多功能水泵控制阀的水锤防护特性及其应用

    1 引言
    水锤控制是给水管道系统设计的一项重要内容。水锤的形成与阀门的迅速关闭/开启有关，由于阀门关闭/开启时间Ts与水锤波的相长T的差异，表现为直接水锤和间接水锤两种形式。
    当Ts﹤T时，在阀门关闭过程中，反射回来的水锤波尚未到达阀门时，阀已关闭，水锤波所产生的压强增高值无干扰作用，这种水锤称为直接水锤，阀门开状态与关闭状态刚好相反，装有普通止回阀的供水系统中常常产生直接水锤。
    当Ts﹥T时，在阀门关闭过程中，反射回来的水锤波到达阀门时，阀门尚未完全关闭，水锤波导致的压强增值受到了干扰，水锤峰值被削减，这种水锤称为间接水锤。在同一条件下，直接水锤比间接水锤的危害性要大得多，危害最大的是断流弥合水锤。株洲南方阀门制造有限公司生产的多功能水泵控制阀，就是通过控制阀门的关闭状态，造成间接水锤的形成条件来实现管道系统的水锤防护的。
    2 水锤波增压值的理论计算
    给水系统水锤波的压力峰值P为水泵的额定扬程P1和水锤压力增值△P的迭加值即：
    P=P1+△P                       （1）
    （1）直接水锤压力增值△P
    按儒可夫斯基公式，可以计算供水系统中发生直接水锤时的压力增值△P
    (2)
    △P—直接水锤的压力增值，Kpa；
    V0—水锤产生前管道中的平均流速，m/s；
    V—水锤产生后管道中的平均流速，m/s；
    （3）
    式中，K：水的弹性模量，N/m2；K=2.04  ×105N/cm2­；
    E：管壁材料的弹性模量，N/m2，钢管或钢筋混凝土管，EO=2.04×107N/cm2
    D：供水管的直径，mm；           δ：供水管的管壁存度，mm；
    CO=K/ρ，在密度为ρ，弹性模量为K的无边界液体介质中声音的传递速度，对于水，CO=1425m/s。
    从式（2）可以看出，当管道材料及其所输送的介质确定以后，直接水锤的压力增值△P，是管径和流速的函数，△P=f（V，1/D），直接水锤的压力增值△P随着流速的增大而增大，随着管径的增加而减小。因而在工程设计中可以通过降低流速即增大管径来降低水锤的危害。
    （2）间接水锤压力增值△P1的计算
    间接水锤的压力增值计算比较复杂，可按流体力学公式进行计算
    △P=T/Ts·△P
    (4) △P'—间接水锤时的水压增值，Kpa ；
    由于发生间接水锤时，Ts﹥T，由式（4）可知，△P'﹤△P，即同样条件下间接水锤较直接水锤的水锤压力峰值要小。当阀门的关闭（开启）时间Ts，水锤波的相长T确定之后，可以按（4）式直接计算间接水锤的压力增值。在实际选用水泵多功能阀时，当直径大于DN800时，一般以Ts=(1.3-1.5)T，Ts≯2.0T为宜。当管道直径较小、管道不长时，Ts可以适当加大，闭阀历时Ts可以是水锤相T=2L/C的2-10倍，把实际水锤压力P限定在安全范围内。可通过调节阀门启闭动作时间（3~120s），使计算水锤压力峰值小于1.5倍水泵工作压力。这一点不同于液控缓闭阀，液控缓闭阀是通过快关、慢关两阶段实现的，在快关阶段，关闭角度大，约为60-80%，而时间很短，为1-2s；在慢关阶段，关闭角度小。关闭时间太长，容易引起压力管道中的水大量倒流，使水泵反转速度超过允许值，或者造成压力管道中的水柱被快速拉断，部分管段出现真空，甚至产生断流弥合水锤。
    2、多功能水泵控制阀的水锤控制过程
    多功能水泵控制阀是一种新型的水力控制阀门，一阀可同时替代现行水泵压水管上的电动蝶（闸）阀、单向阀和水锤消除器，并能自动实现开泵时的缓开（准软启动），停泵时的速闭/缓闭，基本上可以实现现行液控缓闭阀的功能，即两阶段关阀过程，有效地防止水锤事故的产生，但它无任何电气控制动力或外力油压系统。在阀体设计上还采用了宽阀体流线型设计，有效地降低了水流阻力。
    多功能水泵控制阀的水锤防护过程：水泵启动前，阀门出口端压力作用在主阀板上，主阀板处于关闭位置，同时膜片控制器的上腔连通压力水，下腔则与阀门进口端的低压相通。水泵启动后，阀门进口压力逐渐升高，同时压力水通过阀门进口端的连接管缓慢进入膜片控制器下腔，实现主阀板的缓慢开启，开启速度可通过控制阀进行调节。水泵停机时，阀门进口的压力降低，当接近零流量时，主阀板在自身重力作用下迅速关闭。因阀门进口端压力降低，阀门出口端的压力水通过连接管进入膜片控制器上腔，下腔水通过阀门进口端的连接管压回至阀门进口端，缓闭阀板缓慢关闭，慢关时间可通过控制阀进行调节。主阀板的速闭和缓闭阀板的缓闭符合给水系统的两阶段关闭规律，因此能有效地削减水锤压力峰值。
    连接管的附件设计：微止回阀的作用是保证阀门开启的时间大于电机启动时间，使电机轻载启动；阀门开启时间可根据现场工况压力设定。控制阀可调节进出膜片控制器上下腔的水流速度，从而调节缓闭时间；在水泵正常运行时也可手动操作该阀来启闭阀门。过滤器是保证膜片控制器上下腔中水的清洁度。由于阀门在开启过程中水流是往复进出的，本身具有反冲洗的作用，因此也可用于介质较差的情况。
    多功能水泵控制阀主阀板的开启是由管道中的水流冲击力大小决定的，流速高时主阀板开启度大，流速减小时阀板开启度小；流速接近于零时，主阀板关闭。整个过程与消除水锤的两阶段关闭原理相吻合，因此消除水锤效果很好。
    多功能水泵控制阀缓闭阀板的关闭，是在膜片式控制器上下腔形成压力差后方能实现，即主阀板关闭后，缓闭阀板方能关闭，因此不会出现缓闭与速同步的现象。
    3 应用实例
    安康铁路水厂改造工程：
    设计水泵扬程80m，地形高差68.4m，设计流量850m3/h，管口径DN400，管长为6.0km，设计流速0.50—1.20m/s，C=980.4m/s，水锤波相长T为12.2s，Ts=2.25T=30s时，理论上，产生间接水锤的峰值为1.34Mpa，安装多功能水泵控制阀后，产生的停泵水锤压力峰值为0.98Mpa；安装普通止回阀停泵水锤压力峰值则为1.88MPa。据现场测试，安装JD745X—10DN400多功能水泵控制阀，缓闭时间为30s时，停泵压力峰值为0.95MPa，小于1.20Mpa，而原配置为电动蝶阀和微阻缓闭蝶阀，停泵压力峰值为1.2~1.4MPa。停泵后水泵最大反转速度为600r/min，与原配置相同。经多处实践使用证明，多功能水泵控制阀具有良好的水锤防护作用。