1.概述
黃河沿線(xiàn)8省有近百個(gè)提灌工程,灌溉面積過(guò)百萬(wàn)畝的大型提灌工程也有幾十個(gè),裝機(jī)容量超過(guò)百萬(wàn)千瓦的泵站更是星羅棋布,目前泵站出水口閥門(mén)的配套選型有三種類(lèi)型的閥門(mén)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(lèi)型的閥門(mén)都具有在關(guān)閥階段,通過(guò)快關(guān)、慢關(guān)二階段關(guān)閉過(guò)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(mén)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(jì)制造,試驗(yàn)測(cè)算,運(yùn)行調(diào)研分析如下。
2.液控緩閉蝶閥結(jié)構(gòu)特性及試驗(yàn)情況
2.1 結(jié)構(gòu)特性
液控緩閉蝶閥是由閥門(mén)主體、液壓驅(qū)動(dòng)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(kāi)啟通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)裝置向液壓油缸提供壓力油,液壓控制系統(tǒng)推動(dòng)活塞桿帶動(dòng)拐臂使蝶板旋轉(zhuǎn),從而開(kāi)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(jī)組失電后的水利和機(jī)械過(guò)渡機(jī)理設(shè)計(jì),反映在輸水管線(xiàn)上主要是管道介質(zhì)流速和壓力的變化與泵站機(jī)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(shí)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(dòng)、泵閥聯(lián)動(dòng)、計(jì)算機(jī)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(jī)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(cè)定
在蝶閥前、后直管段,分別裝測(cè)壓環(huán)管和孔板流量計(jì),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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送入光線(xiàn)示波器進(jìn)行記錄,用超聲波流量?jī)x測(cè)試流量。本次測(cè)試用液控緩閉蝶閥的公稱(chēng)壓力0.6MPa,公稱(chēng)通徑1200mm,對(duì)應(yīng)水泵裝置揚(yáng)程56m,流量3m3/s。流阻系數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)值如表1所示。工況測(cè)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(duì)比,流阻系數(shù)明顯小于標(biāo)準(zhǔn)。分析表1流阻系數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)值看出,蝶閥全開(kāi)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(shí)介質(zhì)不易產(chǎn)生流動(dòng)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(chǎng),流阻系數(shù)也將隨著關(guān)閥角度的增大呈指數(shù)性增長(zhǎng)。
序號(hào) No |
關(guān)閉角度 Φ(°) |
水泵轉(zhuǎn)速 n(rpm) |
通過(guò)閥門(mén)水流壓差 △h(m) |
通過(guò)閥門(mén)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(chēng)通徑DN(mm) | 公稱(chēng)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(cè)定
在蝶閥出水口壓力管道上裝測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送人光線(xiàn)示波器進(jìn)行記錄,水泵轉(zhuǎn)速用光電測(cè)速儀測(cè)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(dòng)關(guān)閉過(guò)程中水錘壓力、水泵轉(zhuǎn)速、閥門(mén)振動(dòng)等參數(shù)的變化:由試驗(yàn)可知該閥門(mén)在快關(guān)70°,歷時(shí)3.7S;慢關(guān)20°,歷時(shí)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(shí)測(cè)數(shù)值如表3所示。
序號(hào) No |
時(shí)間 (s) |
關(guān)閉角度 Φ(°) |
水錘壓力 P(MPa) |
水泵轉(zhuǎn)速 (rpm) |
閥體振動(dòng)(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(wú)明顯低頻量 |
6 | 5.9 | 74.2 | 0.538 | 0 | 0.220 | 無(wú)明顯低頻量 |
7 | 7.9 | 77.7 | 0.586 | -30 | 0.255 | 無(wú)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(yàn)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(jī)構(gòu)改制而成,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該閥門(mén)密封形式采用平面壓縮密封,沿管口軸線(xiàn)方向設(shè)計(jì)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(mén)開(kāi)啟依靠管道壓力推開(kāi)閥板,同時(shí)緩沖油缸通過(guò)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(mén)關(guān)閉作好緩沖準(zhǔn)備;關(guān)閉時(shí)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(kāi)始按預(yù)設(shè)速度緩慢關(guān)閉,直至密封副接觸達(dá)到閥門(mén)密封效果。該閥緩沖油缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不需要增加其他控制設(shè)施,閥門(mén)開(kāi)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(zhǎng)短位置而定。慢關(guān)時(shí)間通過(guò)調(diào)整緩沖油缸回油流量大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2 流阻系數(shù)的測(cè)定
測(cè)定方法同液控緩閉蝶閥。在水泵正常運(yùn)行工況條件下,閥板處于最大開(kāi)度36°時(shí),測(cè)量閥前、閥后壓力差,進(jìn)而計(jì)算在最大開(kāi)度下的流阻系數(shù)。本次測(cè)試用微阻緩閉止回閥的公稱(chēng)壓力1.0MPa,公稱(chēng)通徑800mm,對(duì)應(yīng)水泵裝置揚(yáng)程32m,流量1m3/s。經(jīng)測(cè)算,閥門(mén)全開(kāi)最大開(kāi)度下流阻系數(shù)為1.02,大于國(guó)家部頒標(biāo)準(zhǔn),與液控緩閉蝶閥相比其值偏大。
3.3 閥門(mén)關(guān)閉特性測(cè)定
測(cè)定方法同液控緩閉蝶閥。該閥門(mén)快關(guān)角度調(diào)整范圍32.5°~34.5°,快關(guān)時(shí)間2~3.6s,慢關(guān)角度調(diào)整范圍1.5°~3.5°,慢關(guān)時(shí)間可在6~30s內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。閥門(mén)全開(kāi)后,蝶板擺動(dòng)幅度在0.5°~1°之間;蝶板開(kāi)度與流速呈線(xiàn)性關(guān)系,流速(流量)小,開(kāi)度?。涣魉?流量)達(dá)最大時(shí),蝶板開(kāi)至最大,流速(流量)穩(wěn)定時(shí),蝶板開(kāi)度基本保持不變,開(kāi)閥最大水錘壓力為額定壓力的1.5倍,水錘波較大。關(guān)機(jī)試驗(yàn)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(jī)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)值如表4所示。表中數(shù)據(jù)是在閥門(mén)快關(guān)角度34°,歷時(shí)2.4S,慢關(guān)角度2°,歷時(shí)11.8S測(cè)定的。此時(shí)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(hào) No |
開(kāi)度 Φ(°) |
時(shí)間 (s) |
水泵轉(zhuǎn)速n (rpm)實(shí)測(cè) |
水錘壓力 P(MPa)實(shí)測(cè) |
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(yàn)情況
4.1 結(jié)構(gòu)特性
多功能水泵控制閥由閥門(mén)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(mén)膜片兩側(cè),膜片的下腔與閥門(mén)進(jìn)水口相連,膜片上腔與閥門(mén)出水口相連。主閥閥板可以沿閥桿上下滑動(dòng)。閥門(mén)的開(kāi)啟是利用主水泵啟動(dòng)后產(chǎn)生的管道水頭壓力推動(dòng)主閥閥板和緩閉閥板一同開(kāi)啟,同時(shí)通過(guò)控制閥管路系統(tǒng)向膜片組件下腔充水,推動(dòng)膜片組件連同緩閉閥板上移,為停泵閥門(mén)關(guān)閉做準(zhǔn)備。閥門(mén)的關(guān)閉是在主水泵停機(jī)后進(jìn)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(guò)控制閥管路系統(tǒng)向膜片組件上腔充水,推動(dòng)膜片組件下移,實(shí)現(xiàn)閥門(mén)緩閉,緩閉時(shí)間通過(guò)調(diào)整控制閥流量來(lái)完成。

4.2 流阻系數(shù)的測(cè)定
測(cè)定方法與上述閥門(mén)相同。測(cè)試用多功能水泵控制閥的公稱(chēng)壓力1.0MPa,公稱(chēng)通徑800mm,對(duì)應(yīng)水泵裝置揚(yáng)程28.84m,流量0.98m3/s。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試計(jì)算,流阻系數(shù)為4.5~5.0°閥門(mén)主體結(jié)構(gòu)會(huì)使流體產(chǎn)生繞流脫體現(xiàn)象,相對(duì)上述二種結(jié)構(gòu)的閥門(mén)流阻系數(shù)要大一些。
4.3 停泵水錘壓力測(cè)定
測(cè)試方法與上述閥門(mén)關(guān)閉特性試驗(yàn)相同。測(cè)試用多功能水泵控制閥的公稱(chēng)壓力1.OMPa,公稱(chēng)通徑800mm,對(duì)應(yīng)水泵裝置揚(yáng)程26m,流量lm3/s。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試最大水錘壓力為O.29MPa。是正常壓力的1.115倍。開(kāi)閥水錘與微阻緩閉止回閥比較接近。相對(duì)于液控緩閉蝶閥水頭損失較大。
5.結(jié)語(yǔ)
結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)和揚(yáng)黃灌區(qū)工程泵站運(yùn)行調(diào)研對(duì)比,以上三種閥門(mén)都具有一閥替代二閥(逆止閥+閘閥)的功用。并能實(shí)現(xiàn)開(kāi)泵時(shí)有效開(kāi)啟,停泵時(shí)快、慢兩階段關(guān)閉。上述三種類(lèi)型閥門(mén)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(guò)液壓控制裝置來(lái)控制開(kāi)閥速度,通常在30~60s的范圍內(nèi)可調(diào),能滿(mǎn)足離心泵在零流量時(shí)軸功率最小的啟動(dòng)特性,閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)水錘升壓很小。液壓控制裝置能按設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)兩階段關(guān)閉角度和時(shí)間調(diào)定,通??礻P(guān)時(shí)間在3~10s范圍可調(diào),慢關(guān)時(shí)間在6~30s或更長(zhǎng)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(jī)設(shè)備和管網(wǎng)安全。適用范圍廣,尤為適用于高揚(yáng)程,大流量,長(zhǎng)管道的揚(yáng)黃灌溉工程。適用于裝置揚(yáng)程在60~120m,單機(jī)流量3~63/s以?xún)?nèi)的場(chǎng)合。
微阻緩閉止回閥:主水泵啟動(dòng)后依靠管道壓力推開(kāi)閥板,開(kāi)閥速度隨主水泵啟動(dòng)過(guò)渡過(guò)程變化,時(shí)問(wèn)約4s左右,開(kāi)閥速度不可調(diào)整,由于開(kāi)閥時(shí)間較短,開(kāi)閥水錘升壓隨主水泵揚(yáng)程變化波動(dòng)較大。閥門(mén)快關(guān)過(guò)程處于自由不可控狀態(tài),造成快關(guān)、慢關(guān)過(guò)渡時(shí)有撞擊力,慢關(guān)角度在1.5~3.5°范圍,行程較短,慢關(guān)時(shí)間調(diào)整范圍小。適用于裝置揚(yáng)程低于40m,單機(jī)流量13/s以下,揚(yáng)程較低,流量較小,管道短的場(chǎng)合。此時(shí)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(dòng)后管道水頭壓力推開(kāi)主閥閥板和緩閉閥板,開(kāi)閥速度及開(kāi)度隨主水泵揚(yáng)程變化,開(kāi)閥速度不可調(diào)整,開(kāi)閥水錘升壓隨主水泵揚(yáng)程變化波動(dòng)較大。閥門(mén)快關(guān)過(guò)程處于自由不可控狀態(tài),快關(guān)結(jié)束時(shí)有撞擊力。慢關(guān)速度和時(shí)間由控制閥管路系統(tǒng)調(diào)節(jié)。適用于揚(yáng)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(yùn)行較為經(jīng)濟(jì),結(jié)構(gòu)長(zhǎng)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(mén)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度較長(zhǎng),適用范圍有局限性。用戶(hù)應(yīng)結(jié)合工況技術(shù)特征和水泵運(yùn)行要求合理選型。
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