泵站清水系统加压泵自控阀存在问题的原因分析

泵站清水系统加压泵自控阀存在问题的原因分析

刘国华

（中国水利水电第十工程局有限公司，四川，都江堰，611830）

摘要：通过对加压泵自控阀的结构特点、工作原理及存在问题的简述及分析，可供同类型系统水泵自控阀的设计、应用参考。

关键词：自控阀；结构；工作原理；分析。

1  引言

山西省万家寨引黄工程总干线一、二、三级泵站和南干线一、二级泵站清水系统全部采用厂外地下深井水，用深井潜水泵将地下深井水抽至地面的低位水池，用加压泵将水压至山坡上的高位清水池，与厂房形成压差再经管道送至主厂房供机组主轴密封用水及消防用水。每台加压泵出口设置一台自控阀，加压泵有何运行特性需要自控阀来控制，自控阀能否满足这些控制要求?通过对其结构特点、工作原理及应用情况的剖析，作一简述及分析，供参阅。
2  自控阀结构特点
　　引黄工程泵站清水系统加压泵采用JD745X　10～25系列自控阀，其结构见图1。

图1 引黄工程泵站清水系统加压泵自控阀结构图（≦DN400）

自控阀结构主要由水过流腔、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、下两个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作上下运动，实现阀板的开启或关闭。

自控阀控制管路上设有控制阀，通过控制阀的调节，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。

3  加压泵的运行特性与自控阀的功能特点及工作情况

3.1 加压泵的启动特性及其控制
3.1.1 加压泵的零流量启动特性

加压泵在零流量工况时轴功率最小，为额定轴功率的30％－50％,所以加压泵的最优启动特性是零流量启动，即关阀启动。

3.1.2 引黄泵站加压泵启动过程

在设计工况下，自控阀密封良好，在加压泵启动前，自控阀出水管充满水。加压泵启动时，自控阀进水管水压升高，压力水通过管路进入控制腔下腔，当自控阀进水水压高于出水水压时，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控制阀调节，以满足加压泵的正常启动时间要求。 但在运行过程中，自控阀密封有漏水情况，加上清水系统用水量小，加压泵启动间隔时间长，一台加压泵运行2小时，可满足1天用水，在加压泵启动前，自控阀出水管已无水。所以，在加压泵启动时，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，同时阀板在进水压力作用下开启，开启速度比试验调节速度快，导致部分加压泵因软启动过载报警及烧坏不能正常启动的情况。

对于过载不能正常启动的加压泵，只能先关出水管手动闸阀再启动，即关阀启动。

3.2 加压泵的停泵特性及其控制

3.2.1 加压泵的零流量停泵特性

加压泵零流量停泵，即先关阀后停泵，管内介质流速由额定流速逐渐降至零，速度变化梯度极小，可有效的避免停泵水锤的发生和泵的逆转；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。

3.2.2 引黄泵站加压泵停泵过程

按照<>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型式应采用金属密封的型式，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控制阀调节，以满足加压泵停泵后的反转时间和水锤力要求。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，只能连同阀杆一起缓闭，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，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。
3.3 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，应采取保护措施。
3.3.1 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作简单的述说。
　　H=(Vo - Vt)Cg                                 （1)

式中H——产生水锤时的水击力（m水柱）；
　　C——水锤波传播速度，若不考虑介质、管壁材料的弹性系数和管壁厚度，近似取C=1000m／s；
　　g——重力加速度，9.81m/s；
　　Vo——水锤发生前介质流速(m／s)；
　　Vt——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，水锤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贯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”解释不准确。相反，停泵后输水管中的水会以Vo=g

2t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，自控阀关闭水流流速由V0降为零，产生水锤力越大。

水锤力产生过程：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、二层……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、二层……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                                 （2)

式中L——输水管长度（m）。

若阀门关闭时间为T关，则在T关为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，而不需要关闭时间整定得过长。

从以上简析中可知，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。
3.3.2 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控制阀进行调节，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，使T关大于L/500s的条件，以削弱停泵水锤的水击力，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，需用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高，如果自控阀关闭失灵，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。

3.4 水质对自控阀的功能影响

水质不好会导致自控阀工作不可靠。如总干三、南干二等泵站，取自深井的水，水质较差而且碱性，阀门较长时间不工作，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，从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。

3.5 自控阀的阀板密封材料影响

按照<<CJ/T167-2002控制阀标准>>规定，主阀板与阀座的密封可采用金属密封和非金属密封两种型式。引黄工程加压泵自控阀采用非金属密封，由于在停泵关阀过程难免产生水锤力，使自控阀的非金属密封损坏而漏水，直接影响加压泵的正常启动。所以，引黄工程加压泵自控阀的阀板密封不宜采用非金属密封，而应采用金属密封。
4　自控阀的应用情况分析

自控阀不完全具有控制水泵运行特性的功能，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三种功能：

1)加压泵的零流量启动特性及其控制(即关阀启动)；

2)控制加压泵的零流量停泵（即先关阀后停泵）；

3)改变装置特性(即流量无级调节功能)。

以上三种功能是属于加压泵运行特性所要求的技术条件，也是加压泵运行特性要求阀门来控制的内容。这些功能是加压泵自控阀区别于各种类型止回阀或其它阀门质的界定。

为什么不具备上述必要功能不能称为加压泵控制阀呢?这可以通过以下事例说明：

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，难免水锤和加压泵逆转发生，存在安全事故隐患。

不具备关阀启泵和先关阀后停泵的功能，只有加压泵的启动才能实现阀的开启，加压泵的停止才能实现阀的关闭，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，不具备加压泵控制阀的功能。

不具备无级调节流量的功能，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，因扬程偏小，流量过大，不但使加压泵偏离高效率区，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三种功能是必要的。

加上水质和主阀板密封影响，引黄工程泵站清水系统加压泵不适应采用自控阀控制，否则，清水系统难以实现全自动控制。

作者简介：

刘国华（1977年），男，工程师，从事水电站机电安装、运行和检修技术、管理工作。