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多功能水泵控制阀的功能特征

永嘉方特阀门有限公司

2009/12/7 11:29:23

一、多功能水泵控制阀结构
  控制阀的结构见图1(图示为开启状态)。

  控制阀结构的主要特点是取消了阀座中间的定位机构和阀 瓣上侧的弹簧,而且在阀瓣的下侧设计了导流板,zui大限度减少了介质过流时的机械损失和阀 瓣下侧穹腔内的旋涡损失。以缸体内的活塞作驱动元件,在介质自身压力作用下带动阀瓣作 上下运动,实现阀的开启或关闭。活塞、启闭件、连同缸体配置在阀体上,流线形、宽阀腔 的阀体,不但水头损失可以比同类产品减少30%以上,而且具有良好的抗气蚀性能。
  以电磁阀换向机构(下称电磁阀)和压力管路组成伺服系统, 取控制阀两端的压力水为驱动源,通过电信号指令,任意一端的压力水都能实现水泵控制阀 在设定的时刻和速度执行泵的开启或关闭。
  二、泵的运行特性与控制阀的功能特点、工作原理
  1.泵的启动特性及其控制,
  a)离心泵的零流量启动特性及其控制(即关阀启动)
  离心泵在零流量工况时轴功率zui小,为额定轴功率的30%- 90%,所以离心泵的启动特性是零流量启动(即关阀启动)。待泵至额定转速之后控制阀按 设定的速度缓慢开启。
  工作原理:泵启动时(前)压力水经过设有延时的电磁阀流向 缸体内活塞上腔,而活塞下腔通过缸体下端经电磁阀通向大气,此时控制阀处于关闭状态。

  电动机补偿启动结束,泵正常运转,电磁阀即执行换向指令 ,切断活塞上腔压力水源、关闭缸体下端通向大气的回路,同时将压力水经电磁阀注入缸内活 塞下腔、打开活塞上腔通向大气的回路,活塞上腔的水经电磁阀排出阀外,控制阀按设定的 速度缓慢开启,完成并满足了离心泵在零流量时轴功率zui小的启动特性,保证泵机组的安全 运转。
  b)轴流泵的大流量启动特性及其控制(即全开阀启动)
  轴流泵在零流量工况时轴功率zui大,为额定轴功率的140% ~200%,所以轴流泵的启动特性应是大流量启动(即全开阀启动)。
  工作原理:控制阀满足轴流泵全开阀启动的工作原理是离 心泵关阀启动的逆运行,即电磁阀先工作,将阀全开后,泵再启动。参阅a)条,不赘述。

  轴流泵启动前,这时阀的进口压力为零,控制阀利用阀出 水端的介质压力将阀开启,而离心泵启动时是利用阀进水端的介质压力将阀开启。无论阀的哪 一端介质都能实现控制阀的开或启,这是水泵控制阀功能的重要特征之一。
  c)控制混流泵的启动特征

  混流泵在零流量工况时轴功率介于上述两种泵之间,为额 定功率的100%~130%,所以混流泵的启动特性也应是上述两种泵之间,一般可选择泵启动与 控制阀的缓慢开启同步进行。
  工作原理:工作原理与控制离心泵零流量启动特性相同, 只要取消电磁阀的延时设置即可。
2.停泵及其控制
  a)控制离心泵的零流量停泵(即先关阀后停泵)
  对于离心泵,先缓慢关闭控制阀,然后再停泵的重要性在 于:这时管内介质流速由额定流速逐渐降至为零,速度变化梯度极小,可有效的避免停泵水锤 的发生和泵的逆转;泵的轴功率由额定功率逐渐降至zui小的运行功率,有利于机组安全。
  工作原理:需要停泵时,只要先切断电磁阀的控制电源, 电磁阀即执行换向指令,关闭活塞下腔的压力水源和活塞上腔通大气的回路,同时开启活塞上 腔的压力水源和活塞下腔通大气的回路,即以进口压力水作驱动源,缓慢关闭控制阀,等控 制阀全关闭后,通过限位开关指令泵即停止运转,全过程为自动控制。

  控制阀缓闭时间可以通过节流阀的调节在5~60s范围内或根 据用户需要进行选择。

  b)控制轴流泵、混流泵的停泵
  轴流泵、混流泵的停泵功能和工作原理与上述内容相仿, 不赘。
  3.改变装置特性(即流量无级调节功能)

  改变装置特性属于对泵运行工况调节的范畴,zui常用的是 节流法,也称阀门调节法,利用开大或关小阀门的开度;改变泵装置中的阻力系数ξ,从而使 管路的供水特性h=f(q)发生变化,以达到调节流量的目的。

  控制阀从全闭至全开之间,阀的开度可以无级调节,由开 度显示器显示开度,并予以记忆和稳定。
  多功能水泵控制阀工作原理:
  a)流量由小调大

  活塞下腔的压力水注入管路和活塞上腔与大气相通的回路 开启,同时活塞上腔的压力水注入管路和活塞下腔与大气相通的回路关闭,这时阀瓣缓慢开启 ,达到设定流量时,控制电路即按指令将活塞上、下腔与大气相通的回路关闭,同时将活塞 上、下腔压力水注入管路开启,这时活塞上、下两侧总压力相等,活塞处于静 止,整个缸体内成为密闭状态,稳定了阀的开度,并由开度显示器显示开度。
  b)流量由大调小
  是a)条的逆运作,不赘。
  上述控制电路的指令可由限位开关执行,也可设小型的电 控箱执行,两者都能实现自动控制。  4.意外突然停泵水锤力的控制

  意外突然停泵一般指供电网络故障或强雷电保护性跳闸等 停泵现象,此类停泵的概率不到停泵总次数的1%,但因此而产生的水锤对管网及供水机组具 有破坏性,应予以重视。

  a)停泵水锤的物理现象
  本文不是讨论管道中的水锤,只是为了便于对控制阀减小 水击力的功能和工作原理的叙述,引用茹可夫斯基水锤公式对停泵水锤的物理现象作简单的述 说。
式中h——产生水锤时的水击力(m水柱);
  c——水锤波传播速度,若暂时不考虑介质、管壁材料的弹性系数和管壁厚度,近似取
c=1000m/s;
  g——重力加速度,9.81m/s
  vo——水锤发生前介质流速(m/s

  vt——水锤发生时介质流速(m/s)。  从式4-1可以看出发生水锤的必要条件是流体的速度变化, 水击力的大小取决于变化梯度的大小。停泵时流速由v0降为零,首层液面由于流体的惯性, 水层被压缩,压力上升(即水锤压力),接着因惯性力的作用依次一层、一层……滞止、压力 升高、被压缩,出现微观的高压区和低压区,它们的分界面称为水锤波(此时为增压波),增压 波直至输水管的管端末层消失)。接着又逆向一层、一层……传播至水锤开始时的首层液面( 此时为复压波),这个往返过程


所需时间t可用下式表示:
  e~QPe
式中l——输水管长度(m)。
  若阀门关闭时间为t关,则t关l/500s条件下的水锤为间接水锤 ,δh小于直接水锤。这是因为间接水锤时,阀门前正在发展的增压过程,会受到复压波的 干扰而被削弱。δh的大小与干扰程度和干扰次数有关。

  从以上简述中可知,控制阀不能避免意外突然停泵时水锤 的发生,但可以根据输水管道长度,通过对阀门关闭时间的调节,将直接水锤转化为间接水锤 使δh降为zui小,保证输水管道和泵机组的安全
  b)阀门关闭时间的调节
  目前水泵控制阀常用的关闭时间调节方法有两种,要指出 的是本文所指的调节方法是水泵控制阀的功能之一,虽具有这种功能的各种类型的止回阀或其 它阀门不一定是水泵控制阀,别以此而误导,详见本文第三章“结论”部分
  c)两阶段关阀(即先快速关阀后慢速关阀)
  这种关阀形式可以防止停泵水锤的发生,至于快速关阀的 时间,也应与管道的长度相匹配,兼顾水泵反转速度和倒流水量大小,满足消除停泵水锤的要 求。
  d)匀速关阀
  这种关阀的特点是能根据各种不同长度的输水管道和选择 复压波的往返次数,调节不同的
关阀时间,恒满足t>l/500s的条件。大幅度削弱突然停泵水锤 的水击力,适应性较两阶段关阀为广,足以满足gb/t50265-97《泵站设计规范》中关于反转 速不应超过额定转速的1.2倍,持续时间不应超过2min的要求。

  水泵控制阀的上述两种方法都由电磁阀自动控制。
  5.选择压力源的机动性大
  电磁阀的伺服机构设计为双向同时取压,经单向阀分配, 由一条压力较高输液管中的水为压力源注入电磁阀。无论是进水端的压力水还是出水端的压力 水,都能单独执行控制阀的开启或关闭。

  正因为有该功能的存在,使水泵控制阀能满足各种水泵的 启动、停泵等运行特性要求的可能。其重要还在于:当输送介质为浑浊水,不能作驱动源需要 外供压力源时,只要一条伺服管路即可实现控制阀的所有功能。

  6.节能
  将过流介质的能耗控制在zui小,是水泵控制阀的一项重要 课题。我们抽样了某些通径的控制阀作了实验,得出下列实验公式供读者参考:
  阻力系数ξ以下列公式确定:
当dn≤250时   ξ=14.68×v1.1339(7-1) 
当dn>250时   ξ=10.97×v1.1339(7-2)
式中ξ——阻力系数;
  v——介质流速(m/s)
局部水头损失hf以下列公式确定:}
hf=ξ×v2/2g   (7-3)=Ku
或:hf=0.749×v0.8661   (7-4)
hf=0.56×v0.8661   (7-5)
式中hf——局部水头损失(m水柱);
  v——介质流速(m/s);
  g——重力加速度g=9.81(m/s2)。
  经检测,该种水泵控制阀的水头损失比同类型的水力控制 阀能耗减少30%以上。

  三、多功能水泵控制阀结论
  具有控制水泵运行特性功能的阀门才称为水泵控制阀,这 是显而易见的。
  本文第二章第1节《泵的启动特性及其控制》中的a)、b)、c) 条;第2节《停泵及其控制中的a),b)条;第3节《改变装置特性》中的a),b)条;第4节《 意外突然停泵水锤力的控制
》中的b)条;这里所叙述的八种功能属于泵运转特性所要求的技 术条件,也是泵本身运转特性
要求阀门来控制的内容,也是水泵控制阀的必要功能。这些必 要功能是水泵控制阀区别于各
种类型止回阀或其它阀门质的界定。

  为什么不具备上述必要功能不能称为水泵控制阀呢?这可以 通过下面举例予以说明:

若不具备第2节a)条中先关阀后停泵的功能,对离心泵来说 ,所有停泵都变为意外突然停泵,占停泵总数99%以上的正常停泵,并可以避免水锤和泵逆转 发生的安全性化为乌有,多么危险。
  若不具备第2节和第3节的功能,则只有泵的启动才能实现阀 的开启、泵的关闭才能实现阀的关闭,很明显这是泵在控制阀门工作,失去了控制阀的“控 制”实质,更难理解为水泵控制阀了。
  若不具备第3节无级调节流量的功能,一旦泵的运行工况中 因阻力偏小,流量过大时,不但使泵偏离zui率区耗能,而且因轴功率剧增超载而损坏机组 。所以水泵控制阀应具有上述八种必要功能是必然的。
 

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