【學(xué)員問題】多功能水泵控制閥的功能特征？

　　【解答】何謂多功能水泵控制閥？水泵有什么運(yùn)行特性需要閥門來控 制？水泵控制閥能否實(shí)現(xiàn)這些控制？以及它與傳統(tǒng)的閘閥、蝶閥、止回閥以及勻速、雙速緩閉 的水力控制止回閥在原理、功能等方面有什么質(zhì)的不同，筆者在本文中以活塞式多功能水泵控 制閥（下稱控制閥）為例，通過對其結(jié)構(gòu)、主要功能、工作原理的剖析，提出對上述問題的看 法，供讀者參閱。

　　一、結(jié)構(gòu)控制閥的結(jié)構(gòu)見圖1（圖示為開啟狀態(tài)）。

　　控制閥結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是取消了閥座中間的定位機(jī)構(gòu)和閥 瓣上側(cè)的彈簧，而且在閥瓣的下側(cè)設(shè)計(jì)了導(dǎo)流板，最大限度減少了介質(zhì)過流時的機(jī)械損失和閥 瓣下側(cè)穹腔內(nèi)的旋渦損失。以缸體內(nèi)的活塞作驅(qū)動元件，在介質(zhì)自身壓力作用下帶動閥瓣作 上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)閥的開啟或關(guān)閉。活塞、啟閉件、連同缸體配置在閥體上，流線形、寬閥腔 的閥體，不但水頭損失可以比同類產(chǎn)品減少30％以上，而且具有良好的抗氣蝕性能。

　　以電磁閥換向機(jī)構(gòu)（下稱電磁閥）和壓力管路組成伺服系統(tǒng)， 取控制閥兩端的壓力水為驅(qū)動源，通過電信號指令，任意一端的壓力水都能實(shí)現(xiàn)水泵控制閥 在設(shè)定的時刻和速度執(zhí)行泵的開啟或關(guān)閉。

　　二、泵的運(yùn)行特性與控制閥的功能特點(diǎn)、工作原理1.泵的啟動特性及其控制a）離心泵的零流量啟動特性及其控制（即關(guān)閥啟動）

　　離心泵在零流量工況時軸功率最小，為額定軸功率的30％－ 90％，所以離心泵的啟動特性是零流量啟動（即關(guān)閥啟動）。待泵至額定轉(zhuǎn)速之后控制閥按 設(shè)定的速度緩慢開啟。

　　工作原理：泵啟動時（前）壓力水經(jīng)過設(shè)有延時的電磁閥流向 缸體內(nèi)活塞上腔，而活塞下腔通過缸體下端經(jīng)電磁閥通向大氣，此時控制閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

　　電動機(jī)補(bǔ)償啟動結(jié)束，泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，電磁閥即執(zhí)行換向指令 ，切斷活塞上腔壓力水源、關(guān)閉缸體下端通向大氣的回路，同時將壓力水經(jīng)電磁閥注入缸內(nèi)活 塞下腔、打開活塞上腔通向大氣的回路，活塞上腔的水經(jīng)電磁閥排出閥外，控制閥按設(shè)定的 速度緩慢開啟，完成并滿足了離心泵在零流量時軸功率最小的啟動特性，保證泵機(jī)組的安全 運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　b）軸流泵的大流量啟動特性及其控制（即全開閥啟動）

　　軸流泵在零流量工況時軸功率最大，為額定軸功率的140％ ～200％，所以軸流泵的啟動特性應(yīng)是大流量啟動（即全開閥啟動）。

　　工作原理：控制閥滿足軸流泵全開閥啟動的工作原理是離 心泵關(guān)閥啟動的逆運(yùn)行，即電磁閥先工作，將閥全開后，泵再啟動。參閱a）條，不贅述。

　　軸流泵啟動前，這時閥的進(jìn)口壓力為零，控制閥利用閥出 水端的介質(zhì)壓力將閥開啟，而離心泵啟動時是利用閥進(jìn)水端的介質(zhì)壓力將閥開啟。無論閥的哪 一端介質(zhì)都能實(shí)現(xiàn)控制閥的開或啟，這是水泵控制閥功能的重要特征之一。

　　c）控制混流泵的啟動特征混流泵在零流量工況時軸功率介于上述兩種泵之間，為額 定功率的100％～130％，所以混流泵的啟動特性也應(yīng)是上述兩種泵之間，一般可選擇泵啟動與 控制閥的緩慢開啟同步進(jìn)行。

　　工作原理：工作原理與控制離心泵零流量啟動特性相同， 只要取消電磁閥的延時設(shè)置即可。

　　2.停泵及其控制a）控制離心泵的零流量停泵（即先關(guān)閥后停泵）

　　對于離心泵，先緩慢關(guān)閉控制閥，然后再停泵的重要性在 于：這時管內(nèi)介質(zhì)流速由額定流速逐漸降至為零，速度變化梯度極小，可有效的避免停泵水錘 的發(fā)生和泵的逆轉(zhuǎn)；泵的軸功率由額定功率逐漸降至最小的運(yùn)行功率，有利于機(jī)組安全。

　　工作原理：需要停泵時，只要先切斷電磁閥的控制電源， 電磁閥即執(zhí)行換向指令，關(guān)閉活塞下腔的壓力水源和活塞上腔通大氣的回路，同時開啟活塞上 腔的壓力水源和活塞下腔通大氣的回路，即以進(jìn)口壓力水作驅(qū)動源，緩慢關(guān)閉控制閥，等控 制閥全關(guān)閉后，通過限位開關(guān)指令泵即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，全過程為自動控制。

　　控制閥緩閉時間可以通過節(jié)流閥的調(diào)節(jié)在5～60s范圍內(nèi)或根 據(jù)用戶需要進(jìn)行選擇。

　　b）控制軸流泵、混流泵的停泵軸流泵、混流泵的停泵功能和工作原理與上述內(nèi)容相仿， 不贅。

　　3.改變裝置特性（即流量無級調(diào)節(jié)功能）

　　改變裝置特性屬于對泵運(yùn)行工況調(diào)節(jié)的范疇，最常用的是 節(jié)流法，也稱閥門調(diào)節(jié)法，利用開大或關(guān)小閥門的開度；改變泵裝置中的阻力系數(shù)ξ，從而使 管路的供水特性H=F（Q）發(fā)生變化，以達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。

　　控制閥從全閉至全開之間，閥的開度可以無級調(diào)節(jié)，由開 度顯示器顯示開度，并予以記憶和穩(wěn)定。

　　工作原理：

　　a）流量由小調(diào)大活塞下腔的壓力水注入管路和活塞上腔與大氣相通的回路 開啟，同時活塞上腔的壓力水注入管路和活塞下腔與大氣相通的回路關(guān)閉，這時閥瓣緩慢開啟 ，達(dá)到設(shè)定流量時，控制電路即按指令將活塞上、下腔與大氣相通的回路關(guān)閉，同時將活塞 上、下腔壓力水注入管路開啟，這時活塞上、下兩側(cè)總壓力相等，活塞處于靜 止，整個缸體內(nèi)成為密閉狀態(tài)，穩(wěn)定了閥的開度，并由開度顯示器顯示開度。

　　b）流量由大調(diào)小是a）條的逆運(yùn)作，不贅。

　　上述控制電路的指令可由限位開關(guān)執(zhí)行，也可設(shè)小型的電 控箱執(zhí)行，兩者都能實(shí)現(xiàn)自動控制。

　　4.意外突然停泵水錘力的控制意外突然停泵一般指供電網(wǎng)絡(luò)故障或強(qiáng)雷電保護(hù)性跳閘等 停泵現(xiàn)象，此類停泵的概率不到停泵總次數(shù)的1％，但因此而產(chǎn)生的水錘對管網(wǎng)及供水機(jī)組具 有破壞性，應(yīng)予以重視。

　　a）停泵水錘的物理現(xiàn)象本文不是討論管道中的水錘，只是為了便于對控制閥減小 水擊力的功能和工作原理的敘述，引用茹可夫斯基水錘公式對停泵水錘的物理現(xiàn)象作簡單的述 說。

　　式中H——產(chǎn)生水錘時的水擊力（m水柱）；

　　C——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——重力加速度，9．81m/s；

　　Vo——水錘發(fā)生前介質(zhì)流速（m／s）；

　　Vt——水錘發(fā)生時介質(zhì)流速（m／s）。

　　從式4－1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變化梯度的大小。停泵時流速由V0降為零，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：

　　式中L——輸水管長度（m）。

　　若閥門關(guān)閉時間為T關(guān)，則T關(guān)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，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)。

　　從以上簡述中可知，控制閥不能避免意外突然停泵時水錘 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，保證輸水管道和泵機(jī)組的安全。

　　b）閥門關(guān)閉時間的調(diào)節(jié)目前水泵控制閥常用的關(guān)閉時間調(diào)節(jié)方法有兩種，要指出 的是本文所指的調(diào)節(jié)方法是水泵控制閥的功能之一，雖具有這種功能的各種類型的止回閥或其 它閥門不一定是水泵控制閥，別以此而誤導(dǎo)，詳見本文第三章“結(jié)論”部分。

　　c）兩階段關(guān)閥（即先快速關(guān)閥后慢速關(guān)閥）

　　這種關(guān)閥形式可以防止停泵水錘的發(fā)生，至于快速關(guān)閥的 時間，也應(yīng)與管道的長度相匹配，兼顧水泵反轉(zhuǎn)速度和倒流水量大小，滿足消除停泵水錘的要 求。

　　d）勻速關(guān)閥這種關(guān)閥的特點(diǎn)是能根據(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，恒滿足T關(guān)>L/500s的條件。大幅度削弱突然停泵水錘 的水擊力，適應(yīng)性較兩階段關(guān)閥為廣，足以滿足GB/T50265－97《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于反轉(zhuǎn) 速不應(yīng)超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，持續(xù)時間不應(yīng)超過2min的要求。

　　水泵控制閥的上述兩種方法都由電磁閥自動控制。

　　5.選擇壓力源的機(jī)動性大電磁閥的伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙向同時取壓，經(jīng)單向閥分配， 由一條壓力較高輸液管中的水為壓力源注入電磁閥。無論是進(jìn)水端的壓力水還是出水端的壓力 水，都能單獨(dú)執(zhí)行控制閥的開啟或關(guān)閉。

　　正因?yàn)橛性摴δ艿拇嬖冢�使水泵控制閥能滿足各種水泵的 啟動、停泵等運(yùn)行特性要求的可能。其重要還在于：當(dāng)輸送介質(zhì)為渾濁水，不能作驅(qū)動源需要 外供壓力源時，只要一條伺服管路即可實(shí)現(xiàn)控制閥的所有功能。

　　6.節(jié)能將過流介質(zhì)的能耗控制在最小，是水泵控制閥的一項(xiàng)重要 課題。我們抽樣了某些通徑的控制閥作了實(shí)驗(yàn)，得出下列實(shí)驗(yàn)公式供讀者參考：

　　阻力系數(shù)ξ以下列公式確定：

　　當(dāng)DN≤250時   ξ=14．68×V1.1339（7－1）

　　當(dāng)DN>250時   ξ=10．97×V1.1339（7－2）

　　式中ξ——阻力系數(shù)；

　　V——介質(zhì)流速（m／s）。

　　局部水頭損失hf以下列公式確定：

　　hf=ξ×V2/2g   （7－3）

　　或：hf=0.749×V0.8661   （7－4）

　　hf=0.56×V0.8661   （7－5）

　　式中hf——局部水頭損失（m水柱）；

　　V——介質(zhì)流速（m／s）；

　　g——重力加速度g=9．81（m／s2）。

　　經(jīng)檢測，該種水泵控制閥的水頭損失比同類型的水力控制 閥能耗減少30％以上。

　　三、結(jié)論具有控制水泵運(yùn)行特性功能的閥門才稱為水泵控制閥，這 是顯而易見的。

　　本文第二章第1節(jié)《泵的啟動特性及其控制》中的a）、b）、c） 條；第2節(jié)《停泵及其控制》中的a），b）條；第3節(jié)《改變裝置特性》中的a），b）條；第4節(jié)《 意外突然停泵水錘力的控制》中的b）條；這里所敘述的八種功能屬于泵運(yùn)轉(zhuǎn)特性所要求的技 術(shù)條件，也是泵本身運(yùn)轉(zhuǎn)特性要求閥門來控制的內(nèi)容，也是水泵控制閥的必要功能。這些必 要功能是水泵控制閥區(qū)別于各種類型止回閥或其它閥門質(zhì)的界定。

　　為什么不具備上述必要功能不能稱為水泵控制閥呢？這可以 通過下面舉例予以說明：

　　若不具備第2節(jié)a）條中先關(guān)閥后停泵的功能，對離心泵來說 ，所有停泵都變?yōu)橐馔馔蝗煌１茫�占停泵總�?shù)99％以上的正常停泵，并可以避免水錘和泵逆轉(zhuǎn) 發(fā)生的安全性化為烏有，多么危險。

　　若不具備第2節(jié)和第3節(jié)的功能，則只有泵的啟動才能實(shí)現(xiàn)閥 的開啟、泵的關(guān)閉才能實(shí)現(xiàn)閥的關(guān)閉，很明顯這是泵在控制閥門工作，失去了控制閥的“控 制”實(shí)質(zhì)，更難理解為水泵控制閥了。

　　若不具備第3節(jié)無級調(diào)節(jié)流量的功能，一旦泵的運(yùn)行工況中 因阻力偏小，流量過大時，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機(jī)組 .所以水泵控制閥應(yīng)具有上述八種必要功能是必然的。

　　以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實(shí)際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請及時溝通、指正。