多功能水泵控制阀的功能特征

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。