永嘉縣英諾特泵閥有限公司作者
何謂多功能水泵控制閥?水泵有什么運行特性需要閥門來控 制?水泵控制閥能否實現(xiàn)這些控
制?以及它與傳統(tǒng)的閘閥、蝶閥、止回閥以及勻速、雙速緩閉 的水力控制止回閥在原理、功能
等方面有什么質(zhì)的不同,筆者在本文中以活塞式多功能水泵控 制閥下稱控制閥為例,通過
對其結(jié)構(gòu)、主要功能、工作原理的剖析,提出對上述問題的看 法,供讀者參閱。
一、結(jié)構(gòu)
控制閥的結(jié)構(gòu)見圖1圖示為開啟狀態(tài)。
控制閥結(jié)構(gòu)的主要特點是取消了閥座中間的定位機構(gòu)和閥 瓣上側(cè)的彈簧,而且在閥瓣的下
側(cè)設(shè)計了導(dǎo)流板,zui大限度減少了介質(zhì)過流時的機械損失和閥 瓣下側(cè)穹腔內(nèi)的旋渦損失。以
缸體內(nèi)的活塞作驅(qū)動元件,在介質(zhì)自身壓力作用下帶動閥瓣作 上下運動,實現(xiàn)閥的開啟或關(guān)
閉。活塞、啟閉件、連同缸體配置在閥體上,流線形、寬閥腔 的閥體,不但水頭損失可以比
同類產(chǎn)品減少30%以上,而且具有良好的抗氣蝕性能。
以電磁閥換向機構(gòu)下稱電磁閥和壓力管路組成伺服系統(tǒng), 取控制閥兩端的壓力水為驅(qū)動
源,通過電信號指令,任意一端的壓力水都能實現(xiàn)水泵控制閥 在設(shè)定的時刻和速度執(zhí)行泵的
開啟或關(guān)閉。
二、泵的運行特性與控制閥的功能特點、工作原理
1.泵的啟動特性及其控制
a離心泵的零流量啟動特性及其控制即關(guān)閥啟動
離心泵在零流量工況時軸功率zui小,為額定軸功率的30%- 90%,所以離心泵的啟動特性
是零流量啟動(即關(guān)閥啟動。待泵至額定轉(zhuǎn)速之后控制閥按 設(shè)定的速度緩慢開啟。
工作原理:泵啟動時前壓力水經(jīng)過設(shè)有延時的電磁閥流向 缸體內(nèi)活塞上腔,而活塞下腔
通過缸體下端經(jīng)電磁閥通向大氣,此時控制閥處于關(guān)閉狀態(tài)。
電動機補償啟動結(jié)束,泵正常運轉(zhuǎn),電磁閥即執(zhí)行換向指令 ,切斷活塞上腔壓力水源、關(guān)閉
缸體下端通向大氣的回路,同時將壓力水經(jīng)電磁閥注入缸內(nèi)活 塞下腔、打開活塞上腔通向大
氣的回路,活塞上腔的水經(jīng)電磁閥排出閥外,控制閥按設(shè)定的 速度緩慢開啟,完成并滿足了
離心泵在零流量時軸功率zui小的啟動特性,保證泵機組的安全 運轉(zhuǎn)。
b軸流泵的大流量啟動特性及其控制即全開閥啟動
軸流泵在零流量工況時軸功率zui大,為額定軸功率的140% ~200%,所以軸流泵的啟動特
性應(yīng)是大流量啟動即全開閥啟動。
工作原理:控制閥滿足軸流泵全開閥啟動的工作原理是離 心泵關(guān)閥啟動的逆運行,即電磁
閥先工作,將閥全開后,泵再啟動。參閱a條,不贅述。
軸流泵啟動前,這時閥的進口壓力為零,控制閥利用閥出 水端的介質(zhì)壓力將閥開啟,而離
心泵啟動時是利用閥進水端的介質(zhì)壓力將閥開啟。無論閥的哪 一端介質(zhì)都能實現(xiàn)控制閥的開
或啟,這是水泵控制閥功能的重要特征之一。
c控制混流泵的啟動特征
混流泵在零流量工況時軸功率介于上述兩種泵之間,為額 定功率的100%~130%,所以混
流泵的啟動特性也應(yīng)是上述兩種泵之間,一般可選擇泵啟動與 控制閥的緩慢開啟同步進行。
工作原理:工作原理與控制離心泵零流量啟動特性相同, 只要取消電磁閥的延時設(shè)置即可
。
2.停泵及其控制
a控制離心泵的零流量停泵(即先關(guān)閥后停泵
對于離心泵,先緩慢關(guān)閉控制閥,然后再停泵的重要性在 于:這時管內(nèi)介質(zhì)流速由額定流
速逐漸降至為零,速度變化梯度極小,可有效的避免停泵水錘 的發(fā)生和泵的逆轉(zhuǎn);泵的軸功
率由額定功率逐漸降至zui小的運行功率,有利于機組安全。
工作原理:需要停泵時,只要先切斷電磁閥的控制電源, 電磁閥即執(zhí)行換向指令,關(guān)閉活
塞下腔的壓力水源和活塞上腔通大氣的回路,同時開啟活塞上 腔的壓力水源和活塞下腔通大
氣的回路,即以進口壓力水作驅(qū)動源,緩慢關(guān)閉控制閥,等控 制閥全關(guān)閉后,通過限位開關(guān)
指令泵即停止運轉(zhuǎn),全過程為自動控制。
控制閥緩閉時間可以通過節(jié)流閥的調(diào)節(jié)在5~60s范圍內(nèi)或根 據(jù)用戶需要進行選擇。
b控制軸流泵、混流泵的停泵
軸流泵、混流泵的停泵功能和工作原理與上述內(nèi)容相仿, 不贅。
3.改變裝置特性即流量無級調(diào)節(jié)功能
改變裝置特性屬于對泵運行工況調(diào)節(jié)的范疇,zui常用的是 節(jié)流法,也稱閥門調(diào)節(jié)法,利用
開大或關(guān)小閥門的開度;改變泵裝置中的阻力系數(shù)ξ,從而使 管路的供水特性H=FQ發(fā)生變
化,以達到調(diào)節(jié)流量的目的。
控制閥從全閉至全開之間,閥的開度可以無級調(diào)節(jié),由開 度顯示器顯示開度,并予以記憶
和穩(wěn)定。
工作原理:
a流量由小調(diào)大
活塞下腔的壓力水注入管路和活塞上腔與大氣相通的回路 開啟,同時活塞上腔的壓力水注
入管路和活塞下腔與大氣相通的回路關(guān)閉,這時閥瓣緩慢開啟 ,達到設(shè)定流量時,控制電路
即按指令將活塞上、下腔與大氣相通的回路關(guān)閉,同時將活塞 上、下腔壓力水
注入管路開啟,這時活塞上、下兩側(cè)總壓力相等,活塞處于靜 止,整個缸體內(nèi)成為密閉狀態(tài)
,穩(wěn)定了閥的開度,并由開度顯示器顯示開度。
b流量由大調(diào)小
是a條的逆運作,不贅。
上述控制電路的指令可由限位開關(guān)執(zhí)行,也可設(shè)小型的電 控箱執(zhí)行,兩者都能實現(xiàn)自動控
制。
4.意外突然停泵水錘力的控制
意外突然停泵一般指供電網(wǎng)絡(luò)故障或強雷電保護性跳閘等 停泵現(xiàn)象,此類停泵的概率不到
停泵總次數(shù)的1%,但因此而產(chǎn)生的水錘對管網(wǎng)及供水機組具 有破壞性,應(yīng)予以重視。
a停泵水錘的物理現(xiàn)象
本文不是討論管道中的水錘,只是為了便于對控制閥減小 水擊力的功能和工作原理的敘述
,引用茹可夫斯基水錘公式對停泵水錘的物理現(xiàn)象作簡單的述 說。
式中H——產(chǎn)生水錘時的水擊力(m水柱);
C——水錘波傳播速度,若暫時不考慮介質(zhì)、管
壁材料的彈性系數(shù)和管壁厚度,近似取
C=1000m/s;
g——重力加速度,9.81m/s;
Vo——水錘發(fā)生前介質(zhì)流速m/s;
Vt——水錘發(fā)生時介質(zhì)流速m/s。
從式4-1可以看出發(fā)生水錘的必要條件是流體的速度變化, 水擊力的大小取決于變化梯度
的大小。停泵時流速由V0降為零,首層液面由于流體的慣性, 水層被壓縮,壓力上升即水錘
壓力,接著因慣性力的作用依次一層、一層……滯止、壓力 升高、被壓縮,出現(xiàn)微觀的高壓
區(qū)和低壓區(qū),它們的分界面稱為水錘波此時為增壓波,增壓 波直至輸水管的管端末層消失
。接著又逆向一層、一層……傳播至水錘開始時的首層液面 此時為復(fù)壓波,這個往返過程
所需時間t可用下式表示:
式中L——輸水管長度(m)。
若閥門關(guān)閉時間為T關(guān),則T關(guān)L/500s條件下的水錘為間接水錘 ,ΔH小于直接水錘。這是因
為間接水錘時,閥門前正在發(fā)展的增壓過程,會受到復(fù)壓波的 干擾而被削弱。ΔH的大小與干
擾程度和干擾次數(shù)有關(guān)。
從以上簡述中可知,控制閥不能避免意外突然停泵時水錘 的發(fā)生,但可以根據(jù)輸水管道長
度,通過對閥門關(guān)閉時間的調(diào)節(jié),將直接水錘轉(zhuǎn)化為間接水錘 使ΔH降為zui小,保證輸水管道
和泵機組的安全。
b)閥門關(guān)閉時間的調(diào)節(jié)
目前水泵控制閥常用的關(guān)閉時間調(diào)節(jié)方法有兩種,要指出 的是本文所指的調(diào)節(jié)方法是水泵
控制閥的功能之一,雖具有這種功能的各種類型的止回閥或其 它閥門不一定是水泵控制閥,
別以此而誤導(dǎo),詳見本文第三章“結(jié)論"部分。
c兩階段關(guān)閥(即先快速關(guān)閥后慢速關(guān)閥)
這種關(guān)閥形式可以防止停泵水錘的發(fā)生,至于快速關(guān)閥的 時間,也應(yīng)與管道的長度相匹配
,兼顧水泵反轉(zhuǎn)速度和倒流水量大小,滿足消除停泵水錘的要 求。
d勻速關(guān)閥
這種關(guān)閥的特點是能根據(jù)各種不同長度的輸水管道和選擇 復(fù)壓波的往返次數(shù),調(diào)節(jié)不同的
關(guān)閥時間,恒滿足T關(guān)>L/500s的條件。大幅度削弱突然停泵水錘 的水擊力,適應(yīng)性較兩階段
關(guān)閥為廣,足以滿足GB/T50265-97《泵站設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于反轉(zhuǎn) 速不應(yīng)超過額定轉(zhuǎn)速的
1.2倍,持續(xù)時間不應(yīng)超過2min的要求。
水泵控制閥的上述兩種方法都由電磁閥自動控制。
5.選擇壓力源的機動性大
電磁閥的伺服機構(gòu)設(shè)計為雙向同時取壓,經(jīng)單向閥分配, 由一條壓力較高輸液管中的水為
壓力源注入電磁閥。無論是進水端的壓力水還是出水端的壓力 水,都能單獨執(zhí)行控制閥的開
啟或關(guān)閉。
正因為有該功能的存在,使水泵控制閥能滿足各種水泵的 啟動、停泵等運行特性要求的可
能。其重要還在于:當(dāng)輸送介質(zhì)為渾濁水,不能作驅(qū)動源需要 外供壓力源時,只要一條伺服
管路即可實現(xiàn)控制閥的所有功能。
6.節(jié)能
將過流介質(zhì)的能耗控制在zui小,是水泵控制閥的一項重要 課題。我們抽樣了某些通徑的控
制閥作了實驗,得出下列實驗公式供讀者參考:
阻力系數(shù)ξ以下列公式確定:
當(dāng)DN≤250時 ξ=14.68×V1.13397-1
當(dāng)DN>250時 ξ=10.97×V1.13397-2
式中ξ——阻力系數(shù);
V——介質(zhì)流速m/s。
局部水頭損失hf以下列公式確定:
hf=ξ×V2/2g 7-3
或:hf=0.749×V0.8661 7-4
hf=0.56×V0.8661 7-5
式中hf——局部水頭損失(m水柱);
V——介質(zhì)流速m/s;
g——重力加速度g=9.81m/s2。
經(jīng)檢測,該種水泵控制閥的水頭損失比同類型的水力控制 閥能耗減少30%以上。
三、結(jié)論
具有控制水泵運行特性功能的閥門才稱為水泵控制閥,這 是顯而易見的。
本文第二章第1節(jié)《泵的啟動特性及其控制》中的a、b、c 條;第2節(jié)《停泵及其控制》
中的a,b條;第3節(jié)《改變裝置特性》中的a,b條;第4節(jié)《 意外突然停泵水錘力的控制
》中的b條;這里所敘述的八種功能屬于泵運轉(zhuǎn)特性所要求的技 術(shù)條件,也是泵本身運轉(zhuǎn)特性
要求閥門來控制的內(nèi)容,也是水泵控制閥的必要功能。這些必 要功能是水泵控制閥區(qū)別于各
種類型止回閥或其它閥門質(zhì)的界定。
為什么不具備上述必要功能不能稱為水泵控制閥呢?這可以 通過下面舉例予以說明:
若不具備第2節(jié)a條中先關(guān)閥后停泵的功能,對離心泵來說 ,所有停泵都變?yōu)橐馔馔蝗煌1?br />,占停泵總數(shù)99%以上的正常停泵,并可以避免水錘和泵逆轉(zhuǎn) 發(fā)生的安全性化為烏有,多么
危險。
若不具備第2節(jié)和第3節(jié)的功能,則只有泵的啟動才能實現(xiàn)閥 的開啟、泵的關(guān)閉才能實現(xiàn)閥
的關(guān)閉,很明顯這是泵在控制閥門工作,失去了控制閥的“控 制"實質(zhì),更難理解為水泵控
制閥了。
若不具備第3節(jié)無級調(diào)節(jié)流量的功能,一旦泵的運行工況中 因阻力偏小,流量過大時,不但
使泵偏離zui率區(qū)耗能,而且因軸功率劇增超載而損壞機組 。所以水泵控制閥應(yīng)具有上述
八種必要功能是必然的。
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