多功能水泵控制閥的水錘防護特性及其應用

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摘要：本文論述了新型多功能水泵控制閥的水錘防護原理，并結合實際工程應用情況，介紹該控制閥的設計計算方法。

　　關鍵詞：多功能水泵控制閥 水錘防護原理

　　1 引言

　　水錘控制是給水管道系統(tǒng)設計的一項重要內容。水錘的形成與閥門的迅速關閉/開啟有關，由于閥門關閉/開啟時間Ts與水錘波的相長T的差異，表現(xiàn)為直接水錘和間接水錘兩種形式。

　　當Ts﹤T時，在閥門關閉過程中，反射回來的水錘波尚未到達閥門時，閥已關閉，水錘波所產生的壓強增高值無干擾作用，這種水錘稱為直接水錘，閥門開狀態(tài)與關閉狀態(tài)剛好相反，裝有普通止回閥的供水系統(tǒng)中常常產生直接水錘。

　　當Ts﹥T時，在閥門關閉過程中，反射回來的水錘波到達閥門時，閥門尚未完全關閉，水錘波導致的壓強增值受到了干擾，水錘峰值被削減，這種水錘稱為間接水錘。在同一條件下，直接水錘比間接水錘的危害性要大得多，危害最大的是斷流彌合水錘。株洲南方閥門制造有限公司生產的多功能水泵控制閥，就是通過控制閥門的關閉狀態(tài)，造成間接水錘的形成條件來實現(xiàn)管道系統(tǒng)的水錘防護的。

　　2 水錘波增壓值的理論計算

　　給水系統(tǒng)水錘波的壓力峰值P為水泵的額定揚程P1和水錘壓力增值△P的迭加值即：

　　P=P₁+△P                       （1）

　?。?）直接水錘壓力增值△P

　　按儒可夫斯基公式，可以計算供水系統(tǒng)中發(fā)生直接水錘時的壓力增值△P

　?。?）

　　△P—直接水錘的壓力增值，KPa；

　　V₀—水錘產生前管道中的平均流速，m/s；

　　V—水錘產生后管道中的平均流速，m/s；

　?。?）式中，K：水的彈性模量，N/m2；K=2.04  ×105N/cm²

　　E：管壁材料的彈性模量，N/m2，鋼管或鋼筋混凝土管，EO=2.04×107N/cm²

　　D：供水管的直徑，mm；

       δ：供水管的管壁存度，mm；

　　C₀=K/ρ，在密度為ρ，彈性模量為K的無邊界液體介質中聲音的傳遞速度，對于水，C₀=1425m/s.

　　從式（2）可以看出，當管道材料及其所輸送的介質確定以后，直接水錘的壓力增值△P，是管徑和流速的函數(shù)，△P=f（V，1/D），直接水錘的壓力增值△P隨著流速的增大而增大，隨著管徑的增加而減小。因而在工程設計中可以通過降低流速 即增大管徑來降低水錘的危害。

　?。?）間接水錘壓力增值△P1的計算

　　間接水錘的壓力增值計算比較復雜[2] [3]  ，可按流體力學公式進行計算

　　△P，=T/Ts·△P                         （4）

　　△P^'—間接水錘時的水壓增值，KPa ；

　　由于發(fā)生間接水錘時，T_s﹥T，由式（4）可知，△P^'﹤△P，即同樣條件下間接水錘較直接水錘的水錘壓力峰值要小。當閥門的關閉（開啟）時間T_s，水錘波的相長T確定之后，可以按（4）式直接計算間接水錘的壓力增值。在實際選用水泵多功能閥時，當直徑大于DN800時，一般以T_s=（1.3-1.5）T，T_s≯2.0T為宜。當管道直徑較小、管道不長時，T_s可以適當加大，閉閥歷時Ts可以是水錘相T=2L/C的2-10倍，把實際水錘壓力P限定在安全范圍內?？赏ㄟ^調節(jié)閥門啟閉動作時間（3～120s），使計算水錘壓力峰值小于1.5倍水泵工作壓力。這一點不同于液控緩閉閥，液控緩閉閥是通過快關、慢關兩階段實現(xiàn)的，在快關階段，關閉角度大，約為60-80%，而時間很短，為1-2s；在慢關階段，關閉角度小。關閉時間太長，容易引起 壓力管道中的水大量倒流，使水泵反轉速度超過允許值，或者造成壓力管道中的水柱被快速拉斷，部分管段出現(xiàn)真空，甚至產生斷流彌合水錘。

　　2、多功能水泵控制閥的水錘控制過程

　　多功能水泵控制閥是一種新型的水力控制閥門，一閥可同時替代現(xiàn)行水泵壓水管上的電動蝶（閘）閥、單向閥和水錘消除器，并能自動實現(xiàn)開泵時的緩開（準軟啟動），停泵時的速閉/緩閉，基本上可以實現(xiàn)現(xiàn)行液控緩閉閥的功能，即兩階段關閥過程，有效地防止水錘事故的產生，但它無任何電氣控制動力或外力油壓系統(tǒng)。在閥體設計上還采用了寬閥體流線型設計，有效地降低了水流阻力。

　　多功能水泵控制閥的水錘防護過程：水泵啟動前，閥門出口端壓力作用在主閥板上，主閥板處于關閉位置，同時膜片控制器的上腔連通壓力水，下腔則與閥門進口端的低壓相通。水泵啟動后，閥門進口壓力逐漸升高，同時壓力水通過閥門進口端的連接管緩慢進入膜片控制器下腔，實現(xiàn)主閥板的緩慢開啟，開啟速度可通過控制閥進行調節(jié)。水泵停機時，閥門進口的壓力降低，當接近零流量時，主閥板在自身重力作用下迅速關閉。因閥門進口端壓力降低，閥門出口端的壓力水通過連接管進入膜片控制器上腔，下腔水通過閥門進口端的連接管壓回至閥門進口端，緩閉閥板緩慢關閉，慢關時間可通過控制閥進行調節(jié)。主閥板的速閉和緩閉閥板的緩閉符合給水系統(tǒng)的兩階段關閉規(guī)律，因此能有效地削減水錘壓力峰值。

　　連接管的附件設計：微止回閥的作用是保證閥門開啟的時間大于電機啟動時間，使電機輕載啟動；閥門開啟時間可根據(jù)現(xiàn)場工況壓力設定。控制閥可調節(jié)進出膜片控制器上下腔的水流速度，從而調節(jié)緩閉時間；在水泵正常運行時也可手動操作該閥來啟閉閥門。過濾器是保證膜片控制器上下腔中水的清潔度。由于閥門在開啟過程中水流是往復進出的，本身具有反沖洗的作用，因此也可用于介質較差的情況。

　　多功能水泵控制閥主閥板的開啟是由管道中的水流沖擊力大小決定的，流速高時主閥板開啟度大，流速減小時閥板開啟度??；流速接近于零時，主閥板關閉。整個過程與消除水錘的兩階段關閉原理相吻合，因此消除水錘效果很好。

　　多功能水泵控制閥緩閉閥板的關閉，是在膜片式控制器上下腔形成壓力差后方能實現(xiàn)，即主閥板關閉后，緩閉閥板方能關閉，因此不會出現(xiàn)緩閉與速同步的現(xiàn)象。

　　3 應用實例

　　安康鐵路水廠改造工程：

　　設計水泵揚程80m，地形高差68.4m，設計流量850m3/h，管口徑DN400，管長為6.0km，設計流速0.50—1.20m/s，C=980.4m/s，水錘波相長T為 12.2s，Ts=2.25T=30s時，理論上，產生間接水錘的峰值為1.34Mpa，安裝多功能水泵控制閥后，產生的停泵水錘壓力峰值為0.98Mpa；安裝普通止回閥停泵水錘壓力峰值則為1.88MPa.據(jù)現(xiàn)場測試，安裝JD745X—10DN400多功能水泵控制閥，緩閉時間為30s時，停泵壓力峰值為0.95 MPa，小于1.20 Mpa，而原配置為電動蝶閥和微阻緩閉蝶閥，停泵壓力峰值為1.2～1.4MPa.停泵后水泵最大反轉速度為600r/min，與原配置相同。經多處實踐使用證明，多功能水泵控制閥具有良好的水錘防護作用。

　　主要參考文獻

　　1.黃  靖 羅建群  多功能水泵控制閥  中國給水排水，1999，15（2）

　　2.Wylie E B.  Strecter V L.  Fluid Transients， Mc-Graw-Hill Co. 1978

　　3.謝水波 陳勝兵 等 停泵水錘計算直接迭格式與電算方法，水利學報，2001，（6）：80-85