背景
在煤氣化聯合循環中，當採用熱值較低的氣體燃料時，需要重新設計燃燒系統，或對裝置的燃料系統進行修改和調整。作為燃料系統的重要部件———氣體燃料調節閥，其工作情況直接影響燃料系統的運行，乃至整個機組的性能，因此對該閥進行性能試驗研究是至關重要的。
在低熱值煤氣燃料系統中，由於燃料的熱值低，且主要可燃成分H和CO有毒、易爆炸，因此要求煤氣調節閥具有大流量、快速關閉及密封性良好等特點。為了使該閥滿足大流量的要求，增加閥門口徑是有效措施之一。然而，據美國通用公司在分析以某低熱值煤氣(其熱值約3 768～5 443 kJ/m3)作燃料的聯合循環發電裝置方案時，估算其燃料管道的直徑和燃料調節閥尺寸比原來的天然氣系統增大3～ 4倍,即其通流面積增大9～ 16倍。這種龐大的系統結構不僅增加總體布置和結構設計的困難，而且會使調節閥的動態特性大大變壞，甚至其時間常數將要大到機組的調節閥所不能容許的程度。此外，閥件尺寸的增加，使氣體密封性能也將變壞。可見單純增大調節閥尺寸的改進方法難以滿足要求。我國目前尚無此類型的調節閥，需要對引進國外技術進行消化和吸收，研製適合煤氣化聯合循環的氣體燃料調節閥。
燃料控制系統
燃料控制系統的任務
通過控制進入鍋爐的燃料量(如:油、煤等)維持過熱器出口汽壓,以保證在不同負荷下鍋爐的安全運行,汽壓變化時表示鍋爐的蒸汽產量和負荷的耗汽量不適應,這時必須相應地改變燃料的供應量,以改變鍋爐的產汽量,維持燃燒過程的能量平衡。
燃料量控制系統的燃料信號
控制系統與燃燒過程是可以相互獨立運行的，對於燃燒過程而言，可以迅速有效地改變進入爐膛的燃料量，以適應負荷的變化，這對於維持主汽壓力的穩定是有利的。但對於燃料量的測量上是一個特殊的問題，要準確測量進入爐膛的瞬時煤粉量目前尚有難度。目前在系統設計時採用的方法是兩種間接法：最常見的是採用給粉機轉速信號代替給粉量的方法，因為在正常(理想)情況下,給粉機的出力與轉速成正比。給粉機轉速容易測量、反應速度快，因此，採用給粉機轉速信號代表給粉量是中儲式熱風送粉鍋爐燃料控制系統常用方法之一。另外一種是以熱量信號代表燃料量信號的燃料控制系統，熱量信號是由蒸汽流量信號和汽包壓力的微分信號組成,在蓄熱系統準確求出後，它能較準確代表進入鍋爐的燃料量，並能克服給粉機轉速信號代表給粉量的一些缺點。
燃料流量調節技術研究現狀
目前常用的燃料流量控制策略有泵控和閥控兩種控制方式，由於兩種方法控制思想的不同，各自對應的燃料供給系統的元件組成及其工作特點也各不相同。
泵控方式是通過改變變數泵的排量進行流量調節的方式，屬於容積控制方式，因此其沒有節流口損失，效率高，節能性好，同時避免了燃油管道兩相流問題，減小了控制難度，且系統抗負載的剛度大。但由於泵控系統中變數裝置慣量較大，因此動態回響較差，而且通常發動機的供油泵和燃燒室之間管路較長，燃料供給動態回響特性會受到管路動態的影響。因此，當採用泵控方式進行燃料流量調節時，為達到回響速度快的目的，則要求管道的長徑比要小。此外，泵控系統還具有結構複雜，成本高等缺點，因此更適合用於大功率，要求效率高的場合。
閥控方式是在迴路中設定各種控制閥，並通過他們的配合進行流量調節的方式，屬於節流控制方式，因此其具有節流損失和溢流損失，能量損失大，效率低，但閥控系統的動態回響速度快，控制精度高，並可採用多個調節閥分別控制多條支路的流量，結構簡單，成本低。基於以上優點，採用流量調節閥式的燃料調節器是實現快速、精確燃料供給流量調節的關鍵。閥控系統更適合小功率，對效率要求不高的場合。
對於超燃衝壓發動機的燃料供給系統，由於其工作壓力較低，功率較小，對燃料流量調節的精度和回響速度有一定要求，而且燃油泵和燃燒室之間的管路較長，因此更合適採用閥控方式對燃油流量進行控制。
由於超燃衝壓發動機採用再生式主動熱防護的冷卻方式，因此燃油流經發動機表面被加熱，採用閥控方式進行燃料流量控制時，則研究高溫燃料流量調節閥的調節特性是實現超燃衝壓發動機燃料流量自動調節和精確控制的關鍵。
高溫流量調節閥研究現狀
目前對高溫流量調節閥的研究主要集中在兩個方面：一方面是對高溫材料的研究；另一方面是對高溫流量調節閥的結構設計是否合理，能否滿足性能要求的研究，這主要通過理論分析，合理設計並進行試驗來完成。
現在航天發動機等領域廣泛使用的高溫材料為高溫合金材料，其抗氧化、工藝性好、高強韌和良好的導熱性等優點使其具有良好的綜合性能，但由於高溫合金受到金屬熔點的限制，最高溫度難以滿足發展的要求，必須尋找出更耐高溫的材料來替代高溫合金。從當前新型高溫材料的研究來看，比較受關注的主要有陶瓷基複合材料、碳/碳複合材料、金屬間化合物以及難熔金屬矽化物基複合材料。他們普遍具有低密度、高比強和低膨脹係數等優點，使用溫度都在1000℃以上，但由於其高溫下的特性仍無法與高溫合金相抗衡，在航天發動機上的套用還比較少，但從國內外套用情況以及發展前景來看，非金屬的新型高溫材料將會成為未來套用於航天發動機等領域的主要材料。
高溫流量調節閥控制調節技術的研究現狀
在常溫下流量調節閥控制調節方式主要有手動調節方式、電磁驅動方式、伺服控制方式和比例控制方式、數字控制方式以及先導控制方式等。
電磁控制方式採用普通的螺線管式電磁鐵做驅動元件，結構簡單，屬開關控制方式，只能實現開環控制，無法滿足高精度的流量調節需要。伺服控制方式是採用力矩馬達做驅動元件的控制方式，具有回響速度快、控制精度高，易於實現閉環控制等特點。但伺服控制流量調節元件對工作介質的清潔度等級要求非常高，而且價格較昂貴。比例控制方式是採用比例電磁鐵驅動的一種控制方式，比例控制元件可以接受電信號的指令，連續成比例地控制系統的壓力、流量等參數，使之與輸入電信號成比例的變化。與手動調節和電磁驅動的流量調節元件相比，比例控制方式控制水平高；與伺服控制方式相比，控制性能稍差，但結構簡單、成本低、抗污染能力強。
數字控制方式是採用步進電機或伺服電機的一種控制方式，控制精度高，回響速度快，能夠實現直接的數字控制，但結構複雜，通常需要在步進電機或伺服電機與調節元件之間增加機械傳動裝置，從而把步進電機或伺服電機的旋轉運動轉換為流量調節元件閥芯的直線運動。
先導控制方式是採用液體或氣體控制的先導控制元件驅動主控制元件動作的控制方式，具有控制精度高、能夠實現閉環控制等特點，但結構稍複雜，回響速度會受到先導控制元件和先導控制系統回響速度的限制。
由於比例電磁鐵、力矩馬達或步進電機的最高工作溫度一般都不超過150℃，而高溫閥的工作溫度一般在400~700℃，因此高溫流量調節閥很難採用比例控制、伺服控制和數字控制進行調節。目前高溫的流量調節閥多採用手動調節方式，通常用於汽輪機及化工生產過程中。但手動調節方式無法滿足超燃衝壓發動機燃料流量自動精確調節的要求。
比例電磁閥的研究現狀
伺服技術在50年代已日臻完善，由於伺服閥的快速回響及高的控制精度，以其明顯的技術優勢，迅速在高精度、快速回響的領域中，如航天、航空、軋鋼設備及實驗設備等中取代了傳統的機電控制方式。但人們也很快發現，由於電液伺服器件的價格過於昂貴，對油質要求十分嚴格，控制損失(閥壓降)較大，使伺服技術難以更廣泛地被工業套用所接受。在很多工業套用場合，要求一般的高質量的控制手段，卻並不要求太高的控制精度或回響性。
現代工業的迅猛發展，要求發展一種廉價、節能、維護方便、適應大功率控制及具有一定控制精度的電液比例控制技術。而現代電子技術和測試技術的發展為工程界提供了可靠而廉價的檢測、校正技術。這些為電液比例技術的發展提供了有利的條件。
電液比例閥是介於普通液壓閥和電液伺服閥之間的一種液壓閥，它可以接受電信號的指令，連續成比例地控制系統的壓力、流量等參數，使之與輸入電信號成比例的變化。電液比例閥多用於開環系統中，實現對液壓參數的遙控，也可作為信號轉換與放大元件用於閉環控制系統。與手動調節和通斷控制的普通液壓閥相比，它能大大提高液壓系統的控制水平；與電液伺服閥相比，雖然它的動靜態性能有些遜色，但結構簡單、成本低，己能滿足多數對動靜態指標要求不很高的場合。
二十世紀七十年代電液伺服控制技術日趨成熟，並迅速向民用工業推廣，但是，由於伺服閥的製造精度要求很高，價格昂貴，對油污十分敏感，對系統的使用維護要求很高，所以它難以被廣泛地接受。於是具有高精度、快回響的電液比例閥應運而生，它不僅具有伺服閥的特點，而且它的抗污染能力強，使用可靠，維護簡單，成本低廉。而在近30年來，電液比例閥經歷了發展的三個階段：
第一階段的閥是在原電磁開關閥的基礎上，保留閥內主結構不變，只是用比例電磁鐵代替普通電磁鐵，從性能上說頻寬約1~5Hz，滯環約4%~7%。
第二階段比例器件普遍採用了內反饋迴路，同時研製了耐高壓比例電磁鐵，與之配套的比例放大器也日趨成熟，從性能上說，比例閥的頻寬己達5~15Hz，滯環縮小到3%左右。
第三階段起始於80年代，現在的比例技術主要特點是：
1.設計原理進一步完善，通過液壓、機械以及電氣的各種反饋手段，使比例閥的性能進一步提高，頻寬達到3~50Hz，滯環在1%~3%之間；
2.比例技術和插裝技術結合，開發出二通、三通比例插裝閥；
3.出現多種將比例閥、感測器、電子放大器和數字顯示裝置集成在一塊的機電一體化器件；
4.將比例閥和液壓泵、液壓馬達等組成一起，構成節能的比例容積器件。
現在的比例閥，按其生產過程還可分為兩類：一類是在電液伺服閥的基礎上簡化結構、降低製造精度，從而以低頻寬和低靜態指標來降低閥的成本，用於對頻寬和控制精度要求不高的場合。另一類是在傳統的液壓閥基礎上，配上廉價的螺管式比例電磁鐵進行控制。
隨著電液比例技術的發展，電液比例閥的性能也在不斷提高，其優點主要體現在：
1.操作方便，容易實現遙控；
2.自動化程度高，容易實現編程控制；
3.工作平穩，控制精度高，價格便宜，性價比高；
4.結構簡單，使用元件較少，對污染不敏感；
5.系統的節能效果好。因此在控制較複雜，特別是要求有高質量控制水平。
比例式燃料流量調節閥的結構和工作原理
比例閥的閥體採用閥芯、閥套結構，這樣可以在閥套上開非全周的節流視窗以獲得較小的面積梯度，從而可以增加閥的控制精度。為了使得閥的節流面積與閥芯位移成正比關係，閥套上的節流視窗採用矩形形狀。在閥芯的兩個台肩上各加工有三條寬和深各為1mm的均壓槽，用以減小閥芯所受到的偏心力，防止閥心卡死。此外，還能起到增加閥芯和閥套之間的氣密性的作用。
閥在工作時，進入閥的工作介質溫度很高，而普通的比例電磁鐵、密封圈和彈簧都難以承受如此高的溫度。為了防止它們在高溫下失效，對比例電磁鐵和彈簧要採取隔熱措施，密封圈剛要使用較軟的金屬材料。在本設計中，用導熱係數較低的剛玉墊片隔開比例電磁鐵和閥體，整個比例電磁鐵只有連線螺栓和推桿尖端與閥體接觸，它們的橫截面積較小，因此能使比例電磁鐵的溫度保持在安全範圍內。對於閥體內的彈簧，則使用兩個導熱係數更低的氧化鋯球來隔開與閥體的接觸，最大限度地防止其溫度的升高。閥中的密封圈使用紫銅加工而成，能保證閥在高溫下的密封性能。
為了保證閥套和閥體間的氣密性，它們的接觸面在加工時需要保證一定的粗糙度要求，它們之間的配合使用過盈配合。由於閥芯既要在閥套內滑動，又要保證氣密性，因此它們的表面粗糙度和配合精度要求很高，在設計與加工中，它們接觸面的粗糙度要求為0.8，配合間隙為3μ。
比例流量控制閥與普通節流閥的差別就是閥芯的運動由比例電磁鐵來驅動，並且閥的製造與控制精度更高。當經過放大器給定比例電磁鐵一個輸入信號時，電磁鐵推動節流閥芯移動一定的開口量，當節流口前後壓差一定時，通過的流量就只與閥芯的開口量有關。通過調節比例電磁鐵的輸入電流就可以控制節流閥的流量。在進氣口壓力一定和節流口壓差不變時，給定一連續的電信號，閥就會輸出一連續的流量，因此使電信號和輸出流量具有比例關係。這就是比例式高溫氣態燃料流量調節閥的工作原理。
閥芯的受力分析
在比例式氣態燃料流量調節閥中，閥芯的運動是是靠比例電磁鐵來驅動的，為了給閥的設計提供依據，必須全面地分析閥芯運動時的受力情況。閥芯運動時的受力情況，隨閥芯形式的不同而不同，就一般而言，按其作用力的方向可分為：周緣力、側向力和軸向力三類。周緣力的作用是使閥芯產生旋轉，通常忽略不計。側向力主要是由於流體流過閥芯、閥套之間的縫隙引起的不平衡力產生的，在液壓閥分析設計中對這種不平衡力已有較詳細的分析和計算，這套分析方法和所得到的規律對氣動閥也是適用的，只是其定量關係有些差別。對於側向力，往往通過一些加工和結構上的方法來減小它，在建立模型時可以不考慮。
作用在閥芯軸向的力主要包括：
驅動力：比例電磁鐵對閥芯的推力；
慣性力：包括閥芯和隨閥芯一起運動的附屬檔案加速運動時產生的慣性力；
乾摩擦力：很難計算，需要從設計和使用上予以消除；
粘性摩擦阻力：當流體流經滑閥副縫隙時，由於流體的粘性對閥芯運動產生的摩擦阻力，與閥芯的運動速度成正比，很難精確計算；
氣體反作用力：由於流體在閥腔中的流動而產生的反作用力，包括穩態和瞬態兩種流體反作用力。
液控式高溫燃料流量調節閥主閥結構
液控式高溫燃料流量調節閥的閥口為拉瓦爾噴管結構形式。拉瓦爾管的結構主要包括入口、穩定段、收縮段、喉部和擴張段。由於技術要求對主閥結構大小以及壓力損失的限制，將進氣口安排在近出口端，這樣可以有效的減少壓力損失，同時兩個進氣口對稱布置，不僅保證了大流量的過流能力，而且可以改善閥體受熱與應力分布不均勻的狀況。由於把進氣口放置在近出口端，因此該拉瓦爾管幾乎沒有了穩定段，會略有來流不穩定的問題。收縮段的目的加速氣體並要保證出口氣流穩定，因此應儘量短，但又不能太短。擴張段為了避免嚴重激波的出現，半頂角角度不應過大，而角度太小，壓力損失又比較嚴重，因此在本閥中半頂角選為5°，同時擴張段儘量保證一定的長度是為了更好的恢復壓力，以滿足出口處對氣體壓力的需求。波紋管在本閥中主要起密封作用，閥芯伸出桿的直徑與波紋管內徑幾乎相等，起到一定的徑向固定的作用，防止閥芯在運動過程中受力不均勻而側彎。
液控式高溫燃料流量調節閥的工作原理
該閥由主閥和液壓先導控制部分組成，其中液壓先導控制部分主要包括電液伺服閥和主閥閥芯驅動活塞組成。
液控式高溫燃料流量調節閥是採用液壓先導控制的流量調節閥，通過先導控制迴路調節控制活塞的位移，進而調節主閥閥芯位移，在主閥閥芯驅動活塞伸出桿上裝有位移感測器，位移感測器將閥芯位移反饋回來與輸入信號進行比較從而形成閉環控制。調節閥P口和T口分別為流量調節閥主閥的入口及出口，X口接控制油源，U1為輸入閥芯位移控制信號，U2為位移感測器的反饋信號，△U為輸入控制信號與反饋信號的偏差信號。當給定一個控制信號時，電液伺服閥控制主閥閥芯驅動活塞產生一定的位移量，活塞桿與閥芯桿之間通過法蘭剛性連線，因此活塞桿帶動主閥閥芯運動，裝在活塞桿上的位移感測器將閥芯位移反饋給控制器，控制器通過計算得出位移偏差信號對伺服閥進行控制，從而使主閥閥芯產生與輸入信號相對應的位移量，實現閉環控制。若此時調節閥前後壓力和入口溫度一定，則流經調節閥的燃料流量只與主閥閥口開度有關係，這樣就可以通過控制閥芯位移的大小來控制輸出流量。
流量調節閥主閥閥芯受力分析
液控式高溫燃料流量調節閥主閥閥芯的運動主要靠液壓先導控制部分進行驅動和控制，為了給液壓先導控制部分的設計及其控制特性的分析提供依據，需要對主閥閥芯處的受力進行分析。
閥芯形狀不同，閥芯在運動時所受的力也不同，一般可分為：周緣力，使閥芯產生旋轉的力；側向力，由於閥芯徑向受力不均勻而產生的使閥芯沿徑向偏向一側的力；軸向力，閥芯軸向運動所受到的力，通常為閥芯主要的負載力。周緣力和側向力可以通過加工時對結構的合理設計而消除或是抑制，在本文的設計仿真中不予考慮。
閥芯所受到的軸向力主要有：
1) 慣性力，閥芯做加、減速運動時由於慣性作用所受到的力；
2) 彈性力，密封作用的波紋管是一個彈性體，當其被拉伸或是壓縮時就會對閥芯產生反作用的彈力；
3) 驅動力，伺服液壓缸帶動閥芯運動時給閥芯的力；
4) 粘性阻力，閥芯運動時，由於氣體的粘性而產生的阻礙閥芯運動的粘性摩擦力，比較難以計算，但是這個粘性阻力比較小，一般可以忽略。
5) 液動力，分為穩態液動力與瞬態液動力。液流速度的大小和方向隨著流道空間變化而不隨時間變化產生的力為穩態液動力，穩態液動力一般比較大，是影響主閥閥芯驅動力的重要因素。閥芯運動引起的液流加速或減速，液流速度的大小和方向隨著時間而變化，由此產生的力為瞬態液動力，瞬態液動力相對於穩態液動力一般比較小，但瞬態液動力會影響閥的穩定性，需要進行必要的分析。
