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(jié)構(gòu)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(qū)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(xiàn)閥板的開啟或關(guān)閉。
自控閥控制（control)管路上設(shè)有調(diào)節(jié)閥，通過調(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(yōu)啟動過程，即關(guān)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(guān)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(dāng)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(diào)節(jié)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(tǒng)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(xiàn)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(yōu)停泵過程，即先關(guān)閥后停泵)。對于加壓泵應(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(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)在5s～60s范圍內(nèi)，或根據(jù)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(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靈活、可靠。加壓泵停泵后，自控閥進水管水壓降低，當(dāng)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(guān)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(guān)閉，關(guān)閉速度可通過控制管路調(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(dāng)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(guān)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(guān)閉，關(guān)閉速度可通過控制管路調(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(zhuǎn);在自控閥緩閉時，閥體過流腔也出現(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(chǎn)生的水錘力對管網(wǎng)、閥門(功能：截止、導(dǎo)流、穩(wěn)壓、分流等)及水泵具有破壞(vandalism)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停泵水錘的物理現(xiàn)象做簡單的述說。上海凱泉泵業(yè)集團有限公司性能的技術(shù)參數(shù)有流量、吸程、 揚程、軸功率、水功率、效率等；根據(jù)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(zhuǎn)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(chǎn)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(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。在水泵運行時和停泵反轉(zhuǎn)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(guān)閉，切斷大部分水流，則產(chǎn)生的水錘力最小，水泵不會反轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時間較短。所以，廠家對 ;停泵時，自控閥關(guān)閉時間過快會導(dǎo)致水錘力的發(fā)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(dǎo)致水泵反轉(zhuǎn)，而且自控閥關(guān)閉時間越長，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。
水錘力的產(chǎn)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(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(fù)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(qū)比平原大氣壓力低，因此同一臺水泵在山區(qū)，特別是在高山區(qū)安裝時，其安裝高度應(yīng)降低，否則也不能吸上水來。
若閥門關(guān)閉時間為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，這是因為間接水錘時，閥門前正在發(fā)展的增壓過程會受到復(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度小于1000m，即T關(guān)大于2s就能躲過直接水錘，而不需要將關(guān)閉時間整定得過長。上海凱泉泵業(yè)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(tài)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(fā)生，但可以根據(jù)輸水管道長度，通過對閥門關(guān)閉時間的調(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)閉時間的調(diào)節(jié)
自控閥的關(guān)閉時間是通過控制管路調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)，根據(jù)各種不同長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)計標準》中關(guān)于水泵反轉(zhuǎn)持續(xù)時間不應(yīng)超過2min的要求。但反轉(zhuǎn)速度是否超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，需要購買機械轉(zhuǎn)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(zhuǎn)持續(xù)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(zhuǎn)輪和軸承。在運行過程中已出現(xiàn)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(zhì)對自控閥功能的影響
水質(zhì)不好會導(dǎo)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(qū)比平原大氣壓力低，因此同一臺水泵在山區(qū)，特別是在高山區(qū)安裝時，其安裝高度應(yīng)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(zhì)較差而且富含堿性，閥門(功能：截止、導(dǎo)流、穩(wěn)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(dǎo)致自控閥開啟和關(guān)閉不靈敏。根據(jù)加壓泵自控閥的實際運行情況(Condition)，要保證自控閥的良好運行狀態(tài)，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(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(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(guān)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(guān)閉，自控閥的開啟和關(guān)閉功能反過來直接影響(influence)加壓泵的運行特性，所以在關(guān)閉過程中難免產(chǎn)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(yīng)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(jīng)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(guān)閥啟動;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，即流量無級調(diào)節(jié)功能。這3種功能是屬于加壓泵運轉(zhuǎn)特性所要求的技術(shù)條件，還是加壓泵本身運轉(zhuǎn)特性要求閥門(功能：截止、導(dǎo)流、穩(wěn)壓、分流等)來控制的網(wǎng)站內(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?這可以通過下面舉例予以說明：
不具備先關(guān)閥后停泵的功能，對加壓泵來說，所有停泵都變?yōu)橐馔馔蝗煌１茫y免水錘和泵逆轉(zhuǎn)的發(fā)生，安全性化為烏有，非常危險。
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才能實現(xiàn)閥的開啟，加壓泵的關(guān)閉才能實現(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 ;實質(zhì)，更難理解為加壓泵控制閥了。
不具備無級調(diào)節(jié)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(guān)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(qū)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(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)難以實現(xiàn)全自動控制。
氣動加壓泵組成及原理