1．概述
黃河沿線8省有近百個提灌工程，灌溉面積過百萬畝的大型提灌工程也有幾十個，裝機容量超過百萬千瓦的泵站更是星羅棋布，目前泵站出水口閥門的配套選型有三種類型的閥門較為普遍：它們分別是液控緩閉蝶閥、微阻緩閉止回閥和多功能水泵控制閥。這三種類型的閥門都具有在關(guān)閥階段，通過快關(guān)、慢關(guān)二階段關(guān)閉過程，能有效控制閥后管道水錘升壓和水泵倒轉(zhuǎn)速度的功能。由于工作原理的差異，閥門結(jié)構(gòu)也不盡相同，其工況流阻和關(guān)閉特性也有區(qū)別。本文結(jié)合設(shè)計制造，試驗測算，運行調(diào)研分析如下。
2．液控緩閉蝶閥結(jié)構(gòu)特性及試驗情況
2.1 結(jié)構(gòu)特性
液控緩閉蝶閥是由閥門主體、液壓驅(qū)動裝置和電器控制系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。液控緩閉蝶閥的開啟通過液壓驅(qū)動裝置向液壓油缸提供壓力油，液壓控制系統(tǒng)推動活塞桿帶動拐臂使蝶板旋轉(zhuǎn)，從而開啟或保持蝶板在設(shè)定位置。液控緩閉蝶閥的關(guān)閉程序依據(jù)水泵機組失電后的水利和機械過渡機理設(shè)計，反映在輸水管線上主要是管道介質(zhì)流速和壓力的變化與泵站機組轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化，調(diào)整液壓油缸快關(guān)、慢關(guān)角度和時間，使蝶閥按預(yù)定要求完成快、慢二階段關(guān)閉，能有效防止管道水錘升壓和控制水泵倒轉(zhuǎn)速度。該閥具有就地手動、泵閥聯(lián)動、計算機監(jiān)控等啟閉操作控制功能。泵站事故失電工況關(guān)閉特性與正常停機相同。按蓄能形式不同有重錘式和蓄能罐式二種結(jié)構(gòu)。
2．2 流阻系數(shù)測定
在蝶閥前、后直管段，分別裝測壓環(huán)管和孔板流量計，經(jīng)穩(wěn)壓筒穩(wěn)壓后分別與標(biāo)準(zhǔn)壓力表及差壓變送器連接，將差壓信號轉(zhuǎn)換為電信號送入光線示波器進行記錄，用超聲波流量儀測試流量。本次測試用液控緩閉蝶閥的公稱壓力0.6MPa，公稱通徑1200mm，對應(yīng)水泵裝置揚程56m，流量3m3/s。流阻系數(shù)實測數(shù)值如表1所示。工況測試流阻數(shù)值與JB/T53171—1999蝶閥產(chǎn)品質(zhì)量分等標(biāo)準(zhǔn)(等效于ISO/TC153/SClGT8—37)表2對比，流阻系數(shù)明顯小于標(biāo)準(zhǔn)。分析表1流阻系數(shù)實測數(shù)值看出，蝶閥全開位置流阻系數(shù)較小，這與蝶閥結(jié)構(gòu)有關(guān)外還因此時介質(zhì)不易產(chǎn)生流動分離；但隨著蝶閥關(guān)閉角度的增大，蝶閥背面出現(xiàn)大范圍的回流形成渦流控制著流場，流阻系數(shù)也將隨著關(guān)閥角度的增大呈指數(shù)性增長。
| 序號 No |
關(guān)閉角度 Φ（°） |
水泵轉(zhuǎn)速 n（rpm） |
通過閥門水流壓差 △h（m） |
通過閥門水流流速 （m/s） |
流阻系數(shù) ξ |
| 1 | 0 | 596 | 0.146 | 3.326 | 0.257 |
| 2 | 10 | 0.431 | 3.319 | 0.767 | |
| 3 | 20 | 1.003 | 3.329 | 1.774 | |
| 4 | 30 | 2.831 | 3.316 | 5.046 | |
| 5 | 40 | 5.975 | 3.300 | 10.755 | |
| 6 | 50 | 13.855 | 3.317 | 24.683 | |
| 7 | 60 | 36.305 | 3.183 | 70.231 | |
| 8 | 70 | 56.817 | 2.414 | 191.113 | |
| 9 | 80 | 68.026 | 1.849 | 390.085 | |
| 10 | 90 | 74.356 | 0.886 | 1858.90 |
| 公稱通徑DN（mm） | 公稱壓力PN≤16MPa | |
| C(Kv) | K(ξ ) | |
| 500 | 14000 | 0.50 |
| 600 | 21000 | 0.47 |
| 700 | 30000 | 0.43 |
| 800 | 41000 | 0.39 |
| 900 | 53000 | 0.37 |
| 1000 | 67000 | 0.35 |
| 1200 | 100000 | 0.35 |
2．3 水錘壓力的測定
在蝶閥出水口壓力管道上裝測壓環(huán)管，分別與標(biāo)準(zhǔn)壓力表及壓力變送器連接，并將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號送人光線示波器進行記錄，水泵轉(zhuǎn)速用光電測速儀測量。在水泵正常工況下，突然停電，用示波器記錄斷電后蝶閥自動關(guān)閉過程中水錘壓力、水泵轉(zhuǎn)速、閥門振動等參數(shù)的變化：由試驗可知該閥門在快關(guān)70°，歷時3.7S；慢關(guān)20°，歷時13S；最大水錘壓力為O.67MPa，相當(dāng)于正常壓力的1.29倍；最大水泵倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)30r/min，為水泵額定轉(zhuǎn)速的5％，蝶閥事故斷電實測數(shù)值如表3所示。
| 序號 No |
時間 （s） |
關(guān)閉角度 Φ（°） |
水錘壓力 P（MPa） |
水泵轉(zhuǎn)速 （rpm） |
閥體振動（雙振幅值）（mm） | |
| 高頻幅值 | 低頻幅值 | |||||
| 1 | 0.0 | 0.0 | 0.520 | 590 | 0.037 | 0.06 |
| 2 | 1.9 | 37.5 | 0.262 | 360 | 0.037 | 0.04 |
| 3 | 3.7 | 70.0 | 0.304 | 270 | 0.120 | 0.07 |
| 4 | 4.9 | 72.5 | 0.448 | 180 | 0.060 | 0.07 |
| 5 | 5.6 | 74.1 | 0.670 | 40 | 0.270 | 無明顯低頻量 |
| 6 | 5.9 | 74.2 | 0.538 | 0 | 0.220 | 無明顯低頻量 |
| 7 | 7.9 | 77.7 | 0.586 | -30 | 0.255 | 無明顯低頻量 |
| 8 | 9.9 | 80.8 | 0.562 | -3 | 0.088 | 0.07 |
| 9 | 11.9 | 84.3 | 0.574 | 0 | 0.043 | 0.05 |
| 10 | 13.9 | 86.6 | 0.520 | 0 | 0.030 | 0.05 |
| 11 | 16.7 | 90.0 | 0.514 | 0 | 0.030 | 0.04 |
3．微阻緩閉止回閥結(jié)構(gòu)特性及試驗情況
3．1 結(jié)構(gòu)特性
微阻緩閉止回閥是在旋啟式止回閥基礎(chǔ)上增設(shè)液壓緩沖機構(gòu)改制而成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該閥門密封形式采用平面壓縮密封，沿管口軸線方向設(shè)計合理的位移量，因而密封性能是隨著管道壓力的變化可以自行調(diào)節(jié)，其工作原理是閥門開啟依靠管道壓力推開閥板，同時緩沖油缸通過水油換能器將主水泵出口壓力轉(zhuǎn)換為油壓力傳遞給緩沖油缸將油缸活塞桿推出，為閥門關(guān)閉作好緩沖準(zhǔn)備；關(guān)閉時閥板在自身重量和管道回水作用下快速關(guān)閉至活塞桿位置，活塞桿在閥板沖量作用下開始按預(yù)設(shè)速度緩慢關(guān)閉，直至密封副接觸達到閥門密封效果。該閥緩沖油缸結(jié)構(gòu)簡單，不需要增加其他控制設(shè)施，閥門開啟依靠管道壓力，快、慢關(guān)角度調(diào)節(jié)依據(jù)緩沖油缸活塞桿伸出長短位置而定。慢關(guān)時間通過調(diào)整緩沖油缸回油流量大小來實現(xiàn)。
3．2 流阻系數(shù)的測定
測定方法同液控緩閉蝶閥。在水泵正常運行工況條件下，閥板處于最大開度36°時，測量閥前、閥后壓力差，進而計算在最大開度下的流阻系數(shù)。本次測試用微阻緩閉止回閥的公稱壓力1.0MPa，公稱通徑800mm，對應(yīng)水泵裝置揚程32m，流量1m3/s。經(jīng)測算，閥門全開最大開度下流阻系數(shù)為1.02，大于國家部頒標(biāo)準(zhǔn)，與液控緩閉蝶閥相比其值偏大。
3．3 閥門關(guān)閉特性測定
測定方法同液控緩閉蝶閥。該閥門快關(guān)角度調(diào)整范圍32.5°～34.5°，快關(guān)時間2～3.6s，慢關(guān)角度調(diào)整范圍1.5°～3.5°，慢關(guān)時間可在6～30s內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。閥門全開后，蝶板擺動幅度在0.5°～1°之間；蝶板開度與流速呈線性關(guān)系，流速(流量)小，開度小；流速(流量)達最大時，蝶板開至最大，流速(流量)穩(wěn)定時，蝶板開度基本保持不變，開閥最大水錘壓力為額定壓力的1.5倍，水錘波較大。關(guān)機試驗最大水錘壓力為0.34MPa，相當(dāng)于額定壓力的1.23倍。泵站事故失電關(guān)閉特征與正常關(guān)閉相同。關(guān)機試驗實測數(shù)值如表4所示。表中數(shù)據(jù)是在閥門快關(guān)角度34°，歷時2.4S，慢關(guān)角度2°，歷時11.8S測定的。此時水泵倒轉(zhuǎn)速度為零，最大水錘壓力O.325MPa，是正常壓力的1.17倍。
| 序號 No |
開度 Φ（°） |
時間 （s） |
水泵轉(zhuǎn)速n （rpm）實測 |
水錘壓力 P（MPa）實測 |
| 1 | 36 | 0 | 985 | 0.278 |
| 2 | 35.0 | 1.3 | 693 | 0.158 |
| 3 | 34.0 | 2.4 | 607 | 0.133 |
| 4 | 12.0 | 3.0 | 495 | 0.146 |
| 5 | 3.0 | 3.5 | 435 | 0.165 |
| 6 | 1.0 | 4.2 | 371 | 0.208 |
| 7 | 0 | 4.7 | 328 | 0.241 |
| 8 | 0 | 3.6 | 223 | 0.319 |
| 9 | 0 | 4.2 | 124 | 0.325 |
| 10 | 0 | 5.5 | 45 | 0.319 |
| 11 | 0 | 6.5 | 28 | 0.287 |
| 12 | 0 | 8.5 | 20 | 0.275 |
| 13 | 0 | 10.5 | 12 | 0.280 |
| 14 | 0 | 12.5 | 3 | 0.247 |
| 15 | 0 | 14.2 | 0 | 0.278 |
4．多功能水泵控制閥結(jié)構(gòu)特性及試驗情況
4.1 結(jié)構(gòu)特性
多功能水泵控制閥由閥門主體和外裝附件組成，如圖3所示。緩閉閥板用閥桿組件與壓板及膜片連為一體，膜片組件將密閉的緩閉水室分為上下兩腔。多功能水泵控制閥的外裝附件安裝在閥門膜片兩側(cè)，膜片的下腔與閥門進水口相連，膜片上腔與閥門出水口相連。主閥閥板可以沿閥桿上下滑動。閥門的開啟是利用主水泵啟動后產(chǎn)生的管道水頭壓力推動主閥閥板和緩閉閥板一同開啟，同時通過控制閥管路系統(tǒng)向膜片組件下腔充水，推動膜片組件連同緩閉閥板上移，為停泵閥門關(guān)閉做準(zhǔn)備。閥門的關(guān)閉是在主水泵停機后進行的。首先主閥閥板在自身重量和倒流壓差作用下先行關(guān)閉，依靠在主閥閥板關(guān)閉后形成的壓差，通過控制閥管路系統(tǒng)向膜片組件上腔充水，推動膜片組件下移，實現(xiàn)閥門緩閉，緩閉時間通過調(diào)整控制閥流量來完成。
4．2 流阻系數(shù)的測定
測定方法與上述閥門相同。測試用多功能水泵控制閥的公稱壓力1.0MPa，公稱通徑800mm，對應(yīng)水泵裝置揚程28.84m，流量0.98m3/s。經(jīng)現(xiàn)場測試計算，流阻系數(shù)為4.5～5.0°閥門主體結(jié)構(gòu)會使流體產(chǎn)生繞流脫體現(xiàn)象，相對上述二種結(jié)構(gòu)的閥門流阻系數(shù)要大一些。
4．3 停泵水錘壓力測定
測試方法與上述閥門關(guān)閉特性試驗相同。測試用多功能水泵控制閥的公稱壓力1.OMPa，公稱通徑800mm，對應(yīng)水泵裝置揚程26m，流量lm3/s。經(jīng)現(xiàn)場測試最大水錘壓力為O.29MPa。是正常壓力的1.115倍。開閥水錘與微阻緩閉止回閥比較接近。相對于液控緩閉蝶閥水頭損失較大。
5．結(jié)語
結(jié)合測試數(shù)據(jù)和揚黃灌區(qū)工程泵站運行調(diào)研對比，以上三種閥門都具有一閥替代二閥(逆止閥+閘閥)的功用。并能實現(xiàn)開泵時有效開啟，停泵時快、慢兩階段關(guān)閉。上述三種類型閥門工作原理不同，各自的技術(shù)特征有所差異：
液控緩閉蝶閥：通過液壓控制裝置來控制開閥速度，通常在30～60s的范圍內(nèi)可調(diào)，能滿足離心泵在零流量時軸功率最小的啟動特性，閥門開啟時水錘升壓很小。液壓控制裝置能按設(shè)計要求實現(xiàn)兩階段關(guān)閉角度和時間調(diào)定，通?？礻P(guān)時間在3～10s范圍可調(diào)，慢關(guān)時間在6～30s或更長范圍調(diào)整。靈敏度、穩(wěn)定性和可靠性較高，能有效防止正常停泵和事故失電停泵閥后管道水錘升壓，控制主水泵倒轉(zhuǎn)速度，確保水機設(shè)備和管網(wǎng)安全。適用范圍廣，尤為適用于高揚程，大流量，長管道的揚黃灌溉工程。適用于裝置揚程在60～120m，單機流量3～63/s以內(nèi)的場合。
微阻緩閉止回閥：主水泵啟動后依靠管道壓力推開閥板，開閥速度隨主水泵啟動過渡過程變化，時問約4s左右，開閥速度不可調(diào)整，由于開閥時間較短，開閥水錘升壓隨主水泵揚程變化波動較大。閥門快關(guān)過程處于自由不可控狀態(tài)，造成快關(guān)、慢關(guān)過渡時有撞擊力，慢關(guān)角度在1.5～3.5°范圍，行程較短，慢關(guān)時間調(diào)整范圍小。適用于裝置揚程低于40m，單機流量13/s以下，揚程較低，流量較小，管道短的場合。此時可有效防止停泵和事故失電閥后管道水錘升壓，控制主水泵倒轉(zhuǎn)速度。
多功能水泵控制閥：依靠主水泵啟動后管道水頭壓力推開主閥閥板和緩閉閥板，開閥速度及開度隨主水泵揚程變化，開閥速度不可調(diào)整，開閥水錘升壓隨主水泵揚程變化波動較大。閥門快關(guān)過程處于自由不可控狀態(tài)，快關(guān)結(jié)束時有撞擊力。慢關(guān)速度和時間由控制閥管路系統(tǒng)調(diào)節(jié)。適用于揚程較高，流量較小，閥前、閥后壓差較大，清水介質(zhì)的水泵裝置?？捎行Х乐雇１煤褪鹿适щ婇y后管道水錘升壓，控制主水泵倒轉(zhuǎn)速度。
相比之下，液控緩閉蝶閥流阻系數(shù)最小，水頭損失小，運行較為經(jīng)濟，結(jié)構(gòu)長度較短，適用范圍廣。微阻緩閉止回閥流阻系數(shù)次之，多功能水泵控制閥流阻系數(shù)較大。后兩種閥門結(jié)構(gòu)長度較長，適用范圍有局限性。用戶應(yīng)結(jié)合工況技術(shù)特征和水泵運行要求合理選型。
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