閥的額定噴吹時間一致；也可根據需要在一定范圍內調節，以測得更多數據；⑥噴吹氣量以實測數據為準，被測脈沖閥生產廠商提供的數據可做參考；⑦氣包容積一項，鑒于業內對脈沖閥所需的氣包容積看法差異較大，目前尚無統一標準，決定不采納被試驗脈沖閥生產者提供的數據，而按以下原則確定測試時的氣包容積：脈沖閥噴吹后氣包內剩余壓力不小于噴吹壓力的50%。

2.2.2 次要因素

次要因素則是與脈沖閥性能參數間接有關、并可以避開的因素。對于脈沖閥的次要因素，在測試時可以忽略。次要因素包括：氣包型式和尺寸；輸出管結構和尺寸（直徑、彎管曲率半徑、兩端直管長度）；噴吹管結構和尺寸（直徑、長度）；噴吹管開孔型式、數量和直徑；濾袋尺寸和數量；濾袋容塵種類和容塵量。

2.3 脈沖閥綜合性能測試裝置的構成[7]

脈沖閥綜合性能測試裝置由氣包、被測脈沖閥、標靶、空壓機、儲氣罐、油水分離器、壓氣管路及附件、傳感器、數據采集卡、計算機等部件組成。裝置的“目的物”是一個標靶。該標靶有足夠大的質量體系和足夠高的強度、剛性，不因承受脈沖閥的噴吹而導致損壞、變形或移動。標靶可以有一種規格，以便使不同的脈沖閥在同一標靶上試驗和比較，也可根據需要設計兩種以上規格。

氣包容積與被測脈沖閥的噴吹氣量相適應。氣包容積可改變。按照“剩余壓力不小于額定壓力的50%”的原則和被測脈沖閥的噴吹氣量，確定測試所需的氣包容積。被測脈沖閥應有廠商提供的初步數據：額定噴吹壓力、噴吹時間（電脈沖時間）、噴吹氣量以及氣包容積等。

標靶固定在地面上或置于穩固的支架上。載有被測脈沖閥的氣包升降可調，并可水平移動，以便調節脈沖閥輸出口與標靶的距離，并使噴吹輸出口與標靶對中。噴吹氣源由空壓機提供，并設有儲氣罐和油水分離器，供氣管路上設有調壓閥。信號的取樣依賴于傳感器，在氣包上設壓力傳感器，在標靶上設壓力傳感器和加速度傳感器。在氣包上還應有溫度計、壓力表、放水閥等附件。

數據采集卡用于采集傳感器電信號，通過其將傳感器輸出的模擬信號轉換成數字信號，并輸入計算機。計算機用于控制脈沖閥的噴吹、數據采集、存儲、處理、繪制圖形等。

脈沖閥綜合性能測試裝置如下圖所示。

脈沖閥綜合性能測試裝置示意圖

2.4 脈沖閥綜合性能測試裝置控制系統要點[7]

1）采用定時器同步觸發 A/D，并與FIFO數據傳輸方式相結合，以提高系統的采樣頻率和數據的可靠性，滿足控制系統高速采集數據的需要，保證數據采集和傳輸的連續性、完整性；2）采用多線程的數據采集軟件，使系統能夠不間斷地進行數據采集，同時又進行數據的在線實時處理，避免數據的丟失或不連續。主要包括數據采集、標志位辨別、數據傳輸、信號處理等線程；3）系統抗干擾措施。在實時控制系統中，必須采用各種抗干擾手段來抑制干擾對測量結果的影響。

控制系統所處現場存在部分電器的脈沖型干擾、繼電器開斷產生的隨機型脈沖干擾、傳感器以及變送器自身噪聲等。這些干擾主要通過系統的工頻進入，或通過電磁耦合以及監測元件進入。采取的抗干擾措施包括：1）共模抑制技術；2）模擬隔離技術；3）數字濾波處理技術。

對于采樣信號中的各類噪聲和失真采取軟件濾波與硬件濾波相結合的方法。在正式采樣中需進行全程背景噪聲扣除，以消除系統誤差。對采集到的數據實行五點三次平滑法濾波。采用程序判斷濾波法，剔除采樣信號中的“毛刺”干擾。

3 脈沖閥綜合性能測試內容及評價指標[6～8]

3.1 測試內容

脈沖閥綜合性能測試裝置應測試并顯示下列內容或參數：1）噴吹壓力，即脈沖閥噴吹前氣包的壓力Po，MPa；2）脈沖閥輸出（標靶表面）壓力波形；3）脈沖閥輸出（標靶表面）壓力峰值Pmax，MPa；4）脈沖閥輸出壓力上升速度，kPa/ms；5）脈沖閥噴吹后氣包的壓力P1，MPa；6）氣包壓力變化波形；7）標靶加速度波形；8）標靶加速度峰值amax，m/s2；9）電脈沖寬度td，ms；10）電脈沖波形；11）氣脈沖寬度tq，ms；12）氣脈沖寬度與電脈沖寬度之差Δt，ms；Δt=tq-td；13）輸出壓力峰值與噴吹壓力之比，%；14）脈沖閥自身阻力ΔP，MPa；ΔP=P1-Pmax；15）噴吹氣量ΔQ，m3/閥·次；16）噴吹流量

3.2 脈沖閥綜合性能評價指標

（1）脈沖閥輸出（標靶表面）壓力峰值Pmax，MPa。脈沖閥輸出氣脈沖壓力峰值Pmax是表征清灰強度的指標之一，壓力峰值越高，清灰能力越強。

（2）脈沖閥輸出壓力上升速度，kPa/ms。脈沖閥輸出氣脈沖壓力峰值Pmax，與輸出壓力從零至達到峰值的時間dt之比，稱為壓力上升速度 。壓力上升速度是表征清灰強度的另一重要指標，壓力上升速度越大，清灰能力越強。

（3）標靶的加速度峰值amax，m/s2。在脈沖袋式除塵器清灰能力評價中，濾袋壁面運動的最大反向加速度被證明是表征清灰效果的重要指標之一。脈沖閥綜合性能測試裝置不設濾袋，而以噴吹時氣脈沖施加于標靶所產生的加速度峰值替代。

（4）氣脈沖寬度與電脈沖寬度之差Δt，ms；Δt=tq-td。電脈沖（電信號）與脈沖閥噴吹形成的氣脈沖并非同步。電脈沖寬可按照設定而精準地控制，脈沖閥的啟、閉都受電信號控制，但存在滯后。過分滯后是脈沖閥性能差的表現，不但影響脈沖噴吹的清灰效果，也白白消耗了清灰動力。氣、電脈沖寬度差是衡量脈沖閥開啟和關閉的可控程度，也是脈沖閥響應速度的體現。

實踐證明，“噴吹流量”Δq是影響清灰效果的重要參數之一，它是噴吹氣量ΔQ與氣脈沖寬度dq的比值，單位是m3/ms。噴吹流量越大，清灰效果越好。

4 脈沖閥綜合性能測試裝置的檢驗和應用

4.1 檢驗[7]

迄今，國內至少建立了兩套脈沖閥綜合性能測試裝置，對于其中的一套裝置進行了檢驗，考察其測試脈沖閥綜合性能的可靠性和穩定性。

檢驗選取了4個淹沒式脈沖閥在測試裝置上進行性能檢測，其中3個閥的口徑為Φ80mm，分別產自我國國內和我國臺灣省及國外；第4個脈沖閥的口徑為Φ120mm，系20世紀初我國自行研發的大口徑淹沒式脈沖閥。通過改變節流孔面積、電脈沖時間、噴吹壓力、閥門通徑等因素，考察脈沖閥性能的變化情況，從而檢驗測試裝置的可靠性。將測試數據同理論分析結論、以前的研究結果及實際應用的狀況進行比較，證明相符，說明測試裝置用于脈沖閥性能檢測是可靠的。

在測試裝置數據被證明可靠的基礎上，對脈沖閥進行重復性采樣測試，以驗證測試裝置的穩定性。結果表明，脈沖閥綜合性能測試裝置的測試數據重復性好，性能穩定。

4.2 應用

已經建成的兩套脈沖閥綜合性能測試裝置在以下方面發揮了有力的作用。

（1）助推大口徑脈沖閥的研制順利完成。20世紀初，一項名為“大口徑脈沖閥研制”的研究項目，借助脈沖閥綜合性能測試裝置進行了大量的試驗，使研制中的Φ120mm脈沖閥加速優化和定型，最終獲得了良好的性能[10]。

（2）脈沖閥生產企業利用綜合性能測試裝置進行產品質量監控，按規定抽檢脈沖閥成品，通過性能測試中發現的參數變化，能快速發現存在的缺陷，及時整改。對于新產品開發，測試裝置是舉足輕重的利器，新產品改進之處經過測試，其性能參數的變化一目了然[8]。

（3）對國內外部分脈沖閥產品進行了相同條件下的性能測試，進口新型閥的多項技術指標優于國產閥，值得學習和借鑒[8]。

5 結語

長期以來，對于脈沖閥綜合性能的測試缺少研究，未能形成有效而可靠的評價方法和測試裝置，脈沖閥的噴吹性能參數不能通過實測提供給用戶，導致用戶對脈沖閥的選型普遍存在盲目性，不利于脈沖袋式除塵器的可靠運行。

目前，我國對脈沖閥綜合性能的測試方法和裝備雖進行了一些探索，但工作尚未能深入。業界應對此問題共同努力，改變目前脈沖閥選型的粗放局面，使脈沖清灰袋式除塵器的設計和制造者正確選用脈沖閥，以確保除塵器清灰裝置有效、可靠和經濟，同時引導生產企業提供性能優良的脈沖閥，積極開發性能更佳的新產品。