多功能水泵控制閥工作原理

一、結構
　　控制閥的結構見圖1（圖示為關閉狀態）。
　　控制閥結構的主要特點是取消了閥座中間的定位機構和閥 瓣上側的彈簧，而且在閥瓣的下
側設計了導流板，zui大限度減少了介質過流時的機械損失和閥 瓣下側穹腔內的旋渦損失。以
缸體內的活塞作驅動元件，在介質自身壓力作用下帶動閥瓣作 上下運動，實現閥的開啟或關
閉?；钊?、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。
　　以電磁閥換向機構（下稱電磁閥）和壓力管路組成伺服系統， 取控制閥兩端的壓力水為驅動
源，通過電信號指令，任意一端的壓力水都能實現水泵控制閥 在設定的時刻和速度執行泵的
開啟或關閉。

　　二、泵的運行特性與控制閥的功能特點、工作原理
　　1.泵的啟動特性及其控制
　　a）離心泵的零流量啟動特性及其控制（即關閥啟動）
　　離心泵在零流量工況時軸功率zui小，為額定軸功率的30％－ 90％，所以離心泵的啟動特性
是零流量啟動（即關閥啟動）。待泵至額定轉速之后控制閥按 設定的速度緩慢開啟。
　　工作原理：泵啟動時（前）壓力水經過設有延時的電磁閥流向 缸體內活塞上腔，而活塞下腔
通過缸體下端經電磁閥通向大氣，此時控制閥處于關閉狀態。
　　電動機補償啟動結束，泵正常運轉,電磁閥即執行換向指令 ,切斷活塞上腔壓力水源、關閉
缸體下端通向大氣的回路，同時將壓力水經電磁閥注入缸內活 塞下腔、打開活塞上腔通向大
氣的回路，活塞上腔的水經電磁閥排出閥外，控制閥按設定的 速度緩慢開啟，完成并滿足了
離心泵在零流量時軸功率zui小的啟動特性，保證泵機組的安全 運轉。
　　b）軸流泵的大流量啟動特性及其控制（即全開閥啟動）
　　軸流泵在零流量工況時軸功率zui大，為額定軸功率的140％ ～200％，所以軸流泵的啟動特
性應是大流量啟動（即全開閥啟動）。
　　工作原理：控制閥滿足軸流泵全開閥啟動的工作原理是離 心泵關閥啟動的逆運行，即電磁
閥先工作，將閥全開后，泵再啟動。參閱a）條，不贅述。
　　軸流泵啟動前，這時閥的進口壓力為零，控制閥利用閥出 水端的介質壓力將閥開啟，而離
心泵啟動時是利用閥進水端的介質壓力將閥開啟。無論閥的哪 一端介質都能實現控制閥的開
或啟，這是水泵控制閥功能的重要特征之一。
　　c）控制混流泵的啟動特征
　　混流泵在零流量工況時軸功率介于上述兩種泵之間，為額 定功率的100％～130％，所以混
流泵的啟動特性也應是上述兩種泵之間，一般可選擇泵啟動與 控制閥的緩慢開啟同步進行。
　　工作原理：工作原理與控制離心泵零流量啟動特性相同， 只要取消電磁閥的延時設置即可
。
2.停泵及其控制
　　a）控制離心泵的零流量停泵（即先關閥后停泵）
　　對于離心泵，先緩慢關閉控制閥，然后再停泵的重要性在 于：這時管內介質流速由額定流
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 的發生和泵的逆轉；泵的軸功
率由額定功率逐漸降至zui小的運行功率，有利于機組安全。
　　工作原理：需要停泵時，只要先切斷電磁閥的控制電源， 電磁閥即執行換向指令，關閉活
塞下腔的壓力水源和活塞上腔通大氣的回路，同時開啟活塞上 腔的壓力水源和活塞下腔通大
氣的回路，即以進口壓力水作驅動源，緩慢關閉控制閥，等控 制閥全關閉后，通過限位開關
指令泵即停止運轉，全過程為自動控制。
　　控制閥緩閉時間可以通過節流閥的調節在5～60s范圍內或根 據用戶需要進行選擇。
　　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容相仿， 不贅。
　　3.改變裝置特性（即流量無級調節功能）
　　改變裝置特性屬于對泵運行工況調節的范疇，zui常用的是 節流法，也稱閥門調節法，利用
開大或關小閥門的開度；改變泵裝置中的阻力系數ξ，從而使 管路的供水特性H=F（Q）發生變
化，以達到調節流量的目的。
　　控制閥從全閉至全開之間，閥的開度可以無級調節，由開 度顯示器顯示開度，并予以記憶
和穩定。
　　工作原理：
　　a）流量由小調大
　　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 開啟，同時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閉，這時閥瓣緩慢開啟 ，達到設定流量時，控制電路
即按指令將活塞上、下腔與大氣相通的回路關閉，同時將活塞 上、下腔壓力水
注入管路開啟，這時活塞上、下兩側總壓力相等，活塞處于靜 止，整個缸體內成為密閉狀態
，穩定了閥的開度，并由開度顯示器顯示開度。
　　b）流量由大調小
　　是a）條的逆運作，不贅。
　　上述控制電路的指令可由限位開關執行，也可設小型的電 控箱執行，兩者都能實現自動控
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絡故障或強雷電保護性跳閘等 停泵現象，此類停泵的概率不到
停泵總次數的1％，但因此而產生的水錘對管網及供水機組具 有破壞性，應予以重視。
　　a）停泵水錘的物理現象
　　本文不是討論管道中的水錘，只是為了便于對控制閥減小 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停泵水錘的物理現象作簡單的述 說。
　　
式中H——產生水錘時的水擊力（m水柱）；
　　C——水錘波傳播速度，若暫時不考慮介質、管
壁材料的彈性系數和管壁厚度，近似取
C=1000m／s；
　　g——重力加速度，9．81m/s;
　　Vo——水錘發生前介質流速（m／s）；
　　Vt——水錘發生時介質流速（m／s）。
　　從式4－1可以看出發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，出現微觀的高壓
區和低壓區，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：
　　
式中L——輸水管長度（m）。
　　若閥門關閉時間為T關，則T關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，閥門前正在發展的增壓過程，會受到復壓波的 干擾而被削弱。ΔH的大小與干
擾程度和干擾次數有關。
　　從以上簡述中可知，控制閥不能避免意外突然停泵時水錘 的發生，但可以根據輸水管道長
度，通過對閥門關閉時間的調節，將直接水錘轉化為間接水錘 使ΔH降為zui小，保證輸水管道
和泵機組的安全。
　　b）閥門關閉時間的調節
　　目前水泵控制閥常用的關閉時間調節方法有兩種，要指出 的是本文所指的調節方法是水泵
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，詳見本文第三章“結論”部分。
　　c）兩階段關閥（即先快速關閥后慢速關閥）
　　這種關閥形式可以防止停泵水錘的發生，至于快速關閥的 時間，也應與管道的長度相匹配
，兼顧水泵反轉速度和倒流水量大小，滿足消除停泵水錘的要 求。
　　d）勻速關閥
　　這種關閥的特點是能根據各種不同長度的輸水管道和選擇 復壓波的往返次數，調節不同的
關閥時間，恒滿足T關>L/500s的條件。大幅度削弱突然停泵水錘 的水擊力，適應性較兩階段
關閥為廣，足以滿足GB/T50265－97《泵站設計規范》中關于反轉 速不應超過額定轉速的
1.2倍，持續時間不應超過2min的要求。
　　水泵控制閥的上述兩種方法都由電磁閥自動控制。
　　5.選擇壓力源的機動性大
　　電磁閥的伺服機構設計為雙向同時取壓，經單向閥分配， 由一條壓力較高輸液管中的水為
壓力源注入電磁閥。無論是進水端的壓力水還是出水端的壓力 水，都能單獨執行控制閥的開
啟或關閉。
　　正因為有該功能的存在，使水泵控制閥能滿足各種水泵的 啟動、停泵等運行特性要求的可
能。其重要還在于：當輸送介質為渾濁水，不能作驅動源需要 外供壓力源時，只要一條伺服
管路即可實現控制閥的所有功能。
　　6.節能
　　將過流介質的能耗控制在zui小，是水泵控制閥的一項重要 課題。我們抽樣了某些通徑的控
制閥作了實驗，得出下列實驗公式供讀者參考：
　　阻力系數ξ以下列公式確定：
當DN≤250時   ξ=14．68×V1.1339（7－1）　　
當DN>250時   ξ=10．97×V1.1339（7－2）
式中ξ——阻力系數；
　　V——介質流速（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——介質流速（m／s）；
　　g——重力加速度g=9．81（m／s2）。
　　經檢測，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、結論
　　具有控制水泵運行特性功能的閥門才稱為水泵控制閥，這 是顯而易見的。
　　本文第二章第1節《泵的啟動特性及其控制》中的a）、b）、c） 條；第2節《停泵及其控制》
中的a），b）條；第3節《改變裝置特性》中的a），b）條；第4節《 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轉特性所要求的技 術條件，也是泵本身運轉特性
要求閥門來控制的內容，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別于各
種類型止回閥或其它閥門質的界定。
　　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 通過下面舉例予以說明：
　　若不具備第2節a）條中先關閥后停泵的功能，對離心泵來說 ，所有停泵都變為意外突然停泵
，占停泵總數99％以上的正常停泵，并可以避免水錘和泵逆轉 發生的安全性化為烏有，多么
危險。
　　若不具備第2節和第3節的功能，則只有泵的啟動才能實現閥 的開啟、泵的關閉才能實現閥
的關閉，很明顯這是泵在控制閥門工作，失去了控制閥的“控 制”實質，更難理解為水泵控
制閥了。
　　若不具備第3節無級調節流量的功能，一旦泵的運行工況中 因阻力偏小，流量過大時，不但
使泵偏離zui率區耗能，而且因軸功率劇增超載而損壞機組 。所以水泵控制閥應具有以上功能。