何謂多功能水泵控制閥?水泵有什么運(yùn)行特性需要閥門來控 制?水泵控制閥能否實(shí)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(duì)其結(jié)構(gòu)、主要功能、工作原理的剖析，提出對(duì)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(diǎn)是取消了閥座中間的定位機(jī)構(gòu)和閥 瓣上側(cè)的彈簧，而且在閥瓣的下側(cè)設(shè)計(jì)了導(dǎo)流板，最大限度減少了介質(zhì)過流時(shí)的機(jī)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(dòng)元件，在介質(zhì)自身壓力作用下帶動(dòng)閥瓣作 上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)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(jī)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(dòng)源，通過電信號(hào)指令，任意一端的壓力水都能實(shí)現(xiàn)水泵控制閥 在設(shè)定的時(shí)刻和速度執(zhí)行泵的開啟或關(guān)閉。 二、泵的運(yùn)行特性與控制閥的功能特點(diǎn)、工作原理1.泵的啟動(dòng)特性及其控制a)離心泵的零流量啟動(dòng)特性及其控制(即關(guān)閥啟動(dòng)) 離心泵在零流量工況時(shí)軸功率最小，為額定軸功率的30%- 90%，所以離心泵的啟動(dòng)特性是零流量啟動(dòng)(即關(guān)閥啟動(dòng))。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(dòng)時(shí)(前)壓力水經(jīng)過設(shè)有延時(shí)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(shí)控制閥處于關(guān)閉狀態(tài)。 電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償啟動(dòng)結(jié)束，泵正常運(yùn)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(shí)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(shí)軸功率最小的啟動(dòng)特性，保證泵機(jī)組的安全 運(yùn)轉(zhuǎn)。 b)軸流泵的大流量啟動(dòng)特性及其控制(即全開閥啟動(dòng)) 軸流泵在零流量工況時(shí)軸功率最大，為額定軸功率的140% ～200%，所以軸流泵的啟動(dòng)特性應(yīng)是大流量啟動(dòng)(即全開閥啟動(dòng))。 工作原理：控制閥滿足軸流泵全開閥啟動(dòng)的工作原理是離 心泵關(guān)閥啟動(dòng)的逆運(yùn)行，即電磁閥先工作，將閥全開后，泵再啟動(dòng)。參閱a)條，不贅述。 軸流泵啟動(dòng)前，這時(shí)閥的進(jìn)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(dòng)時(shí)是利用閥進(jìn)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(shí)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(dòng)特征混流泵在零流量工況時(shí)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(dòng)特性也應(yīng)是上述兩種泵之間，一般可選擇泵啟動(dòng)與 控制閥的緩慢開啟同步進(jìn)行。 工作原理：工作原理與控制離心泵零流量啟動(dòng)特性相同， 只要取消電磁閥的延時(shí)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(duì)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(shí)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最小的運(yùn)行功率，有利于機(jī)組安全。 工作原理：需要停泵時(shí)，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(shí)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(jìn)口壓力水作驅(qū)動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)，全過程為自動(dòng)控制。 控制閥緩閉時(shí)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(jìn)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(jí)調(diào)節(jié)功能) 改變裝置特性屬于對(duì)泵運(yùn)行工況調(diào)節(jié)的范疇，最常用的是 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=F(Q)發(fā)生變化，以達(dá)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(jí)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(shí)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(shí)閥瓣緩慢開啟 ，達(dá)到設(shè)定流量時(shí)，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(shí)將活塞 上、下腔壓力水注入管路開啟，這時(shí)活塞上、下兩側(cè)總壓力相等，活塞處于靜 止，整個(gè)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(yùn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(qiáng)雷電保護(hù)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(duì)管網(wǎng)及供水機(jī)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(duì)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(duì)停泵水錘的物理現(xiàn)象作簡(jiǎn)單的述 說。 式中H——產(chǎn)生水錘時(shí)的水擊力(m水柱); C——水錘波傳播速度，若暫時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)的首層液面( 此時(shí)為復(fù)壓波)，這個(gè)往返過程所需時(shí)間t可用下式表示： 式中L——輸水管長(zhǎng)度(m)。 若閥門關(guān)閉時(shí)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?yàn)殚g接水錘時(shí)，閥門前正在發(fā)展的增壓過程，會(huì)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(jiǎn)述中可知，控制閥不能避免意外突然停泵時(shí)水錘 的發(fā)生，但可以根據(jù)輸水管道長(zhǎng)度，通過對(duì)閥門關(guān)閉時(shí)間的調(diào)節(jié)，將直接水錘轉(zhuǎn)化為間接水錘 使ΔH降為最小，保證輸水管道和泵機(jī)組的安全。 b)閥門關(guān)閉時(shí)間的調(diào)節(jié)目前水泵控制閥常用的關(guān)閉時(shí)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(shí)間，也應(yīng)與管道的長(zhǎng)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(diǎn)是能根據(jù)各種不同長(zhǎng)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(shí)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(jì)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(shí)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(dòng)控制。 5.選擇壓力源的機(jī)動(dòng)性大電磁閥的伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙向同時(shí)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(jìn)水端的壓力水還是出水端的壓力 水，都能單獨(dú)執(zhí)行控制閥的開啟或關(guān)閉。 正因?yàn)橛性摴δ艿拇嬖冢顾每刂崎y能滿足各種水泵的 啟動(dòng)、停泵等運(yùn)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(dòng)源需要 外供壓力源時(shí)，只要一條伺服管路即可實(shí)現(xiàn)控制閥的所有功能。 6.節(jié)能將過流介質(zhì)的能耗控制在最小，是水泵控制閥的一項(xiàng)重要 課題。我們抽樣了某些通徑的控制閥作了實(shí)驗(yàn)，得出下列實(shí)驗(yàn)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(shí) ξ=14.68×V1.1339(7-1) 當(dāng)DN>250時(shí) ξ=10.97×V1.1339(7-2) 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=9.81(m/s2)。 經(jīng)檢測(cè)，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(yùn)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(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)特性所要求的技 術(shù)條件，也是泵本身運(yùn)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(duì)離心泵來說 ，所有停泵都變?yōu)橐馔馔蝗煌１茫纪１每倲?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(xiǎn)。 若不具備第2節(jié)和第3節(jié)的功能，則只有泵的啟動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)閥 的開啟、泵的關(guān)閉才能實(shí)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(shí)質(zhì)，更難理解為水泵控制閥了。 若不具備第3節(jié)無級(jí)調(diào)節(jié)流量的功能，一旦泵的運(yùn)行工況中 因阻力偏小，流量過大時(shí)，不但使泵偏離最高效率區(qū)耗能，而且因軸功率劇增超載而損壞機(jī)組 .所以水泵控制閥應(yīng)具有上述八種必要功能是必然的。