多功能水泵控制閥的水錘防護(hù)特性及其應(yīng)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(hù)原理，并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用情況，介紹該控制閥的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

　　關(guān)鍵詞：多功能水泵控制閥 水錘防護(hù)原理

　　1 引言

　　水錘控制是給水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。水錘的形成與閥門的迅速關(guān)閉/開啟有關(guān)，由于閥門關(guān)閉/開啟時(shí)間Ts與水錘波的相長(zhǎng)T的差異，表現(xiàn)為直接水錘和間接水錘兩種形式。

　　當(dāng)Ts﹤T時(shí)，在閥門關(guān)閉過程中，反射回來的水錘波尚未到達(dá)閥門時(shí)，閥已關(guān)閉，水錘波所產(chǎn)生的壓強(qiáng)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(guān)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(chǎn)生直接水錘。

　　當(dāng)Ts﹥T時(shí)，在閥門關(guān)閉過程中，反射回來的水錘波到達(dá)閥門時(shí)，閥門尚未完全關(guān)閉，水錘波導(dǎo)致的壓強(qiáng)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(chǎn)的多功能水泵控制閥，就是通過控制閥門的關(guān)閉狀態(tài)，造成間接水錘的形成條件來實(shí)現(xiàn)管道系統(tǒng)的水錘防護(hù)的。

　　2 水錘波增壓值的理論計(jì)算

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

　　P=P₁+△P                       （1）

　　（1）直接水錘壓力增值△P

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

　?。?）

　　△P—直接水錘的壓力增值，KPa；

　　V₀—水錘產(chǎn)生前管道中的平均流速，m/s；

　　V—水錘產(chǎn)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(zhì)中聲音的傳遞速度，對(duì)于水，C₀=1425m/s.

　　從式（2）可以看出，當(dāng)管道材料及其所輸送的介質(zhì)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(shè)計(jì)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(jì)算

　　間接水錘的壓力增值計(jì)算比較復(fù)雜[2] [3]  ，可按流體力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算

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

　　△P^'—間接水錘時(shí)的水壓增值，KPa ；

　　由于發(fā)生間接水錘時(shí)，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(dāng)閥門的關(guān)閉（開啟）時(shí)間T_s，水錘波的相長(zhǎng)T確定之后，可以按（4）式直接計(jì)算間接水錘的壓力增值。在實(shí)際選用水泵多功能閥時(shí)，當(dāng)直徑大于DN800時(shí)，一般以T_s=（1.3-1.5）T，T_s≯2.0T為宜。當(dāng)管道直徑較小、管道不長(zhǎng)時(shí)，T_s可以適當(dāng)加大，閉閥歷時(shí)Ts可以是水錘相T=2L/C的2-10倍，把實(shí)際水錘壓力P限定在安全范圍內(nèi)?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)閥門啟閉動(dòng)作時(shí)間（3～120s），使計(jì)算水錘壓力峰值小于1.5倍水泵工作壓力。這一點(diǎn)不同于液控緩閉閥，液控緩閉閥是通過快關(guān)、慢關(guān)兩階段實(shí)現(xiàn)的，在快關(guān)階段，關(guān)閉角度大，約為60-80%，而時(shí)間很短，為1-2s；在慢關(guān)階段，關(guān)閉角度小。關(guān)閉時(shí)間太長(zhǎng)，容易引起 壓力管道中的水大量倒流，使水泵反轉(zhuǎn)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(chǎn)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(shí)替代現(xiàn)行水泵壓水管上的電動(dòng)蝶（閘）閥、單向閥和水錘消除器，并能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)開泵時(shí)的緩開（準(zhǔn)軟啟動(dòng)），停泵時(shí)的速閉/緩閉，基本上可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)行液控緩閉閥的功能，即兩階段關(guān)閥過程，有效地防止水錘事故的產(chǎn)生，但它無任何電氣控制動(dòng)力或外力油壓系統(tǒng)。在閥體設(shè)計(jì)上還采用了寬閥體流線型設(shè)計(jì)，有效地降低了水流阻力。

　　多功能水泵控制閥的水錘防護(hù)過程：水泵啟動(dòng)前，閥門出口端壓力作用在主閥板上，主閥板處于關(guān)閉位置，同時(shí)膜片控制器的上腔連通壓力水，下腔則與閥門進(jìn)口端的低壓相通。水泵啟動(dòng)后，閥門進(jìn)口壓力逐漸升高，同時(shí)壓力水通過閥門進(jìn)口端的連接管緩慢進(jìn)入膜片控制器下腔，實(shí)現(xiàn)主閥板的緩慢開啟，開啟速度可通過控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。水泵停機(jī)時(shí)，閥門進(jìn)口的壓力降低，當(dāng)接近零流量時(shí)，主閥板在自身重力作用下迅速關(guān)閉。因閥門進(jìn)口端壓力降低，閥門出口端的壓力水通過連接管進(jìn)入膜片控制器上腔，下腔水通過閥門進(jìn)口端的連接管壓回至閥門進(jìn)口端，緩閉閥板緩慢關(guān)閉，慢關(guān)時(shí)間可通過控制閥進(jìn)行調(diào)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(guān)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(shè)計(jì)：微止回閥的作用是保證閥門開啟的時(shí)間大于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，使電機(jī)輕載啟動(dòng)；閥門開啟時(shí)間可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況壓力設(shè)定?？刂崎y可調(diào)節(jié)進(jìn)出膜片控制器上下腔的水流速度，從而調(diào)節(jié)緩閉時(shí)間；在水泵正常運(yùn)行時(shí)也可手動(dòng)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(fù)進(jìn)出的，本身具有反沖洗的作用，因此也可用于介質(zhì)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(shí)主閥板開啟度大，流速減小時(shí)閥板開啟度??；流速接近于零時(shí)，主閥板關(guān)閉。整個(gè)過程與消除水錘的兩階段關(guān)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(guān)閉，是在膜片式控制器上下腔形成壓力差后方能實(shí)現(xiàn)，即主閥板關(guān)閉后，緩閉閥板方能關(guān)閉，因此不會(huì)出現(xiàn)緩閉與速同步的現(xiàn)象。

　　3 應(yīng)用實(shí)例

　　安康鐵路水廠改造工程：

　　設(shè)計(jì)水泵揚(yáng)程80m，地形高差68.4m，設(shè)計(jì)流量850m3/h，管口徑DN400，管長(zhǎng)為6.0km，設(shè)計(jì)流速0.50—1.20m/s，C=980.4m/s，水錘波相長(zhǎng)T為 12.2s，Ts=2.25T=30s時(shí)，理論上，產(chǎn)生間接水錘的峰值為1.34Mpa，安裝多功能水泵控制閥后，產(chǎn)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(chǎng)測(cè)試，安裝JD745X—10DN400多功能水泵控制閥，緩閉時(shí)間為30s時(shí)，停泵壓力峰值為0.95 MPa，小于1.20 Mpa，而原配置為電動(dòng)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(zhuǎn)速度為600r/min，與原配置相同。經(jīng)多處實(shí)踐使用證明，多功能水泵控制閥具有良好的水錘防護(hù)作用。

　　主要參考文獻(xiàn)

　　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(jì)算直接迭格式與電算方法，水利學(xué)報(bào)，2001，（6）：80-85