在钢厂混合气体循环发电工程中，控制阀需要控制混合气体输送管道中的压力脉动，以确保输送给气体轮机的混合气体压力稳定，机组正常发电。混合气体的热值较低，因此在相同的装机容量下，混合气体燃料管道的直径和燃料控制阀的尺寸增加了3~4倍，相应的混合气体压力控制阀的直径也应增加。增加阀门直径是满足大流量要求的有效措施之一。但控制阀部件尺寸的增加会使气体密封性能更差。
混合气体的主要可燃成分中含有有毒物质CO气体一旦泄漏，就会有安全隐患，因此研究大流量气体燃料控制阀泄漏故障的诊断方法具有重要的现实意义。
1 控制阀泄漏故障机理
1.1 控制阀泄漏的类型
控制阀泄漏分为外部泄漏和内部泄漏两种类型。外部泄漏常见于阀体、阀杆、填料函和阀体之间的连接部调节阀关闭不严格形成的泄漏为内部泄漏，发生在阀座密封处。以图1所示结构的控制阀为研究对象，重点研究其外部泄漏故障的机制。根据泄漏部位的不同，外部泄漏故障可分为：法兰泄漏、阀盖泄漏、压力盖泄漏、阀体泄漏。根据故障所涉及的不同部件，总结分析外部泄漏故障的分类，可获得控制阀外部泄漏的机制。具体情况见表1。
1.2 泄漏时压力变化
从混合气体粘度的角度来看，当流体沿管道流动时，由于流体分子及其与管壁之间的摩擦，必须消耗部分机械能来克服摩擦阻力；由于流动方向和速度的变化，流体会产生局部漩涡和冲击，机械能损失会导致流体压力下降。因此，当控制阀泄漏时，泄漏处的流体流动会带来新的机械能损失，新的机械能损失会导致新的压力损失。
控制阀入口压力为p，出口压力为p1，pf为了克服摩擦造成的压力损失，压力降低到Δp1.泄漏时，出口压力为p2，此时的压力降为Δp2.泄漏造成的压力损失为pL，有以下关系类型：
由式(4)可以看出，当发生泄漏时，控制阀的出口压力在同一开度下降低。
由于混合气体在传输过程中存在压力信号波动，仅通过简单的压力变化分析很难检测到调节阀的泄漏故障，因此需要在此基础上找到更有效的解决方案。
2 控制阀泄漏故障的诊断方法
2.1 混合气体的流动状态
在建立控制阀泄漏故障数学模型时，需要明确混合煤气在控制阀中的流动状态和类别，以明确有关的边界条件。
在钢厂循环发电过程中，混合气由高炉气和焦炉气组成，常用高焦比为7∶3.混合煤气的组元体积及相关数据(表2)由高炉煤气和焦炉煤气获得。
混合气体的绝缘指数为Kh，气体常数为Rh（J/kg•K），当地音速为ah（m/s），马赫数为Mh，则有：
式中
R——气体常数，R=8.314J/mol•K；
T——混合气体的温度取平均温度T=548K；
V——混合气体的流速取平均流速V=16.25m/s。
由式(5)~(8))~(8)联立求解混合气体Mh=0.0367，即Mh＜0.3.在流动过程中，由压力变化引起的密度变化不到5%。此时，气体可视为不可压缩流体。因此，混合气体的气体流动可视为不可压缩流体流动，即混合气体的密度ρ为常数。
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2.2 压力与速度和密度的关系
压力与速度的关系可以从流体力学中的伯努利方程中获得。理想的不可压缩流体伯努利方程为：
式中
γ -重度，N/m3，即γ=ρg；
ρ -混合气体密度，kg/m3；
g -重力加速，m/s2；
V -气阀入口速度，m/s；
V1-正常情况下气阀出口速度，m/s；
z，z1-流体距离基准在不同截面的高度，m。
考虑到实际摩擦力的影响和气体重量较小的因素，公式（9）可以在实际控制阀的入口和出口推出伯努利方程，以获得压力和速度之间的关系：
密度与压力之间的关系可根据气体状态方程获得：
2.3 控制阀泄漏故障的数学模型
设Qm是阀体入口处的质量流，即单位时间流入的质量；Qm一是阀体出口处的质量流；Qm2.泄漏时阀体出口处的质量流。根据质量守恒定律，如果没有泄漏故障，流入控制阀的气体质量等于流出控制阀的气体质量，反之亦然。泄漏故障的数学模型为：
式中
V2-发生泄漏故障时，混合气体出口速度，m/s；
A——流过的断面面积，m2。
将式(10)和(11)替代式(12)可获得质量流与压力和流量之间的函数关系:
式中
Qv——气阀入口体积流量，m/s。
通过测量压力和流量信号，监测质量流量变化，诊断控制阀泄漏故障。
3 模拟和实现泄漏故障诊断
模拟根据质量流变化建立的泄漏故障数学模型，模拟条件根据实际工艺条件确定：
a．入口压力p在2.08～2.86MPa波动；
b．入口流量Qv在23.75～26.75m3/s波动；
c．断面面积A=1．5384m2；
d混合气体常数Rh=343.82J/kg•K；
e混合气体温度T=548K。
在LabVIEW在环境中，上述条件分别模拟控制阀的正常和泄漏状态。模拟结果表明，当泄漏故障发生时，出口质量流相对正常状态的质量流发生显著变化，如图2所示。
泄漏故障诊断部分作为控制阀智能故障诊断系统的子系统，如图3所示。
4 结束语
泄漏故障诊断是控制阀智能诊断系统的关键组成部分，泄漏故障信号的收集和处理对实现泄漏故障的自诊断具有重要意义。根据质量守恒定律，比较控制阀出口和入口的质量流变化，获得以压力信号和流量信号表达的质量流量征兆作为故障诊断征兆的具体解决方案，通过模拟实验证明了诊断方法的有效性。
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