對引黃泵站加壓泵自控閥的分析看法
2018-02-23 16:30:01
1自控閥結構特點
自控閥是由水過流腔、控制（control)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、下兩個腔，上、下兩腔通過控制管路分別與出水、進水管相連接，閥桿用螺母固定(fixed)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動元件，在自控閥進、出水壓力差的作用下帶動閥板上下運動，實現閥板的開啟或關閉。
自控閥控制（control)管路上設有調節閥，通過調節閥的調節，可以整定自控閥的開啟和關閉速度，以滿足加壓泵的啟動和停止。
2加壓泵的運行特性與自控閥的功能特點
2.1 加壓泵的啟動特性及其控制（control)
(1)加壓泵的零流量啟動特性及其控制(最優啟動過程，即關閥啟動)。加壓泵在零流量工況時軸功率最小，為額定軸功率的30%～130%，所以加壓泵的啟動特性是零流量啟動(即關閥啟動)。
(2)引黃泵站加壓泵實際啟動過程。理想情況是：自控閥密封良好，在加壓泵啟動前，自控閥出水管已充滿水。加壓泵啟動的同時，自控閥進水管水壓（特指：壓強）升高，壓力水通過控制管路進入控制腔下腔，當自控閥進水管水壓高于出水管水壓時，控制腔上腔排水，推動隔膜片和閥桿向上運動，閥板在進、出水壓力差作用下緩慢開啟，開啟速度可通過控制管路調節閥(使用材料：鑄鐵、鑄鋼、不銹鋼等)整定，以滿足加壓泵的正常啟動時間要求。實際情況是：自控閥密封有滲水情況，目前清水系統用水量小，加壓泵啟動時間間隔長，一臺加壓泵運行2h，可滿足機組主軸密封用水和排水泵潤滑用水1天，在加壓泵啟動前，自控閥出水管已無水。所以，在加壓泵啟動的同時，自控閥進水管水壓升高，壓力水通過控制管路進入控制腔下腔，推動隔膜片和閥桿向上運動，閥板在進水壓力作用下開啟，開啟速度比試驗整定速度快，所以出現部分加壓泵不能正常啟動(軟啟動過載報警)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(最優停泵過程，即先關閥后停泵)。對于加壓泵應先緩慢關閉出水管控制閥，然后再停泵，其重要性在于：這時管內介質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生和泵逆轉;泵的軸功率由額定功率逐漸降至最小的運行功率，有利于水泵及管件安全。控制閥緩閉時間可以通過控制管調節閥的調節在5s～60s范圍內，或根據實際需要進行選擇。
(2)引黃泵站加壓泵停泵過程。理想情況為：按照CJ/T167-2002《控制（control)閥標準》規定，自控閥的閥板應包括緩閉閥板和主閥板，緩閉閥板與閥桿應連接緊固、可靠，緩閉閥板與主閥板的密封形式應采用金屬密封的形式，主閥板與閥桿必須滑動靈活、可靠。加壓泵停泵后，自控閥進水管水壓降低，當自控閥出水管水壓高于進水管水壓時，主閥板在進、出水壓力差作用下快速關閉，切斷大部分水流;同時，出水管壓力水通過控制管路進入控制腔上腔，控制腔下腔排水，推動隔膜片和閥桿向下運動，帶動緩閉閥板緩慢關閉，關閉速度可通過控制管路調節閥整定，以滿足加壓泵停泵后的反轉時間要求和水錘力要求。實際情況為：引黃泵站加壓泵自控閥的閥板只有一個主閥板，在閥桿上有三道槽溝和一個凸臺(代替緩閉閥板)，加壓泵停泵后，自控閥進水管水壓降低;當自控閥出水管水壓高于進水管壓時，主閥板在進、出水壓力差作用下快速關閉，切斷大部分水流;同時，出水管壓力水通過控制管路進入控制腔上腔，控制腔下腔排水，推動隔膜片和閥桿向下運動，將主閥板與閥桿之間的流道緩慢關閉，關閉速度可通過控制管路調節閥整定，以滿足加壓泵停泵后的反轉時間要求和水錘力要求。但是，由于水質含堿性，易在閥桿上凝結固體物，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于只有一個緩閉閥板，在加壓泵停泵過程中不能及時切斷大量倒流水量，造成加壓泵嚴重反轉;在自控閥緩閉時，閥體過流腔也出現大流量、高流速的倒流水，因此，難免出現水錘力。而且，自控閥關閉時間越長，倒流水流速越高，水錘力越大。
2.3 停泵水錘力的控制分析
停泵產生的水錘力對管網、閥門(功能：截止、導流、穩壓、分流等)及水泵具有破壞(vandalism)性，應予以重視。
2.3.1 停泵水錘的物理現象
引用茹可夫斯基水錘公式對停泵水錘的物理現象做簡單的述說。上海凱泉泵業集團有限公司性能的技術參數有流量、吸程、 揚程、軸功率、水功率、效率等；根據不同的工作原理可分為 容積水泵、葉片泵等類型。 容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量； 葉片泵是利用回轉葉片與水的相互作用來傳遞能量，有 離心泵、 軸流泵和 混流泵等類型。
H=(Vo-Vt)Cg/9.81
式中：H為產生水錘時的水擊力，kPa;C為水錘波傳播速度，若暫時不考慮介質、管壁材料的彈性系數和管壁厚度，近似取C=1000m/s;g為重力加速度，9.81m/s2;Vo為水錘發生前介質流速，m/s;Vt為水錘發生時介質流速，m/s。
從上式可以看出發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。在水泵運行時和停泵反轉過程(guò chéng)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，再以重力加速度向下流動。在此過程中，輸水管中的水會有一個零流速時刻，若此時自控閥的主閥板(由底板、梁等整體組成)能很快關閉，切斷大部分水流，則產生的水錘力最小，水泵不會反轉或反轉時間較短。所以，廠家對 ;停泵時，自控閥關閉時間過快會導致水錘力的發生 ;的解釋不準確，相反，停泵后輸水管中的水會以VO=g2t水流速度向下流動，導致水泵反轉，而且自控閥關閉時間越長，水流速度越快，水泵反轉速度越快，自控閥關閉水流流速由VO降為零，產生水錘力越大。
水錘力的產生過程：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，出現微觀的高壓區和低壓區，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(此時為復壓波)，這個往返過程所需時間t可用下式表示：
t=L/500s
式中：L為輸水管長度，m。上海凱泉如安裝過高，則不吸水；此外，由于山區比平原大氣壓力低，因此同一臺水泵在山區，特別是在高山區安裝時，其安裝高度應降低，否則也不能吸上水來。
若閥門關閉時間為T關，則T關在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，閥門前正在發展的增壓過程會受到復壓波的干擾而被削弱。ΔH的大小與干擾程度和干擾次數有關。
引黃泵站加壓泵自控閥輸水管長度小于1000m，即T關大于2s就能躲過直接水錘，而不需要將關閉時間整定得過長。上海凱泉泵業集團有限公司是輸送液體或使液體增壓的機械。它將原動機的 機械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送液體包括 水、油、酸堿液、 乳化液、懸乳液和 液態金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。
從以上簡述中可知，自控閥不能避免停泵時水錘的發生，但可以根據輸水管道長度，通過對閥門關閉時間的調節，將直接水錘轉化為間接水錘，使ΔH降為最小，保證輸水管道和加壓泵的安全。
2.3.2 自控閥關閉時間的調節
自控閥的關閉時間是通過控制管路調節閥進行調節，根據各種不同長度的輸水管道和選擇復壓波的往返次數，調節不同的關閥時間，滿足T關>L/500s的條件，以削弱停泵水錘的水擊力，以滿足GB/T50265-97《泵站設計標準》中關于水泵反轉持續時間不應超過2min的要求。但反轉速度是否超過額定轉速的1.2倍，需要購買機械轉速表實測后進一步加以分析(Analyse)確定。由于加壓泵輸水揚程大，如果水泵反轉持續時間長，很可能造成水泵、電機反向飛車，嚴重損壞電機繞組、水泵轉輪和軸承。在運行過程中已出現過水泵、電機軸連接法蘭螺栓彈性墊圈損壞的情況。
2.4 水質對自控閥功能的影響
水質不好會導致自控閥運行不靈。上海凱泉如安裝過高，則不吸水；此外，由于山區比平原大氣壓力低，因此同一臺水泵在山區，特別是在高山區安裝時，其安裝高度應降低，否則也不能吸上水來。例如總干
三、南干二等泵站取自深井的水，水質較差而且富含堿性，閥門(功能：截止、導流、穩壓、分流等)如果較長時間不工作，則在閥門的閥桿、閥板(由底板、梁等整體組成)上堆積非常多白色的固體物，由于閥門配件的配合尺寸十分精密，固體物可造成閥桿、閥板卡阻而導致自控閥開啟和關閉不靈敏。根據加壓泵自控閥的實際運行情況(Condition)，要保證自控閥的良好運行狀態，每月需要對自控閥解體檢修清洗一次，如此短的檢修周期會大大縮短自控閥的使用的時長，而且配件不易購買，加之閥門不斷改進，所購買配件需進行車床加工后才能裝配，給維護檢修工作帶來困難。
2.5 自控閥的閥板密封材料影響
按照CJ/T167—2002《控制（control)閥標準》規定，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(Engineering)加壓泵自控閥不完全具備水泵控制閥的功能，即不是通過自控閥的開啟和關閉來控制加壓泵的啟動和停止，而是通過加壓泵的啟動和停止來控制自控閥的開啟和關閉，自控閥的開啟和關閉功能反過來直接影響(influence)加壓泵的運行特性，所以在關閉過程中難免產生水錘力作用，使自控閥的密封損壞，在運行這種控制方式方法時，特別是高揚程的加壓泵自控閥，閥板密封不宜采用橡膠(Rubber)密封，而應采用金屬密封。
3 自控閥工作情況分析(Analyse)意見
加壓泵自控閥不完全具有控制（control)水泵運行特性的功能，即不能稱為水泵控制閥(Control valve)，這是顯而易見的。上海凱泉由于葉輪進口不可能形成絕對真空，因此離心泵吸水高度不能超過10米，加上水流經吸水管路帶來的沿程損失，實際允許安裝高度（水泵軸線距吸入水面的高度）遠小于10米。因為加壓泵自控閥不具備以下3個功能：加壓泵的零流量啟動特性及其控制，即關閥啟動;控制加壓泵的零流量停泵，即先關閥后停泵;改變裝置特性，即流量無級調節功能。這3種功能是屬于加壓泵運轉特性所要求的技術條件，還是加壓泵本身運轉特性要求閥門(功能：截止、導流、穩壓、分流等)來控制的網站內容，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別于各種類型止回閥或其他閥門質的界定。為什么不具備上述必要功能不能稱為加壓泵控制閥呢?這可以通過下面舉例予以說明：
不具備先關閥后停泵的功能，對加壓泵來說，所有停泵都變為意外突然停泵，難免水錘和泵逆轉的發生，安全性化為烏有，非常危險。
不具備關閥啟泵和先關閥后停泵的功能，則只有加壓泵的啟動才能實現閥的開啟，加壓泵的關閉才能實現閥的關閉，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 ;實質，更難理解為加壓泵控制閥了。
不具備無級調節流量的功能，例如南干
一、二級泵站消防水加壓泵在出水手動閘閥(原理：移動做全開和全關切斷用)全開運行工況時，因阻力偏小，流量過大，不但使泵偏離最高效率區耗能，而且因軸功率劇增超載而損壞加壓泵、電機和軟啟動器。
所以加壓泵自控閥應具有上述3種必要功能是必然的。加上水質影響，引黃泵站加壓泵不適合采用自控閥控制，否則清水系統難以實現全自動控制。
氣動加壓泵組成及原理