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對引黃泵站加壓泵自控閥的分析意見

2018-02-22 17:37:01

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  加壓泵自控閥有何結構特點?水泵有什么運行特性需要閥門來控制?加壓泵自控閥能否滿足這些控制要求?通過(tōng guò)對加壓泵自控閥的結構、主要功能、工作原理及應用情況的剖析,提出對上述問題的看法,僅供參閱。
  1自控閥結構特點
  自控閥是由水過流腔、控制腔、閥板、閥桿、隔膜片及控制管路組成,控制腔由隔膜片分為上、下兩個腔,上、下兩腔通過控制管路分別與出水、進水管相連接,閥桿用螺母固定在隔膜片上,閥板安裝在閥桿的下部。隔膜片和閥桿是閥板的驅動元件,在自控閥進、出水壓力差的作用下帶動閥板上下運動,實現(xiàn)閥板的開啟或關閉。
  自控閥控制管路上設有調(diào)節(jié)閥,通過調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié),可以整定自控閥的開啟和關閉速度,以滿足加壓泵的啟動和停止。
  2加壓泵的運行特性與自控閥的功能特點
  2.1 加壓泵的啟動特性及其控制
  (1)加壓泵的零流量啟動特性及其控制(最優(yōu)啟動過程(guò chéng),即關閥啟動)。加壓泵在零流量工況時軸功率(指物體在單位時間內(nèi)所做的功的多少)最小,為額定軸功率的30%~130%,所以加壓泵的啟動特性是零流量啟動(即關閥啟動)。
  (2)引黃泵站加壓泵實際啟動過程。理想情況(Condition)是:自控閥密封良好,在加壓泵啟動前,自控閥出水管已充滿水。加壓泵啟動的同時,自控閥進水管水壓升高,壓力水通過控制管路進入控制腔下腔,當自控閥進水管水壓高于出水管水壓時,控制腔上腔排水,推動隔膜片和閥桿向上運動,閥板(由底板、梁等整體組成)在進、出水壓力差作用下緩慢開啟,開啟速度可通過控制管路調(diào)節(jié)閥整定,以滿足加壓泵的正常啟動時間要求。實際情況是:自控閥密封有滲水情況,目前清水系統(tǒng)(system)用水量小,加壓泵啟動時間間隔長,一臺加壓泵運行2h,可滿足機組主軸密封用水和排水泵潤滑用水1天,在加壓泵啟動前,自控閥出水管已無水。所以,在加壓泵啟動的同時,自控閥進水管水壓升高,壓力水通過控制管路進入控制腔下腔,推動隔膜片和閥桿向上運動,閥板在進水壓力作用下開啟,開啟速度比試驗整定速度快,所以出現(xiàn)部分加壓泵不能正常啟動(軟啟動過載報警)的情況。
  2.2 加壓泵的停泵特性及其控制(control)
  (1)加壓泵的零流量停泵(最優(yōu)停泵過程,即先關閥后停泵)。對于加壓泵應先緩慢關閉出水管控制閥,然后再停泵,其重要性在于:這時管內(nèi)介質(起決定作用的物質)流速由額定流速逐漸降至零,速度變化梯度極小,可有效地避免停泵水錘的發(fā)生和泵逆轉;泵的軸功率(指物體在單位時間內(nèi)所做的功的多少)由額定功率逐漸降至最小的運行功率,有利于水泵及管件安全??刂崎y緩閉時間可以通過(tōng guò)控制管調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)在5s~60s范圍內(nèi),或根據(jù)實際需要進行選擇。
  (2)引黃泵站加壓泵停泵過程(guò chéng)。理想情況為:按照CJ/T167-2002《控制(control)閥標準》規(guī)定(guī dìng),自控閥的閥板應包括緩閉閥板和主閥板,緩閉閥板與閥桿應連接緊固、可靠,緩閉閥板與主閥板的密封形式應采用金屬密封的形式,主閥板與閥桿必須滑動靈活、可靠。加壓泵停泵后,自控閥進水管水壓(特指:壓強)降低,當自控閥出水管水壓高于進水管水壓時,主閥板在進、出水壓力差作用下快速關閉,切斷大部分水流;同時,出水管壓力水通過控制管路進入控制腔上腔,控制腔下腔排水,推動隔膜片和閥桿向下運動,帶動緩閉閥板緩慢關閉,關閉速度可通過控制管路調(diào)節(jié)閥整定,以滿足加壓泵停泵后的反轉時間要求和水錘力要求。實際情況為:引黃泵站加壓泵自控閥的閥板只有一個主閥板,在閥桿上有三道槽溝和一個凸臺(代替緩閉閥板),加壓泵停泵后,自控閥進水管水壓降低;當自控閥出水管水壓高于進水管壓時,主閥板在進、出水壓力差作用下快速關閉,切斷大部分水流;同時,出水管壓力水通過控制管路進入控制腔上腔,控制腔下腔排水,推動隔膜片和閥桿向下運動,將主閥板與閥桿之間的流道緩慢關閉,關閉速度可通過控制管路調(diào)節(jié)閥整定,以滿足加壓泵停泵后的反轉時間要求和水錘力要求。但是,由于水質含堿性,易在閥桿上凝結固體物,使主閥板卡阻不靈活,起不到主閥板的作用,而是連同閥桿一起相當于只有一個緩閉閥板,在加壓泵停泵過程中不能及時切斷大量倒流水量,造成加壓泵嚴重反轉;在自控閥緩閉時,閥體過流腔也出現(xiàn)大流量、高流速的倒流水,因此,難免出現(xiàn)水錘力。而且,自控閥關閉時間越長,倒流水流速越高,水錘力越大。
  2.3 停泵水錘力的控制分析
  停泵產(chǎn)生的水錘力對管網(wǎng)、閥門及水泵具有破壞性,應予以重視。
  2.3.1 停泵水錘的物理現(xiàn)象
  引用茹可夫斯基水錘公式對停泵水錘的物理現(xiàn)象做簡單的述說。凱泉泵業(yè)開動前,先將泵和進水管灌滿水,水泵運轉后,在 葉輪高速旋轉而產(chǎn)生的離心力的作用下,葉輪流道里的水被甩向四周,壓入蝸殼,葉輪入口形成真空,水池的水在外界大氣壓力下沿吸水管被吸入補充了這個空間。繼而吸入的水又被葉輪甩出經(jīng)蝸殼而進入出水管。
  H=(Vo-Vt)Cg/9.81
  式中:H為產(chǎn)生水錘時的水擊力,kPa;C為水錘波傳播速度,若暫時不考慮介質、管壁材料的彈性系數(shù)和管壁厚度,近似取C=1000m/s;g為重力加速度,9.81m/s2;Vo為水錘發(fā)生前介質流速,m/s;Vt為水錘發(fā)生時介質流速,m/s。
  從上式可以看出發(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流速變化梯度的大小。在水泵運行時和停泵反轉過程中,水管中的水流方向是相反的,停泵后輸水管中的水流方向先因慣性作用向上流動,再以重力加速度向下流動。在此過程中,輸水管中的水會有一個零流速時刻,若此時自控閥的主閥板能很快關閉,切斷大部分水流,則產(chǎn)生的水錘力最小,水泵不會反轉或反轉時間較短。所以,廠家對 ;停泵時,自控閥關閉時間過快會導致水錘力的發(fā)生 ;的解釋不準確,相反,停泵后輸水管中的水會以VO=g2t水流速度向下流動,導致水泵反轉,而且自控閥關閉時間越長,水流速度越快,水泵反轉速度越快,自控閥關閉水流流速由VO降為零,產(chǎn)生水錘力越大。
  水錘力的產(chǎn)生過程: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、一層傳播至水錘開始時的首層液面(此時為復壓波),這個往返過程所需時間t可用下式表示:
  t=L/500s
  式中:L為輸水管長度,m。
  若閥門關閉時間為T關,則T關在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,閥門前正在發(fā)展的增壓過程(guò chéng)會受到復壓波的干擾而被削弱。凱泉泵業(yè)由此可見,若離心泵葉輪不斷旋轉,則可連續(xù)吸水、壓水,水便可源源不斷地從低處揚到高處或遠方。綜上所述,離心泵是由于在葉輪的高速旋轉所產(chǎn)生的離心力的作用下,將水提向高處的。ΔH的大小與干擾程度和干擾次數(shù)有關。
  引黃泵站加壓泵自控閥輸水管長度小于1000m,即T關大于2s就能躲過直接水錘,而不需要將關閉時間整定得過長。上海凱泉由于葉輪進口不可能形成絕對真空,因此離心泵吸水高度不能超過10米,加上水流經(jīng)吸水管路帶來的沿程損失,實際允許安裝高度(水泵軸線距吸入水面的高度)遠小于10米。
  從以上簡述中可知,自控閥不能避免停泵時水錘的發(fā)生,但可以根據(jù)輸水管道長度,通過對閥門關閉時間的調(diào)節(jié),將直接水錘轉化為間接水錘,使ΔH降為最小,保證輸水管道和加壓泵的安全。上海凱泉泵業(yè)集團有限公司是輸送液體或使液體增壓的機械。它將原動機的 機械能或其他外部能量傳送給液體,使液體能量增加,主要用來輸送液體包括 水、油、酸堿液、 乳化液、懸乳液和 液態(tài)金屬等,也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。
  2.3.2 自控閥關閉時間的調(diào)節(jié)
  自控閥的關閉時間是通過控制管路調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié),根據(jù)各種不同長度的輸水管道和選擇(xuanze)復壓波的往返次數(shù),調(diào)節(jié)不同的關閥時間,滿足T關>L/500s的條件,以削弱停泵水錘的水擊力,以滿足GB/T50265-97《泵站設計規(guī)范》中關于水泵反轉持續(xù)時間不應超過2min的要求。但反轉速度是否超過額定轉速的1.2倍,需要購買機械轉速表實測后進一步加以分析確定。由于加壓泵輸水揚程大,如果水泵反轉持續(xù)時間長,很可能造成水泵、電機反向飛車,嚴重損壞電機繞組、水泵轉輪和軸承。在運行過程中已出現(xiàn)過水泵、電機軸連接法蘭螺栓彈性墊圈損壞的情況(Condition)。
  2.4 水質對自控閥功能的影響
  水質不好會導致(cause)自控閥運行不靈。例如總干
  三、南干二等泵站取自深井的水,水質較差而且富含堿性,閥門(功能:截止、導流、穩(wěn)壓、分流等)如果較長時間不工作,則在閥門的閥桿、閥板上堆積很多白色的固體物,由于閥門配件的配合尺寸十分精密,固體物可造成閥桿、閥板卡阻而導致(cause)自控閥開啟和關閉不靈敏。根據(jù)加壓泵自控閥的實際運行情況,要保證自控閥的良好運行狀態(tài),每月需要對自控閥解體檢修清洗一次,如此短的檢修周期會大大縮短自控閥的使用壽命,而且配件不易購買,加之閥門不斷改進,所購買配件需進行車床加工后才能裝配,給維護檢修工作帶來困難。
  2.5 自控閥的閥板密封材料(Material)影響
  按照CJ/T167—2002《控制閥標準》規(guī)定,主閥板(由底板、梁等整體組成)與主閥板座的密封可采用金屬密封和非金屬密封兩種形式。上海凱泉泵業(yè)集團有限公司性能的技術參數(shù)有流量、吸程、 揚程、軸功率、水功率、效率等;根據(jù)不同的工作原理可分為 容積水泵、葉片泵等類型。 容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量; 葉片泵是利用回轉葉片與水的相互作用來傳遞能量,有 離心泵、 軸流泵和 混流泵等類型。引黃工程加壓泵自控閥不完全具備水泵控制閥的功能,即不是通過自控閥的開啟和關閉來控制加壓泵的啟動和停止,而是通過加壓泵的啟動和停止來控制自控閥的開啟和關閉,自控閥的開啟和關閉功能反過來直接影響(influence)加壓泵的運行特性,所以在關閉過程(guò chéng)中難免產(chǎn)生水錘力作用,使自控閥的密封損壞,在運行這種控制方式時,特別是高揚程的加壓泵自控閥,閥板密封不宜采用橡膠密封,而應采用金屬密封。
  3 自控閥工作情況(Condition)分析意見
  加壓泵自控閥不完全具有控制水泵運行特性的功能,即不能稱為水泵控制閥,這是顯而易見的。因為加壓泵自控閥不具備以下3個功能:加壓泵的零流量啟動特性及其控制,即關閥啟動;控制加壓泵的零流量停泵,即先關閥后停泵;改變裝置特性,即流量無級調(diào)節(jié)功能。這3種功能是屬于加壓泵運轉特性所要求的技術條件,還是加壓泵本身運轉特性要求閥門來控制的網(wǎng)站內(nèi)容,也是加壓泵控制閥的必要功能。這些必要功能是加壓泵自控閥區(qū)別于各種類型止回閥(check valve;reflux valve)或其他閥門質的界定。為什么不具備上述必要功能不能稱為加壓泵控制閥呢?這可以通過(tōng guò)下面舉例予以說明:
  不具備先關閥后停泵的功能,對加壓泵來說,所有停泵都變?yōu)橐馔馔蝗煌1?,難免水錘和泵逆轉的發(fā)生,安全性化為烏有,非常危險。
  不具備關閥啟泵和先關閥后停泵的功能,則只有加壓泵的啟動才能實現(xiàn)閥的開啟,加壓泵的關閉才能實現(xiàn)閥的關閉,很明顯這是加壓泵在控制自控閥工作,失去了控制閥的 ;控制 ;實質,更難理解為加壓泵控制閥了。
  不具備無級調(diào)節(jié)流量的功能,例如南干
  一、二級泵站消防水加壓泵在出水手動閘閥全開運行工況時,因阻力偏小,流量過大,不但使泵偏離最高效率區(qū)耗能,而且因軸功率劇增超載而損壞加壓泵、電機和軟啟動器。
  所以加壓泵自控閥應具有上述3種必要功能是必然的。加上水質影響,引黃泵站加壓泵不適合采用自控閥控制(control),否則清水系統(tǒng)(system)難以實現(xiàn)全自動控制。
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