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【摘 要】通过对东源自来水公司PSP供水管道在安装多功能水泵控制阀前与安装后的运行状况的比较,引出多功能水泵控制阀在供水安全方面与节能方面的应用,从而为分析功能与预防水锤提供依据。
【关键词】多功能;控制阀;PSP供水管道;水锤;水锤现象
The application of multifunction valves for controling pump in the water supply projects of PSP pipelines
Mu Xiao-hui
(Xinjiang Changyuan Zhundong water supply Co.LtdUrumqi Xinjiang 830000)
【Abstract】After the multifunction valves for controling pump of Dongyuan running-water company are installed, we compare the PSP pipelines' working status. It lead to the application of the controling valves in the field of water supply security and energy conservation, thus, offer proposales for analysing function and preventing water hammer.
【Key words】Multifunction; Controling valves; PSP pipelines; Water hammer
在泵站运行过程中,为使离心泵轻载启动,通常要求先关闭泵的出口阀门,再启动水泵机组,当其转速达设定转速以后,再逐渐打开出口电(手)动蝶(闸)阀;为了防止水倒流,产生停泵水锤,在泵的出口我们还需安装止回阀;由于普通旋启式止回阀的瞬时关闭常产生危及水泵系统的水锤事故,所以还要设置有效的水锤消除装置。
目前较多采用的是电动蝶(闸)阀配套机械止回阀来实现上述目的,但在现场使用过程中电(手)动蝶(闸)阀常出现关闭不严,电机烧坏和齿轮减速传动机构损坏等故障,加上机械止回阀适应范围窄,不能适应流量、压力的较大变化,造成供水管道爆管,影響正常安全供水。鉴于此 ,我们选择安装了多功能水泵控制阀,最大限度的减小了水锤对供水管道的威胁,提高了安全供水可靠率。
1. 多功能水泵控制阀
多功能水泵控制阀是一种新型水力控制阀门,一阀可替代电动蝶阀、闸阀、止回阀和水锤消除器三种装置。它能通过水压自动实现开泵时的缓开,停泵时的速闭与缓闭,无需任何电气控制与其它动力和人力,也无需油压装置。最大程度的减少了设备的投入与人员劳动强度,简化了操作与控制程序,同时简化了自动化控制程序,节约了自动化设备投入成本。
多功能水泵控制阀的主要优点有:
(1)无需操作控制,利用水泵启、停时阀门前后的水压差作为控制动力,具有随水泵的启闭而自动启闭的功能;
(2)阀门启闭动作过程能有效地因防止水锤压力波升高而产生的事故,据现场使用前后实测,停泵水锤压力峰值均在工作压力的1.3倍以内;
(3)无需人员调试与运行过程监控,降低了人员劳动强度;
(4)基本无需维修,由于一阀替代三阀,达到节能的目的且维护维修工作量大大减少;
(5)阻力损失小,采用流线型、宽阀体设计,阻力损失比国外同类产品降低50%以上,如DN200产品在v=2m/s的经济流速工况时,多功能水泵控制阀损失为0.7m,而国外同类产品为1.5m;
(6)简化了自动化(PLC)控制程序,使得自动化控制变得相对简单;
(7)由于不需要电控与液(油)控,达到无需运行过程监控的目的。
2. 多功能水泵控制阀的结构及工作原理
2.1 结构。
多功能水泵控制阀由主阀和外装附件组成(见图1,零件名称及材质见表1),主阀由阀体、膜片、阀杆组件、阀盖、主阀板、缓闭阀板、膜片座等主要零件组成,外装附件主要有控制阀、过滤器、排气阀、微止回阀、其中微止回阀是特制配件,在其止回方向设有限流孔。
图1 结构示意图
2.2 工作原理。
2.2.1 启闭过程示意图(水力控制正常工作过程)。
图2
图3
2.2.2 手动操作启闭。
在管路有压时,可手动操作控制管上的阀门和排气阀,实现阀门的手动操作启闭。
(1)开启进口控制管上阀门a,关闭出口控制管上阀门e,然后开启阀盖上排气阀d,这时P3为进口压力,P4=0主阀板被压力水托起而实现开启动作,并带动缓闭阀板和阀杆组件上升,阀门完全开启;
(2)开启出口控制管上阀门e,关闭进口控制管上阀门a,然后开启膜片座上排气阀f,这时P4为出口压力,P3=0因B的面积大于A的面积,主阀板、缓闭阀板被P4的压力向下推,主阀板、缓闭阀板被推至关闭的位置上,阀门完全关闭。
2.2.3 水泵启动前,阀门出口端压力作用在主阀板上,阀门处于关闭位置,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。
2.2.4 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。
2.2.5 水泵停机,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两阶段关闭规律,能有效地消除水锤。
3. 几个技术问题
3.1 连接管的部件设计。
微型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,同时避免因开阀速度过快而导致启泵水锤,阀门开启时间可由控制阀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,关闭时可检修膜片控制器,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。由于阀门在一个开启过程水流是往复进出的,本身具有反冲洗的作用,因此也可用于介质较差的工况。
3.2 阀门的消除水锤特性。
从产生破坏性水锤的原理可知,减小水锤升压主要有2个因素:(1)在刚被切断前的水流速度v尽可能小(接近于零)时关闭主阀板;(2)使闭阀历时t是水锤相u=2L/α(α—压力波传递速度,m/s;L—管长,m)的5~10倍,就可以把实际水锤压力h限定在安全范围内,从而消除破坏性的水锤危害。
多功能水泵控制阀主阀板的开启度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速闭原理相吻合,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,必须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,因此不可能产生缓闭与速闭同步的现象。
3.3 阀门的阻力特性。
为了减少水流阻力,生产商在设计时考虑减轻了主阀板的重量,同时采用了流线型宽敞的阀体设计。经湖南省水力机械质监授权站检测,DN200多功能水泵控制阀阻力系数约为3.8,而同规格管道的旋启式止回阀阻力系数值为5.5。
3.4 膜片的设计。
膜片的质量是直接影响阀门使用效果和使用寿命的关键部件,经过多种筛选,选用了氯丁橡胶为原材料,中间用尼龙纤维网进行加强;经湖南省橡胶质监授权站检测,疲劳弯曲65万次无破裂,可使用10年以上。
3.5 维修。
无其它外加液压或电动元件,基本无需维修,且采用宽型阀盖,可将阀内部件全部取出,维修方便。
4. 东源自来水公司实例
东源自来水公司位于新疆准东五彩湾煤电煤化工业园,在吉木萨尔县境内,是新疆昌源水务准东供水公司下属全资子公司,担负着五彩湾工业园前期建设的生产生活供水任务,它的供水安全至关重要,直接关系到整个园区工程建设的进程。
4.1 东源自来水公司工况。
东源自来水公司选用出口DN200铸钢管10米与DN250 PSP供水管连接,供水距离16公里,属一级加压供水,主泵两台(一用一备)选用三级离心泵,扬程129m,流量280 /h,出水管口径DN200,供水管径DN250,供水主管材PSP,供水距离16Km,高差18.8m,配套电机功率160千瓦,介质地下水。
PSP管道:是钢丝网骨架聚乙烯复合管简称PSP管,是以高强度钢丝左右螺旋缠绕成型的网状骨架为增强体,以高密度聚乙烯(HDPE)为基体,并用高性能的粘接树脂层将钢丝网骨架与内外高密度聚乙烯紧密连接在一起。该粘接树脂是一种高性能粘接材料,属于HDPE改性材料,与HDPE在加热条件下能完全熔融为一体,同时,其极性键与钢有极强的粘接性能,由于粘接树脂的使用,成功地解决了钢、HDPE间无连接因子的问题,具有更优良的复合效果。它结合了钢骨架聚乙烯复合管特点,借鉴了国外的管材复合技术,采用了优质材料和先进的生产工艺,使之具有更高的耐压性能,具备较高的抗水锤性能,鉴于此,我们通过比选,选择了该管作为主供水管材。
4.2 改造前运行情况。
2009年10月改造前,我们在主泵出口安装了电动闸阀一台,机械止回阀一台,在管道上安装有手动闸阀6台,并联进排气阀6台,建设阀门井6座,选用(实验加压4.8MPa打爆)DN250,PN1.6 MPaPSP管,全程自动化监控,主泵安全运行出口压力1.35MPa,根据需要,启停泵较为频繁。在安全运行不满2年时开始出现第一次爆管,后續间断性出现6次爆管。经过我们现场技术分析发现,造成如此频繁爆管不是管材原因,而是在频繁的启停泵过程中,水锤对管路冲击引起的。
4.3 技改后运行情况。
鉴于频繁爆管带来的诸多麻烦,经上网查询,多方咨询、论证后,我们选择安装了一台多功能水泵控制阀在主泵出口,同时拆除了原电动闸阀与机械止回阀。安装后,为了解决主泵配套电机大修后空载电流与不同频率情况下负载电流等的检测及该阀的运行状态监控问题,我们邀请公司与阀门厂家技术人员现场对以上问题进行了实验。实验结果表明,在需要测试空载与不同频率情况下电流的时候,可以通过调整多功能水泵控制阀进口控制管阀门a与出口控制管阀门e来实现该特殊状态下的要求,同时该阀是通过水压来控制,得出不需要进行运行状态监控的结论。
改造完成后通过试运行,我们发现,该阀通过压力设定在启、停泵过程中具备需要的延时功能,有效的预防了启、停泵水锤,彻底解决了频繁爆管的问题。同时减少了运行运行过程监控。由于减少了电动阀与机械式阀门,在程序上减少了自动化PLC监控流程,最大程度节约了设备的投入,达到了节能的目的。
4.4 技改后的计算与比较。
经试运行并结合理论计算,多功能水泵控制阀停泵压力峰值为0.98MPa,普通止回阀停泵压力峰值为1.88MPa。将多功能水泵控制阀、微阻缓闭蝶阀和普通止回阀三种设置情况正造成的停泵水锤结果列表比较如下表2:
从表2可以看出,多功能水泵控制阀对于消除停泵水锤有明显效果,完全符合《泵站设计规范》以及《水泵操作规程》;多功能水泵控制阀还能实现启泵缓慢开启,能够消除开泵水锤。
5. 结语
经过东源自来水公司现场使用证明,多功能水泵控制阀能有效地消除破坏性水锤,预防水锤现象,在提高供水系统安全可靠性上有显著特点,并且便于调试及安装,便于操作管理,维修量少,可以简化自动化控制程序,节约能源与设备投资,符合《2000年城市供水行业技术进步发展规划》中对供水设备自动化、机械化和现代化的要求,是泵站更新换代的新型阀门产品。
参考文献
[1] 金锥,姜乃昌,汪兴华,关兴旺,《停泵水锤及其防护》
[2] 《中国给水排水》
[3] 《阀门基础知识》
[4] 《阀门基知识大全》
[文章编号]1006-7619(2010)08-23-774
[作者简介] 母小辉(1970.8-),男,助理工程师,水利设计,新疆昌源水务准东供水有限公司。
【关键词】多功能;控制阀;PSP供水管道;水锤;水锤现象
The application of multifunction valves for controling pump in the water supply projects of PSP pipelines
Mu Xiao-hui
(Xinjiang Changyuan Zhundong water supply Co.LtdUrumqi Xinjiang 830000)
【Abstract】After the multifunction valves for controling pump of Dongyuan running-water company are installed, we compare the PSP pipelines' working status. It lead to the application of the controling valves in the field of water supply security and energy conservation, thus, offer proposales for analysing function and preventing water hammer.
【Key words】Multifunction; Controling valves; PSP pipelines; Water hammer
在泵站运行过程中,为使离心泵轻载启动,通常要求先关闭泵的出口阀门,再启动水泵机组,当其转速达设定转速以后,再逐渐打开出口电(手)动蝶(闸)阀;为了防止水倒流,产生停泵水锤,在泵的出口我们还需安装止回阀;由于普通旋启式止回阀的瞬时关闭常产生危及水泵系统的水锤事故,所以还要设置有效的水锤消除装置。
目前较多采用的是电动蝶(闸)阀配套机械止回阀来实现上述目的,但在现场使用过程中电(手)动蝶(闸)阀常出现关闭不严,电机烧坏和齿轮减速传动机构损坏等故障,加上机械止回阀适应范围窄,不能适应流量、压力的较大变化,造成供水管道爆管,影響正常安全供水。鉴于此 ,我们选择安装了多功能水泵控制阀,最大限度的减小了水锤对供水管道的威胁,提高了安全供水可靠率。
1. 多功能水泵控制阀
多功能水泵控制阀是一种新型水力控制阀门,一阀可替代电动蝶阀、闸阀、止回阀和水锤消除器三种装置。它能通过水压自动实现开泵时的缓开,停泵时的速闭与缓闭,无需任何电气控制与其它动力和人力,也无需油压装置。最大程度的减少了设备的投入与人员劳动强度,简化了操作与控制程序,同时简化了自动化控制程序,节约了自动化设备投入成本。
多功能水泵控制阀的主要优点有:
(1)无需操作控制,利用水泵启、停时阀门前后的水压差作为控制动力,具有随水泵的启闭而自动启闭的功能;
(2)阀门启闭动作过程能有效地因防止水锤压力波升高而产生的事故,据现场使用前后实测,停泵水锤压力峰值均在工作压力的1.3倍以内;
(3)无需人员调试与运行过程监控,降低了人员劳动强度;
(4)基本无需维修,由于一阀替代三阀,达到节能的目的且维护维修工作量大大减少;
(5)阻力损失小,采用流线型、宽阀体设计,阻力损失比国外同类产品降低50%以上,如DN200产品在v=2m/s的经济流速工况时,多功能水泵控制阀损失为0.7m,而国外同类产品为1.5m;
(6)简化了自动化(PLC)控制程序,使得自动化控制变得相对简单;
(7)由于不需要电控与液(油)控,达到无需运行过程监控的目的。
2. 多功能水泵控制阀的结构及工作原理
2.1 结构。
多功能水泵控制阀由主阀和外装附件组成(见图1,零件名称及材质见表1),主阀由阀体、膜片、阀杆组件、阀盖、主阀板、缓闭阀板、膜片座等主要零件组成,外装附件主要有控制阀、过滤器、排气阀、微止回阀、其中微止回阀是特制配件,在其止回方向设有限流孔。
图1 结构示意图
2.2 工作原理。
2.2.1 启闭过程示意图(水力控制正常工作过程)。
图2
图3
2.2.2 手动操作启闭。
在管路有压时,可手动操作控制管上的阀门和排气阀,实现阀门的手动操作启闭。
(1)开启进口控制管上阀门a,关闭出口控制管上阀门e,然后开启阀盖上排气阀d,这时P3为进口压力,P4=0主阀板被压力水托起而实现开启动作,并带动缓闭阀板和阀杆组件上升,阀门完全开启;
(2)开启出口控制管上阀门e,关闭进口控制管上阀门a,然后开启膜片座上排气阀f,这时P4为出口压力,P3=0因B的面积大于A的面积,主阀板、缓闭阀板被P4的压力向下推,主阀板、缓闭阀板被推至关闭的位置上,阀门完全关闭。
2.2.3 水泵启动前,阀门出口端压力作用在主阀板上,阀门处于关闭位置,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。
2.2.4 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。
2.2.5 水泵停机,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两阶段关闭规律,能有效地消除水锤。
3. 几个技术问题
3.1 连接管的部件设计。
微型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,同时避免因开阀速度过快而导致启泵水锤,阀门开启时间可由控制阀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,关闭时可检修膜片控制器,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。由于阀门在一个开启过程水流是往复进出的,本身具有反冲洗的作用,因此也可用于介质较差的工况。
3.2 阀门的消除水锤特性。
从产生破坏性水锤的原理可知,减小水锤升压主要有2个因素:(1)在刚被切断前的水流速度v尽可能小(接近于零)时关闭主阀板;(2)使闭阀历时t是水锤相u=2L/α(α—压力波传递速度,m/s;L—管长,m)的5~10倍,就可以把实际水锤压力h限定在安全范围内,从而消除破坏性的水锤危害。
多功能水泵控制阀主阀板的开启度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速闭原理相吻合,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,必须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,因此不可能产生缓闭与速闭同步的现象。
3.3 阀门的阻力特性。
为了减少水流阻力,生产商在设计时考虑减轻了主阀板的重量,同时采用了流线型宽敞的阀体设计。经湖南省水力机械质监授权站检测,DN200多功能水泵控制阀阻力系数约为3.8,而同规格管道的旋启式止回阀阻力系数值为5.5。
3.4 膜片的设计。
膜片的质量是直接影响阀门使用效果和使用寿命的关键部件,经过多种筛选,选用了氯丁橡胶为原材料,中间用尼龙纤维网进行加强;经湖南省橡胶质监授权站检测,疲劳弯曲65万次无破裂,可使用10年以上。
3.5 维修。
无其它外加液压或电动元件,基本无需维修,且采用宽型阀盖,可将阀内部件全部取出,维修方便。
4. 东源自来水公司实例
东源自来水公司位于新疆准东五彩湾煤电煤化工业园,在吉木萨尔县境内,是新疆昌源水务准东供水公司下属全资子公司,担负着五彩湾工业园前期建设的生产生活供水任务,它的供水安全至关重要,直接关系到整个园区工程建设的进程。
4.1 东源自来水公司工况。
东源自来水公司选用出口DN200铸钢管10米与DN250 PSP供水管连接,供水距离16公里,属一级加压供水,主泵两台(一用一备)选用三级离心泵,扬程129m,流量280 /h,出水管口径DN200,供水管径DN250,供水主管材PSP,供水距离16Km,高差18.8m,配套电机功率160千瓦,介质地下水。
PSP管道:是钢丝网骨架聚乙烯复合管简称PSP管,是以高强度钢丝左右螺旋缠绕成型的网状骨架为增强体,以高密度聚乙烯(HDPE)为基体,并用高性能的粘接树脂层将钢丝网骨架与内外高密度聚乙烯紧密连接在一起。该粘接树脂是一种高性能粘接材料,属于HDPE改性材料,与HDPE在加热条件下能完全熔融为一体,同时,其极性键与钢有极强的粘接性能,由于粘接树脂的使用,成功地解决了钢、HDPE间无连接因子的问题,具有更优良的复合效果。它结合了钢骨架聚乙烯复合管特点,借鉴了国外的管材复合技术,采用了优质材料和先进的生产工艺,使之具有更高的耐压性能,具备较高的抗水锤性能,鉴于此,我们通过比选,选择了该管作为主供水管材。
4.2 改造前运行情况。
2009年10月改造前,我们在主泵出口安装了电动闸阀一台,机械止回阀一台,在管道上安装有手动闸阀6台,并联进排气阀6台,建设阀门井6座,选用(实验加压4.8MPa打爆)DN250,PN1.6 MPaPSP管,全程自动化监控,主泵安全运行出口压力1.35MPa,根据需要,启停泵较为频繁。在安全运行不满2年时开始出现第一次爆管,后續间断性出现6次爆管。经过我们现场技术分析发现,造成如此频繁爆管不是管材原因,而是在频繁的启停泵过程中,水锤对管路冲击引起的。
4.3 技改后运行情况。
鉴于频繁爆管带来的诸多麻烦,经上网查询,多方咨询、论证后,我们选择安装了一台多功能水泵控制阀在主泵出口,同时拆除了原电动闸阀与机械止回阀。安装后,为了解决主泵配套电机大修后空载电流与不同频率情况下负载电流等的检测及该阀的运行状态监控问题,我们邀请公司与阀门厂家技术人员现场对以上问题进行了实验。实验结果表明,在需要测试空载与不同频率情况下电流的时候,可以通过调整多功能水泵控制阀进口控制管阀门a与出口控制管阀门e来实现该特殊状态下的要求,同时该阀是通过水压来控制,得出不需要进行运行状态监控的结论。
改造完成后通过试运行,我们发现,该阀通过压力设定在启、停泵过程中具备需要的延时功能,有效的预防了启、停泵水锤,彻底解决了频繁爆管的问题。同时减少了运行运行过程监控。由于减少了电动阀与机械式阀门,在程序上减少了自动化PLC监控流程,最大程度节约了设备的投入,达到了节能的目的。
4.4 技改后的计算与比较。
经试运行并结合理论计算,多功能水泵控制阀停泵压力峰值为0.98MPa,普通止回阀停泵压力峰值为1.88MPa。将多功能水泵控制阀、微阻缓闭蝶阀和普通止回阀三种设置情况正造成的停泵水锤结果列表比较如下表2:
从表2可以看出,多功能水泵控制阀对于消除停泵水锤有明显效果,完全符合《泵站设计规范》以及《水泵操作规程》;多功能水泵控制阀还能实现启泵缓慢开启,能够消除开泵水锤。
5. 结语
经过东源自来水公司现场使用证明,多功能水泵控制阀能有效地消除破坏性水锤,预防水锤现象,在提高供水系统安全可靠性上有显著特点,并且便于调试及安装,便于操作管理,维修量少,可以简化自动化控制程序,节约能源与设备投资,符合《2000年城市供水行业技术进步发展规划》中对供水设备自动化、机械化和现代化的要求,是泵站更新换代的新型阀门产品。
参考文献
[1] 金锥,姜乃昌,汪兴华,关兴旺,《停泵水锤及其防护》
[2] 《中国给水排水》
[3] 《阀门基础知识》
[4] 《阀门基知识大全》
[文章编号]1006-7619(2010)08-23-774
[作者简介] 母小辉(1970.8-),男,助理工程师,水利设计,新疆昌源水务准东供水有限公司。