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关于对引黄泵站加压泵自控阀的分析意见

关于加压泵自控阀有何结构特点?水泵有什么运行特性需要调节阀来控制?加压泵自控阀能否满足这些控制要求?通过对加压泵自控阀的结构、主要功能、工作原理及应用情况的剖析,提出对上述问题的看法,仅供参阅。

1自控阀结构特点

自控阀是由水过流腔、控制腔、阀板、阀杆、隔膜片及控制管路组成,控制腔由隔膜片分为上、下两个腔,上、下两腔通过控制管路分别与出水、进水管相连接,阀杆用螺母固定在隔膜片上,阀板安装在阀杆的下部。隔膜片和阀杆是阀板的驱动元件,在自控阀进、出水压力差的作用下带动阀板上下运动,实现阀板的开启或关闭。

自控阀控制管路上设有调节阀,通过调节阀的调节,可以整定自控阀的开启和关闭速度,以满足加压泵的启动和停止。

2加压泵的运行特性与自控阀的功能特点

2.1 加压泵的启动特性及其控制

(1)加压泵的零流量启动特性及其控制(最优启动过程,即关阀启动)。加压泵在零流量工况时轴功率最小,为额定轴功率的30%~130%,所以加压泵的启动特性是零流量启动(即关阀启动)。

(2)引黄泵站加压泵实际启动过程。理想情况是:自控阀密封良好,在加压泵启动前,自控阀出水管已充满水。加压泵启动的同时,自控阀进水管水压升高,压力水通过控制管路进入控制腔下腔,当自控阀进水管水压高于出水管水压时,控制腔上腔排水,推动隔膜片和阀杆向上运动,阀板在进、出水压力差作用下缓慢开启,开启速度可通过控制管路调节阀整定,以满足加压泵的正常启动时间要求。实际情况是:自控阀密封有渗水情况,目前清水系统用水量小,加压泵启动时间间隔长,一台加压泵运行2h,可满足机组主轴密封用水和排水泵润滑用水1天,在加压泵启动前,自控阀出水管已无水。所以,在加压泵启动的同时,自控阀进水管水压升高,压力水通过控制管路进入控制腔下腔,推动隔膜片和阀杆向上运动,阀板在进水压力作用下开启,开启速度比试验整定速度快,所以出现部分加压泵不能正常启动(软启动过载报警)的情况。

2.2 加压泵的停泵特性及其控制

(1)加压泵的零流量停泵(最优停泵过程,即先关阀后停泵)。对于加压泵应先缓慢关闭出水管控制阀,然后再停泵,其重要性在于:这时管内介质流速由额定流速逐渐降至零,速度变化梯度极小,可有效地避免停泵水锤的发生和泵逆转;泵的轴功率由额定功率逐渐降至最小的运行功率,有利于水泵及管件安全。控制阀缓闭时间可以通过控制管调节阀的调节在5s~60s范围内,或根据实际需要进行选择。

(2)引黄泵站加压泵停泵过程。理想情况为:按照CJ/T167-2002《控制阀标准》规定,自控阀的阀板应包括缓闭阀板和主阀板,缓闭阀板与阀杆应连接紧固、可靠,缓闭阀板与主阀板的密封形式应采用金属密封的形式,主阀板与阀杆必须滑动灵活、可靠。加压泵停泵后,自控阀进水管水压降低,当自控阀出水管水压高于进水管水压时,主阀板在进、出水压力差作用下快速关闭,切断大部分水流;同时,出水管压力水通过控制管路进入控制腔上腔,控制腔下腔排水,推动隔膜片和阀杆向下运动,带动缓闭阀板缓慢关闭,关闭速度可通过控制管路调节阀整定,以满足加压泵停泵后的反转时间要求和水锤力要求。实际情况为:引黄泵站加压泵自控阀的阀板只有一个主阀板,在阀杆上有三道槽沟和一个凸台(代替缓闭阀板),加压泵停泵后,自控阀进水管水压降低;当自控阀出水管水压高于进水管压时,主阀板在进、出水压力差作用下快速关闭,切断大部分水流;同时,出水管压力水通过控制管路进入控制腔上腔,控制腔下腔排水,推动隔膜片和阀杆向下运动,将主阀板与阀杆之间的流道缓慢关闭,关闭速度可通过控制管路调节阀整定,以满足加压泵停泵后的反转时间要求和水锤力要求。但是,由于水质含碱性,易在阀杆上凝结固体物,使主阀板卡阻不灵活,起不到主阀板的作用,而是连同阀杆一起相当于只有一个缓闭阀板,在加压泵停泵过程中不能及时切断大量倒流水量,造成加压泵严重反转;在自控阀缓闭时,阀体过流腔也出现大流量、高流速的倒流水,因此,难免出现水锤力。而且,自控阀关闭时间越长,倒流水流速越高,水锤力越大。

2.3 停泵水锤力的控制分析

停泵产生的水锤力对管网、阀门及水泵具有破坏性,应予以重视。

2.3.1 停泵水锤的物理现象

引用茹可夫斯基水锤公式对停泵水锤的物理现象做简单的述说。

H=(Vo-Vt)Cg/9.81

式中:H为产生水锤时的水击力,kPa;C为水锤波传播速度,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为重力加速度,9.81m/s2;Vo为水锤发生前介质流速,m/s;Vt为水锤发生时介质流速,m/s。

从上式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流速变化梯度的大小。在水泵运行时和停泵反转过程中,水管中的水流方向是相反的,停泵后输水管中的水流方向先因惯性作用向上流动,再以重力加速度向下流动。在此过程中,输水管中的水会有一个零流速时刻,若此时自控阀的主阀板能很快关闭,切断大部分水流,则产生的水锤力最小,水泵不会反转或反转时间较短。所以,厂家对“停泵时,自控阀关闭时间过快会导致水锤力的发生”的解释不准确,相反,停泵后输水管中的水会以VO=g2t水流速度向下流动,导致水泵反转,而且自控阀关闭时间越长,水流速度越快,水泵反转速度越快,自控阀关闭水流流速由VO降为零,产生水锤力越大。

水锤力的产生过程: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:

t=L/500s

式中:L为输水管长度,m。

若阀门关闭时间为T关,则T关在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。

引黄泵站加压泵自控阀输水管长度小于1000m,即T关大于2s就能躲过直接水锤,而不需要将关闭时间整定得过长。

从以上简述中可知,自控阀不能避免停泵时水锤的发生,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降为最小,保证输水管道和加压泵的安全。

2.3.2 自控阀关闭时间的调节

自控阀的关闭时间是通过控制管路调节阀进行调节,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,满足T关>L/500s的条件,以削弱停泵水锤的水击力,以满足GB/T50265-97《泵站设计规范》中关于水泵反转持续时间不应超过2min的要求。但反转速度是否超过额定转速的1.2倍,需要购买机械转速表实测后进一步加以分析确定。由于加压泵输水扬程大,如果水泵反转持续时间长,很可能造成水泵、电机反向飞车,严重损坏电机绕组、水泵转轮和轴承。在运行过程中已出现过水泵、电机轴连接法兰螺栓弹性垫圈损坏的情况。

2.4 水质对自控阀功能的影响

水质不好会导致自控阀运行不灵。例如总干三、南干二等泵站取自深井的水,水质较差而且富含碱性,阀门如果较长时间不工作,则在阀门的阀杆、阀板上堆积很多白色的固体物,由于阀门配件的配合尺寸十分精密,固体物可造成阀杆、阀板卡阻而导致自控阀开启和关闭不灵敏。根据加压泵自控阀的实际运行情况,要保证自控阀的良好运行状态,每月需要对自控阀解体检修清洗一次,如此短的检修周期会大大缩短自控阀的使用寿命,而且配件不易购买,加之阀门不断改进,所购买配件需进行车床加工后才能装配,给维护检修工作带来困难。

2.5 自控阀的阀板密封材料影响

按照CJ/T167—2002《控制阀标准》规定,主阀板与主阀板座的密封可采用金属密封和非金属密封两种形式。引黄工程加压泵自控阀不完全具备水泵控制阀的功能,即不是通过自控阀的开启和关闭来控制加压泵的启动和停止,而是通过加压泵的启动和停止来控制自控阀的开启和关闭,自控阀的开启和关闭功能反过来直接影响加压泵的运行特性,所以在关闭过程中难免产生水锤力作用,使自控阀的密封损坏,在运行这种控制方式时,特别是高扬程的加压泵自控阀,阀板密封不宜采用橡胶密封,而应采用金属密封。

3 自控阀工作情况分析意见

加压泵自控阀不完全具有控制水泵运行特性的功能,即不能称为水泵控制阀,这是显而易见的。因为加压泵自控阀不具备以下3个功能:加压泵的零流量启动特性及其控制,即关阀启动;控制加压泵的零流量停泵,即先关阀后停泵;改变装置特性,即流量无级调节功能。这3种功能是属于加压泵运转特性所要求的技术条件,还是加压泵本身运转特性要求阀门来控制的内容,也是加压泵控制阀的必要功能。这些必要功能是加压泵自控阀区别于各种类型止回阀或其他阀门质的界定。为什么不具备上述必要功能不能称为加压泵控制阀呢?这可以通过下面举例予以说明:

不具备先关阀后停泵的功能,对加压泵来说,所有停泵都变为意外突然停泵,难免水锤和泵逆转的发生,安全性化为乌有,非常危险。

不具备关阀启泵和先关阀后停泵的功能,则只有加压泵的启动才能实现阀的开启,加压泵的关闭才能实现阀的关闭,很明显这是加压泵在控制自控阀工作,失去了控制阀的“控制”实质,更难理解为加压泵控制阀了。

不具备无级调节流量的功能,例如南干一、二级泵站消防水加压泵在出水手动闸阀全开运行工况时,因阻力偏小,流量过大,不但使泵偏离最高效率区耗能,而且因轴功率剧增超载而损坏加压泵、电机和软启动器。

所以加压泵自控阀应具有上述3种必要功能是必然的。加上水质影响,引黄泵站加压泵不适合采用自控阀控制,否则清水系统难以实现全自动控制。

参考文献

[1] 水利部.GB/T50265—97泵站设计规范[S].北京:中国计划出版社,1997.
[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.CJ/T167—2002控制阀标准[S].北京:中国标准出版社,2004.