多功能水泵控制閥的功能特征

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(lái)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(guò)
對(duì)其結(jié)構(gòu)、主要功能、工作原理的剖析，提出對(duì)上述問(wèn)題的看 法，供讀者參閱。
　　一、結(jié)構(gòu)
　　控制閥的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1圖示為開(kāi)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，zui大限度減少了介質(zhì)過(guò)流時(shí)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(dòng)元件，在介質(zhì)自身壓力作用下帶動(dòng)閥瓣作 上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閥的開(kāi)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(dòng)
源，通過(guò)電信號(hào)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(shí)刻和速度執(zhí)行泵的
開(kāi)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(dòng)特性及其控制
　　a離心泵的零流量啟動(dòng)特性及其控制即關(guān)閥啟動(dòng)
　　離心泵在零流量工況時(shí)軸功率zui小，為額定軸功率的30％－ 90％，所以離心泵的啟動(dòng)特性
是零流量啟動(dòng)（即關(guān)閥啟動(dòng)。待泵至額定轉(zhuǎn)速之后控制閥按 設(shè)定的速度緩慢開(kāi)啟。
　　工作原理：泵啟動(dòng)時(shí)前壓力水經(jīng)過(guò)設(shè)有延時(shí)的電磁閥流向 缸體內(nèi)活塞上腔，而活塞下腔
通過(guò)缸體下端經(jīng)電磁閥通向大氣，此時(shí)控制閥處于關(guān)閉狀態(tài)。
　　電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償啟動(dòng)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(shí)將壓力水經(jīng)電磁閥注入缸內(nèi)活 塞下腔、打開(kāi)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(kāi)啟，完成并滿足了
離心泵在零流量時(shí)軸功率zui小的啟動(dòng)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(dòng)特性及其控制即全開(kāi)閥啟動(dòng)
　　軸流泵在零流量工況時(shí)軸功率zui大，為額定軸功率的140％ ～200％，所以軸流泵的啟動(dòng)特
性應(yīng)是大流量啟動(dòng)即全開(kāi)閥啟動(dòng)。
　　工作原理：控制閥滿足軸流泵全開(kāi)閥啟動(dòng)的工作原理是離 心泵關(guān)閥啟動(dòng)的逆運(yùn)行，即電磁
閥先工作，將閥全開(kāi)后，泵再啟動(dòng)。參閱a條，不贅述。
　　軸流泵啟動(dòng)前，這時(shí)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(kāi)啟，而離
心泵啟動(dòng)時(shí)是利用閥進(jìn)水端的介質(zhì)壓力將閥開(kāi)啟。無(wú)論閥的哪 一端介質(zhì)都能實(shí)現(xiàn)控制閥的開(kāi)
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(dòng)特征
　　混流泵在零流量工況時(shí)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(dòng)特性也應(yīng)是上述兩種泵之間，一般可選擇泵啟動(dòng)與 控制閥的緩慢開(kāi)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(dòng)特性相同， 只要取消電磁閥的延時(shí)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(duì)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(shí)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zui小的運(yùn)行功率，有利于機(jī)組安全。
　　工作原理：需要停泵時(shí)，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(shí)開(kāi)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(dòng)源，緩慢關(guān)閉控制閥，等控 制閥全關(guān)閉后，通過(guò)限位開(kāi)關(guān)
指令泵即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，全過(guò)程為自動(dòng)控制。
　　控制閥緩閉時(shí)間可以通過(guò)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(wú)級(jí)調(diào)節(jié)功能
　　改變裝置特性屬于對(duì)泵運(yùn)行工況調(diào)節(jié)的范疇，zui常用的是 節(jié)流法，也稱閥門調(diào)節(jié)法，利用
開(kāi)大或關(guān)小閥門的開(kāi)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=FQ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(kāi)之間，閥的開(kāi)度可以無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，由開(kāi) 度顯示器顯示開(kāi)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(kāi)啟，同時(shí)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(shí)閥瓣緩慢開(kāi)啟 ，達(dá)到設(shè)定流量時(shí)，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(shí)將活塞 上、下腔壓力水
注入管路開(kāi)啟，這時(shí)活塞上、下兩側(cè)總壓力相等，活塞處于靜 止，整個(gè)缸體內(nèi)成為密閉狀態(tài)
，穩(wěn)定了閥的開(kāi)度，并由開(kāi)度顯示器顯示開(kāi)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(kāi)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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)停泵水錘的物理現(xiàn)象作簡(jiǎn)單的述 說(shuō)。
　　
式中H——產(chǎn)生水錘時(shí)的水擊力（m水柱）；
　　C——水錘波傳播速度，若暫時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(kāi)始時(shí)的首層液面 此時(shí)為復(fù)壓波，這個(gè)往返過(guò)程
所需時(shí)間t可用下式表示：
　　
式中L——輸水管長(zhǎng)度（m）。
　　若閥門關(guān)閉時(shí)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
為間接水錘時(shí)，閥門前正在發(fā)展的增壓過(guò)程，會(huì)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(jiǎn)述中可知，控制閥不能避免意外突然停泵時(shí)水錘 的發(fā)生，但可以根據(jù)輸水管道長(zhǎng)
度，通過(guò)對(duì)閥門關(guān)閉時(shí)間的調(diào)節(jié)，將直接水錘轉(zhuǎn)化為間接水錘 使ΔH降為zui小，保證輸水管道
和泵機(jī)組的安全。
　　b）閥門關(guān)閉時(shí)間的調(diào)節(jié)
　　目前水泵控制閥常用的關(guān)閉時(shí)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(jiàn)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(shí)間，也應(yīng)與管道的長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(guò)額定轉(zhuǎn)速的
1.2倍，持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過(guò)2min的要求。
　　水泵控制閥的上述兩種方法都由電磁閥自動(dòng)控制。
　　5.選擇壓力源的機(jī)動(dòng)性大
　　電磁閥的伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙向同時(shí)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(wú)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(kāi)
啟或關(guān)閉。
　　正因?yàn)橛性摴δ?/a>的存在，使水泵控制閥能滿足各種水泵的 啟動(dòng)、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(dòng)源需要 外供壓力源時(shí)，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(guò)流介質(zhì)的能耗控制在zui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(shí)   ξ=14．68×V1.13397－1　　
當(dāng)DN>250時(shí)   ξ=10．97×V1.13397－2
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=9．81m／s2。
　　經(jīng)檢測(cè)，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(jiàn)的。
　　本文第二章第1節(jié)《泵的啟動(dòng)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(lái)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(guò)下面舉例予以說(shuō)明：
　　若不具備第2節(jié)a條中先關(guān)閥后停泵的功能，對(duì)離心泵來(lái)說(shuō) ，所有停泵都變?yōu)橐馔馔蝗煌１?br />，占停泵總數(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(xiǎn)。
　　若不具備第2節(jié)和第3節(jié)的功能，則只有泵的啟動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)閥 的開(kāi)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(wú)級(jí)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(guò)大時(shí)，不但
使泵偏離zui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。