自力控制阀关阀优化模拟研究

自力控制阀能够进行开泵时的缓开，停泵时的速闭、缓闭，拥有与液控蝶阀相同的功能，即两阶段关闭过程，可以对水锤现象进行有效防护。

将表6.2中的数据输入HAMMER软件换算成不同阀门开度下的阀门相对流量系数，用于不同关阀控制的模拟，结果如表6.3所示。

首先对快关时间以及角度进行模拟优化，快速关闭的时间不应大于泵出口无水锤防护情况下停泵流量为零的时间。根据无水锤防护停泵模拟计算结果可知，停泵后泵后流量降为0的时间为5.3s左右，因此选定5s为快关时间进行模拟。快关角度分别定为60°、70°、80°、90°。总关阀时间初步定为60s，验证该角度下水泵是否能保证安全以及满足《泵站设计规范》要求。总关阀时间的确定需要满足水泵在倒转时的条件，即离心泵最高反转速度不应超过额定转速的1.2倍，超过额定转速的持续时间不应超过2min。通过模拟发现：在总关阀时间为60s时，最高反转速度不超过额定转速的1.2倍的情况，满足规范要求。

表6.3　自力控制阀不同相对封闭度对应的相对流量系数

改变快关角度的模拟结果如图6.10～6.13所示。

图6.10　60°快速关阀角度模拟结果

图6.11　70°快速关阀角度模拟结果

图6.12　80°快速关阀角度模拟结果

图6.13　90°快速关阀角度模拟结果

表6.4　不同快速关阀角度模拟结果

由图6.10至图6.13及表6.4可以看出，随着快速关阀的角度增加，管道中的最大升压增大，而水泵的最大反转转速有所降低。这是由于关阀角度的增大导致阀门流阻系数增大，引起阀后压力的上升，同时流量系数减小，倒流流量减小，水泵的反转转速也随之降低。由此可得，管道最大升压与快关角度成正比，水泵最大反转转速与快关角度成反比，同时增大快关角度能够在一定程度上降低管道内产生的蒸汽体积。当快关角度增大到90°时，管道中的最大水锤压力超过了水泵工作压力1.3倍，会对泵及管道造成威胁。综合考虑选择80°作为快关角度，其最大水锤压力为2124.7kPa，同时其最大水泵反转转速为正常转速的0.83倍，符合规范要求。

在确定快关时间与角度之后进行慢关时间的模拟选优。设定快速关闭时间为5s，快速关闭角度为80°，分别对总关阀时间30s、40s、50s、60s、70s、80s、90s进行模拟，模拟结果如图6.14～6.19所示。(www.xing528.com)

图6.14　总关阀时间30s模拟结果

图6.15　总关阀时间40s模拟结果

图6.16　总关阀时间50s模拟结果

图6.17　总关阀时间70s模拟结果

图6.18　总关阀时间80s模拟结果

图6.19　总关阀时间90s模拟结果

表6.5　阀门不同总关闭时间模拟结果

图6.20　水锤最大压力和水泵最大反转转速与阀门总关闭时间关系图

由图6.14至图6.19及表6.5可以看出，随着阀门关阀总时间的增加，管道中水锤最大压力逐渐减小，但水泵的最大反转转速有所增大。这是由于随着时间的推移，管道中的压力波动逐渐减小，关阀所引起的管道升压也会随之降低，但管道倒流一直存在，水泵反转转速会有所增加。由此可得管道水锤最大压力与阀门慢关时间成反比，水泵最大反转速与阀门慢关时间成正比。随着阀门慢关时间的延长，可以有效地预防停泵水锤的高压，但从图6.20可看出，在阀门总关阀时间超过70s后，随着关阀时间的不断延长，管道中的最大升压的降低趋势变得非常缓慢，对于工程的实际意义不大，且会增加水泵反转的时间，对水泵的安全性造成隐患。因此综合考虑后，选择70s作为最终总关阀时间。

综上所述，最终选定5s快关80°关阀总时间70s作为最优关阀控制方案，能够降低突然停泵所产生的水锤升压，但不论采用哪种关阀控制方案，管道的负压都没有很好的改善，只单一使用自力控制阀作为水锤防护手段无法对管道停泵水锤进行足够的保护，还需增加空气阀来消除管道中的负压。