摘要：本文論述了新型多功能水泵控制閥的水錘防護(hù)原理，并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用情況，介紹該控制閥的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

　　關(guān)鍵詞：多功能水泵控制閥 水錘防護(hù)原理

　　1 引言

　　水錘控制是給水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。水錘的形成與閥門(mén)的迅速關(guān)閉/開(kāi)啟有關(guān)，由于閥門(mén)關(guān)閉/開(kāi)啟時(shí)間Ts與水錘波的相長(zhǎng)T的差異，表現(xiàn)為直接水錘和間接水錘兩種形式。

　　當(dāng)Ts﹤T時(shí)，在閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程中，反射回來(lái)的水錘波尚未到達(dá)閥門(mén)時(shí)，閥已關(guān)閉，水錘波所產(chǎn)生的壓強(qiáng)增高值無(wú)干擾作用，這種水錘稱(chēng)為直接水錘，閥門(mén)開(kāi)狀態(tài)與關(guān)閉狀態(tài)剛好相反，裝有普通止回閥的供水系統(tǒng)中常常產(chǎn)生直接水錘。

　　當(dāng)Ts﹥T時(shí)，在閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程中，反射回來(lái)的水錘波到達(dá)閥門(mén)時(shí)，閥門(mén)尚未完全關(guān)閉，水錘波導(dǎo)致的壓強(qiáng)增值受到了干擾，水錘峰值被削減，這種水錘稱(chēng)為間接水錘。在同一條件下，直接水錘比間接水錘的危害性要大得多，危害最大的是斷流彌合水錘。株洲南方閥門(mén)制造有限公司生產(chǎn)的多功能水泵控制閥，就是通過(guò)控制閥門(mén)的關(guān)閉狀態(tài)，造成間接水錘的形成條件來(lái)實(shí)現(xiàn)管道系統(tǒng)的水錘防護(hù)的。

　　2 水錘波增壓值的理論計(jì)算

　　給水系統(tǒng)水錘波的壓力峰值P為水泵的額定揚(yáng)程P1和水錘壓力增值△P的迭加值即：

　　P=P₁+△P                       （1）

　�。�1）直接水錘壓力增值△P

　　按儒可夫斯基公式，可以計(jì)算供水系統(tǒng)中發(fā)生直接水錘時(shí)的壓力增值△P

　�。�2）

　　△P—直接水錘的壓力增值，KPa；

　　V₀—水錘產(chǎn)生前管道中的平均流速，m/s；

　　V—水錘產(chǎn)生后管道中的平均流速，m/s；

　�。�3）式中，K：水的彈性模量，N/m2；K=2.04  ×105N/cm²

　　E：管壁材料的彈性模量，N/m2，鋼管或鋼筋混凝土管，EO=2.04×107N/cm²

　　D：供水管的直徑，mm；

       δ：供水管的管壁存度，mm；

　　C₀=K/ρ，在密度為ρ，彈性模量為K的無(wú)邊界液體介質(zhì)中聲音的傳遞速度，對(duì)于水，C₀=1425m/s.

　　從式（2）可以看出，當(dāng)管道材料及其所輸送的介質(zhì)確定以后，直接水錘的壓力增值△P，是管徑和流速的函數(shù)，△P=f（V，1/D），直接水錘的壓力增值△P隨著流速的增大而增大，隨著管徑的增加而減小。因而在工程設(shè)計(jì)中可以通過(guò)降低流速 即增大管徑來(lái)降低水錘的危害。

　�。�2）間接水錘壓力增值△P1的計(jì)算

　　間接水錘的壓力增值計(jì)算比較復(fù)雜[2] [3]  ，可按流體力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算

　　△P，=T/Ts·△P                         （4）

　　△P^'—間接水錘時(shí)的水壓增值，KPa ；

　　由于發(fā)生間接水錘時(shí)，T_s﹥T，由式（4）可知，△P^'﹤△P，即同樣條件下間接水錘較直接水錘的水錘壓力峰值要小。當(dāng)閥門(mén)的關(guān)閉（開(kāi)啟）時(shí)間T_s，水錘波的相長(zhǎng)T確定之后，可以按（4）式直接計(jì)算間接水錘的壓力增值。在實(shí)際選用水泵多功能閥時(shí)，當(dāng)直徑大于DN800時(shí)，一般以T_s=（1.3-1.5）T，T_s≯2.0T為宜。當(dāng)管道直徑較小、管道不長(zhǎng)時(shí)，T_s可以適當(dāng)加大，閉閥歷時(shí)Ts可以是水錘相T=2L/C的2-10倍，把實(shí)際水錘壓力P限定在安全范圍內(nèi)�？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)啟閉動(dòng)作時(shí)間（3～120s），使計(jì)算水錘壓力峰值小于1.5倍水泵工作壓力。這一點(diǎn)不同于液控緩閉閥，液控緩閉閥是通過(guò)快關(guān)、慢關(guān)兩階段實(shí)現(xiàn)的，在快關(guān)階段，關(guān)閉角度大，約為60-80%，而時(shí)間很短，為1-2s；在慢關(guān)階段，關(guān)閉角度小。關(guān)閉時(shí)間太長(zhǎng)，容易引起 壓力管道中的水大量倒流，使水泵反轉(zhuǎn)速度超過(guò)允許值，或者造成壓力管道中的水柱被快速拉斷，部分管段出現(xiàn)真空，甚至產(chǎn)生斷流彌合水錘。

　　2、多功能水泵控制閥的水錘控制過(guò)程

　　多功能水泵控制閥是一種新型的水力控制閥門(mén)，一閥可同時(shí)替代現(xiàn)行水泵壓水管上的電動(dòng)蝶（閘）閥、單向閥和水錘消除器，并能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)泵時(shí)的緩開(kāi)（準(zhǔn)軟啟動(dòng)），停泵時(shí)的速閉/緩閉，基本上可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)行液控緩閉閥的功能，即兩階段關(guān)閥過(guò)程，有效地防止水錘事故的產(chǎn)生，但它無(wú)任何電氣控制動(dòng)力或外力油壓系統(tǒng)。在閥體設(shè)計(jì)上還采用了寬閥體流線型設(shè)計(jì)，有效地降低了水流阻力。

　　多功能水泵控制閥的水錘防護(hù)過(guò)程：水泵啟動(dòng)前，閥門(mén)出口端壓力作用在主閥板上，主閥板處于關(guān)閉位置，同時(shí)膜片控制器的上腔連通壓力水，下腔則與閥門(mén)進(jìn)口端的低壓相通。水泵啟動(dòng)后，閥門(mén)進(jìn)口壓力逐漸升高，同時(shí)壓力水通過(guò)閥門(mén)進(jìn)口端的連接管緩慢進(jìn)入膜片控制器下腔，實(shí)現(xiàn)主閥板的緩慢開(kāi)啟，開(kāi)啟速度可通過(guò)控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。水泵停機(jī)時(shí)，閥門(mén)進(jìn)口的壓力降低，當(dāng)接近零流量時(shí)，主閥板在自身重力作用下迅速關(guān)閉。因閥門(mén)進(jìn)口端壓力降低，閥門(mén)出口端的壓力水通過(guò)連接管進(jìn)入膜片控制器上腔，下腔水通過(guò)閥門(mén)進(jìn)口端的連接管壓回至閥門(mén)進(jìn)口端，緩閉閥板緩慢關(guān)閉，慢關(guān)時(shí)間可通過(guò)控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。主閥板的速閉和緩閉閥板的緩閉符合給水系統(tǒng)的兩階段關(guān)閉規(guī)律，因此能有效地削減水錘壓力峰值。

　　連接管的附件設(shè)計(jì)：微止回閥的作用是保證閥門(mén)開(kāi)啟的時(shí)間大于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，使電機(jī)輕載啟動(dòng)；閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況壓力設(shè)定�？刂崎y可調(diào)節(jié)進(jìn)出膜片控制器上下腔的水流速度，從而調(diào)節(jié)緩閉時(shí)間；在水泵正常運(yùn)行時(shí)也可手動(dòng)操作該閥來(lái)啟閉閥門(mén)。過(guò)濾器是保證膜片控制器上下腔中水的清潔度。由于閥門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程中水流是往復(fù)進(jìn)出的，本身具有反沖洗的作用，因此也可用于介質(zhì)較差的情況。

　　多功能水泵控制閥主閥板的開(kāi)啟是由管道中的水流沖擊力大小決定的，流速高時(shí)主閥板開(kāi)啟度大，流速減小時(shí)閥板開(kāi)啟度��；流速接近于零時(shí)，主閥板關(guān)閉。整個(gè)過(guò)程與消除水錘的兩階段關(guān)閉原理相吻合，因此消除水錘效果很好。

　　多功能水泵控制閥緩閉閥板的關(guān)閉，是在膜片式控制器上下腔形成壓力差后方能實(shí)現(xiàn)，即主閥板關(guān)閉后，緩閉閥板方能關(guān)閉，因此不會(huì)出現(xiàn)緩閉與速同步的現(xiàn)象。

　　3 應(yīng)用實(shí)例

　　安康鐵路水廠改造工程：

　　設(shè)計(jì)水泵揚(yáng)程80m，地形高差68.4m，設(shè)計(jì)流量850m3/h，管口徑DN400，管長(zhǎng)為6.0km，設(shè)計(jì)流速0.50—1.20m/s，C=980.4m/s，水錘波相長(zhǎng)T為 12.2s，Ts=2.25T=30s時(shí)，理論上，產(chǎn)生間接水錘的峰值為1.34Mpa，安裝多功能水泵控制閥后，產(chǎn)生的停泵水錘壓力峰值為0.98Mpa；安裝普通止回閥停泵水錘壓力峰值則為1.88MPa.據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，安裝JD745X—10DN400多功能水泵控制閥，緩閉時(shí)間為30s時(shí)，停泵壓力峰值為0.95 MPa，小于1.20 Mpa，而原配置為電動(dòng)蝶閥和微阻緩閉蝶閥，停泵壓力峰值為1.2～1.4MPa.停泵后水泵最大反轉(zhuǎn)速度為600r/min，與原配置相同。經(jīng)多處實(shí)踐使用證明，多功能水泵控制閥具有良好的水錘防護(hù)作用。

　　主要參考文獻(xiàn)

　　1.黃  靖 羅建群  多功能水泵控制閥  中國(guó)給水排水，1999，15（2）

　　2.Wylie E B.  Strecter V L.  Fluid Transients， Mc-Graw-Hill Co. 1978

　　3.謝水波 陳勝兵 等 停泵水錘計(jì)算直接迭格式與電算方法，水利學(xué)報(bào)，2001，（6）：80-85