加壓泵自控閥有何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)?水泵有什么運(yùn)行特性需要閥門來(lái)控制?加壓泵自控閥能否滿足這些控制要求?通過(guò)對(duì)加壓泵自控閥的結(jié)構(gòu)、主要功能、工作原理及應(yīng)用情況的剖析，提出對(duì)上述問(wèn)題的看法，僅供參閱。
1自控閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
自控閥是由水過(guò)流腔、控制腔、閥板、閥桿、隔膜片及控制管路組成，控制腔由隔膜片分為上、下兩個(gè)腔，上、下兩腔通過(guò)控制管路分別與出水、進(jìn)水管相連接，閥桿用螺母固定在隔膜片上，閥板安裝在閥桿的下部。隔膜片和閥桿是閥板的驅(qū)動(dòng)元件，在自控閥進(jìn)、出水壓力差的作用下帶動(dòng)閥板上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閥板的開啟或關(guān)閉。
自控閥控制管路上設(shè)有調(diào)節(jié)閥，通過(guò)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)，可以整定自控閥的開啟和關(guān)閉速度，以滿足加壓泵的啟動(dòng)和停止。
2加壓泵的運(yùn)行特性與自控閥的功能特點(diǎn)
2.1 加壓泵的啟動(dòng)特性及其控制
(1)加壓泵的零流量啟動(dòng)特性及其控制(最優(yōu)啟動(dòng)過(guò)程，即關(guān)閥啟動(dòng))。加壓泵在零流量工況時(shí)軸功率最小，為額定軸功率的30%～130%，所以加壓泵的啟動(dòng)特性是零流量啟動(dòng)(即關(guān)閥啟動(dòng))。
(2)引黃泵站加壓泵實(shí)際啟動(dòng)過(guò)程。理想情況是：自控閥密封良好，在加壓泵啟動(dòng)前，自控閥出水管已充滿水。加壓泵啟動(dòng)的同時(shí)，自控閥進(jìn)水管水壓升高，壓力水通過(guò)控制管路進(jìn)入控制腔下腔，當(dāng)自控閥進(jìn)水管水壓高于出水管水壓時(shí)，控制腔上腔排水，推動(dòng)隔膜片和閥桿向上運(yùn)動(dòng)，閥板在進(jìn)、出水壓力差作用下緩慢開啟，開啟速度可通過(guò)控制管路調(diào)節(jié)閥整定，以滿足加壓泵的正常啟動(dòng)時(shí)間要求。實(shí)際情況是：自控閥密封有滲水情況，目前清水系統(tǒng)用水量小，加壓泵啟動(dòng)時(shí)間間隔長(zhǎng)，一臺(tái)加壓泵運(yùn)行2h，可滿足機(jī)組主軸密封用水和排水泵潤(rùn)滑用水1天，在加壓泵啟動(dòng)前，自控閥出水管已無(wú)水。所以，在加壓泵啟動(dòng)的同時(shí)，自控閥進(jìn)水管水壓升高，壓力水通過(guò)控制管路進(jìn)入控制腔下腔，推動(dòng)隔膜片和閥桿向上運(yùn)動(dòng)，閥板在進(jìn)水壓力作用下開啟，開啟速度比試驗(yàn)整定速度快，所以出現(xiàn)部分加壓泵不能正常啟動(dòng)(軟啟動(dòng)過(guò)載報(bào)警)的情況。
2.2 加壓泵的停泵特性及其控制
(1)加壓泵的零流量停泵(最優(yōu)停泵過(guò)程，即先關(guān)閥后停泵)。對(duì)于加壓泵應(yīng)先緩慢關(guān)閉出水管控制閥，然后再停泵，其重要性在于：這時(shí)管內(nèi)介質(zhì)流速由額定流速逐漸降至零，速度變化梯度極小，可有效地避免停泵水錘的發(fā)生和泵逆轉(zhuǎn);泵的軸功率由額定功率逐漸降至最小的運(yùn)行功率，有利于水泵及管件安全。控制閥緩閉時(shí)間可以通過(guò)控制管調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)在5s～60s范圍內(nèi)，或根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。
(2)引黃泵站加壓泵停泵過(guò)程。理想情況為：按照CJ/T167-2002《控制閥標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，自控閥的閥板應(yīng)包括緩閉閥板和主閥板，緩閉閥板與閥桿應(yīng)連接緊固、可靠，緩閉閥板與主閥板的密封形式應(yīng)采用金屬密封的形式，主閥板與閥桿必須滑動(dòng)靈活、可靠。加壓泵停泵后，自控閥進(jìn)水管水壓降低，當(dāng)自控閥出水管水壓高于進(jìn)水管水壓時(shí)，主閥板在進(jìn)、出水壓力差作用下快速關(guān)閉，切斷大部分水流;同時(shí)，出水管壓力水通過(guò)控制管路進(jìn)入控制腔上腔，控制腔下腔排水，推動(dòng)隔膜片和閥桿向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)緩閉閥板緩慢關(guān)閉，關(guān)閉速度可通過(guò)控制管路調(diào)節(jié)閥整定，以滿足加壓泵停泵后的反轉(zhuǎn)時(shí)間要求和水錘力要求。實(shí)際情況為：引黃泵站加壓泵自控閥的閥板只有一個(gè)主閥板，在閥桿上有三道槽溝和一個(gè)凸臺(tái)(代替緩閉閥板)，加壓泵停泵后，自控閥進(jìn)水管水壓降低;當(dāng)自控閥出水管水壓高于進(jìn)水管壓時(shí)，主閥板在進(jìn)、出水壓力差作用下快速關(guān)閉，切斷大部分水流;同時(shí)，出水管壓力水通過(guò)控制管路進(jìn)入控制腔上腔，控制腔下腔排水，推動(dòng)隔膜片和閥桿向下運(yùn)動(dòng)，將主閥板與閥桿之間的流道緩慢關(guān)閉，關(guān)閉速度可通過(guò)控制管路調(diào)節(jié)閥整定，以滿足加壓泵停泵后的反轉(zhuǎn)時(shí)間要求和水錘力要求。但是，由于水質(zhì)含堿性，易在閥桿上凝結(jié)固體物，使主閥板卡阻不靈活，起不到主閥板的作用，而是連同閥桿一起相當(dāng)于只有一個(gè)緩閉閥板，在加壓泵停泵過(guò)程中不能及時(shí)切斷大量倒流水量，造成加壓泵嚴(yán)重反轉(zhuǎn);在自控閥緩閉時(shí)，閥體過(guò)流腔也出現(xiàn)大流量、高流速的倒流水，因此，難免出現(xiàn)水錘力。而且，自控閥關(guān)閉時(shí)間越長(zhǎng)，倒流水流速越高，水錘力越大。
2.3 停泵水錘力的控制分析
停泵產(chǎn)生的水錘力對(duì)管網(wǎng)、閥門及水泵具有破壞性，應(yīng)予以重視。
2.3.1 停泵水錘的物理現(xiàn)象
引用茹可夫斯基水錘公式對(duì)停泵水錘的物理現(xiàn)象做簡(jiǎn)單的述說(shuō)。
H=(Vo-Vt)Cg/9.81
式中：H為產(chǎn)生水錘時(shí)的水擊力，kPa;C為水錘波傳播速度，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為重力加速度，9.81m/s2;Vo為水錘發(fā)生前介質(zhì)流速，m/s;Vt為水錘發(fā)生時(shí)介質(zhì)流速，m/s。
從上式可以看出發(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流速變化梯度的大小。在水泵運(yùn)行時(shí)和停泵反轉(zhuǎn)過(guò)程中，水管中的水流方向是相反的，停泵后輸水管中的水流方向先因慣性作用向上流動(dòng)，再以重力加速度向下流動(dòng)。在此過(guò)程中，輸水管中的水會(huì)有一個(gè)零流速時(shí)刻，若此時(shí)自控閥的主閥板能很快關(guān)閉，切斷大部分水流，則產(chǎn)生的水錘力最小，水泵不會(huì)反轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)間較短。所以，廠家對(duì)“停泵時(shí)，自控閥關(guān)閉時(shí)間過(guò)快會(huì)導(dǎo)致水錘力的發(fā)生”的解釋不準(zhǔn)確，相反，停泵后輸水管中的水會(huì)以VO=g2t水流速度向下流動(dòng)，導(dǎo)致水泵反轉(zhuǎn)，而且自控閥關(guān)閉時(shí)間越長(zhǎng)，水流速度越快，水泵反轉(zhuǎn)速度越快，自控閥關(guān)閉水流流速由VO降為零，產(chǎn)生水錘力越大。
對(duì)引黃泵站加壓泵自控閥的分析看法
水錘力的產(chǎn)生過(guò)程：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(guò)程所需時(shí)間t可用下式表示：
t=L/500s
式中：L為輸水管長(zhǎng)度，m。
若閥門關(guān)閉時(shí)間為T關(guān)，則T關(guān)在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(guò)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)。
引黃泵站加壓泵自控閥輸水管長(zhǎng)度小于1000m，即T關(guān)大于2s就能躲過(guò)直接水錘，而不需要將關(guān)閉時(shí)間整定得過(guò)長(zhǎng)。
從以上簡(jiǎn)述中可知，自控閥不能避免停泵時(shí)水錘的發(fā)生，但可以根據(jù)輸水管道長(zhǎng)度，通過(guò)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，保證輸水管道和加壓泵的安全。
2.3.2 自控閥關(guān)閉時(shí)間的調(diào)節(jié)
自控閥的關(guān)閉時(shí)間是通過(guò)控制管路調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，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，滿足T關(guān)>L/500s的條件，以削弱停泵水錘的水擊力，以滿足GB/T50265-97《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于水泵反轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過(guò)2min的要求。但反轉(zhuǎn)速度是否超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，需要購(gòu)買機(jī)械轉(zhuǎn)速表實(shí)測(cè)后進(jìn)一步加以分析確定。由于加壓泵輸水揚(yáng)程大，如果水泵反轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，很可能造成水泵、電機(jī)反向飛車，嚴(yán)重?fù)p壞電機(jī)繞組、水泵轉(zhuǎn)輪和軸承。在運(yùn)行過(guò)程中已出現(xiàn)過(guò)水泵、電機(jī)軸連接法蘭螺栓彈性墊圈損壞的情況。
2.4 水質(zhì)對(duì)自控閥功能的影響
水質(zhì)不好會(huì)導(dǎo)致自控閥運(yùn)行不靈。例如總干三、南干二等泵站取自深井的水，水質(zhì)較差而且富含堿性，閥門如果較長(zhǎng)時(shí)間不工作，則在閥門的閥桿、閥板上堆積很多白色的固體物，由于閥門配件的配合尺寸十分精密，固體物可造成閥桿、閥板卡阻而導(dǎo)致自控閥開啟和關(guān)閉不靈敏。根據(jù)加壓泵自控閥的實(shí)際運(yùn)行情況，要保證自控閥的良好運(yùn)行狀態(tài)，每月需要對(duì)自控閥解體檢修清洗一次，如此短的檢修周期會(huì)大大縮短自控閥的使用壽命，而且配件不易購(gòu)買，加之閥門不斷改進(jìn)，所購(gòu)買配件需進(jìn)行車床加工后才能裝配，給維護(hù)檢修工作帶來(lái)困難。
2.5 自控閥的閥板密封材料影響
按照CJ/T167—2002《控制閥標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，主閥板與主閥板座的密封可采用金屬密封和非金屬密封兩種形式。引黃工程加壓泵自控閥不完全具備水泵控制閥的功能，即不是通過(guò)自控閥的開啟和關(guān)閉來(lái)控制加壓泵的啟動(dòng)和停止，而是通過(guò)加壓泵的啟動(dòng)和停止來(lái)控制自控閥的開啟和關(guān)閉，自控閥的開啟和關(guān)閉功能反過(guò)來(lái)直接影響加壓泵的運(yùn)行特性，所以在關(guān)閉過(guò)程中難免產(chǎn)生水錘力作用，使自控閥的密封損壞，在運(yùn)行這種控制方式時(shí)，特別是高揚(yáng)程的加壓泵自控閥，閥板密封不宜采用橡膠密封，而應(yīng)采用金屬密封。
3 自控閥工作情況分析意見(jiàn)
加壓泵自控閥不完全具有控制水泵運(yùn)行特性的功能，即不能稱為水泵控制閥，這是顯而易見(jiàn)的。因?yàn)榧訅罕米钥亻y不具備以下3個(gè)功能：加壓泵的零流量啟動(dòng)特性及其控制，即關(guān)閥啟動(dòng);控制加壓泵的零流量停泵，即先關(guān)閥后停泵;改變裝置特性，即流量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)功能。這3種功能是屬于加壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)特性所要求的技術(shù)條件，還是加壓泵本身運(yùn)轉(zhuǎn)特性要求閥門來(lái)控制的內(nèi)容，也是加壓泵控制閥的必要功能。這些必要功能是加壓泵自控閥區(qū)別于各種類型止回閥或其他閥門質(zhì)的界定。為什么不具備上述必要功能不能稱為加壓泵控制閥呢?這可以通過(guò)下面舉例予以說(shuō)明：
不具備先關(guān)閥后停泵的功能，對(duì)加壓泵來(lái)說(shuō)，所有停泵都變?yōu)橐馔馔蝗煌１�，難免水錘和泵逆轉(zhuǎn)的發(fā)生，安全性化為烏有，非常危險(xiǎn)。
不具備關(guān)閥啟泵和先關(guān)閥后停泵的功能，則只有加壓泵的啟動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)閥的開啟，加壓泵的關(guān)閉才能實(shí)現(xiàn)閥的關(guān)閉，很明顯這是加壓泵在控制自控閥工作，失去了控制閥的“控制”實(shí)質(zhì)，更難理解為加壓泵控制閥了。
不具備無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)流量的功能，例如南干一、二級(jí)泵站消防水加壓泵在出水手動(dòng)閘閥全開運(yùn)行工況時(shí)，因阻力偏小，流量過(guò)大，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加壓泵、電機(jī)和軟啟動(dòng)器。

所以加壓泵自控閥應(yīng)具有上述3種必要功能是必然的。加上水質(zhì)影響，引黃泵站加壓泵不適合采用自控閥控制，否則清水系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制。

管道泵