無底閥充水裝置研究進展

許曉花

摘 要：通過對現(xiàn)有的水泵無底閥充水的相關(guān)文獻進行研究和分析發(fā)現(xiàn)，無底閥充水發(fā)展較早，但在研究方向上，主要集中在節(jié)能效果和無底閥水箱結(jié)構(gòu)研究，隨著計算機的發(fā)展，無底閥充水逐漸趨于自動化。雖然無底閥水箱結(jié)構(gòu)多樣，節(jié)能效果較好且易操作，但也存在一些問題：研究多為結(jié)構(gòu)設(shè)計，缺乏無底閥水箱參數(shù)研究;采用無底閥充水時水箱內(nèi)易出現(xiàn)大量氣泡;采用無底閥充水裝置時，水箱第1次灌水量無定量資料。同時對未來相關(guān)研究趨勢進行了預(yù)測：無底閥充水裝置參數(shù)研究;關(guān)于無底閥充水裝置中水箱內(nèi)兩相流研究。

關(guān)鍵詞：水泵;無底閥充水;節(jié)能

中圖分類號：S27 ? ? ? 文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200430023

水泵在石油、煤礦、給排水與農(nóng)業(yè)灌排中是最常用的液體輸送機械，根據(jù)統(tǒng)計，全國發(fā)電量的20%用于泵類機械的運轉(zhuǎn)。在水泵運行中，水泵效率低、能耗大、能源浪費嚴重等問題突出，其中，泵效率較國外先進水平低3%～5%，而整個水泵站的運行效率較之低20%左右，導(dǎo)致能源利用率較低。隨著機械化的發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐步向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，在農(nóng)業(yè)工程中離心泵的需求量巨大[1，2]。

目前，離心泵常用的充水方法是在水泵進水管處加裝底閥。水泵啟動前，底閥因自身重力呈關(guān)閉狀態(tài)，確保水泵進水管與水泵在充水過程中充水排氣，待水泵開啟后，因水泵進口與水池水面出現(xiàn)壓力差，水泵進水管中出現(xiàn)吸力使底閥開啟，停泵后因吸力消失而重新關(guān)閉，防止停泵時泵進水管內(nèi)水流倒流入水池中。但其缺點是底閥水頭損失較大，影響水泵的裝置效率。此外，離心泵底閥因安裝于水面以下，隨著使用時間增加，淤泥的積聚及水草等雜物容易導(dǎo)致底閥堵塞，甚至有可能在水錘的作用力下被擊碎，導(dǎo)致水泵出水困難，水流不連續(xù)，同時由于底閥關(guān)閉不嚴，進水管內(nèi)水流進入水池，再次運行時會導(dǎo)致水泵失效，損壞水泵。底閥檢修費時費力，且檢修之后易再次出現(xiàn)問題，需要再次檢修。為解決水泵充水以及加設(shè)底閥所帶來的問題，相關(guān)學者們發(fā)現(xiàn)無底閥裝置相較于其它裝置能較好地解決這2個問題。無底閥充水裝置即是水泵在運行時不加設(shè)底閥，而采用特定的充水裝置代替底閥，既能保證水泵運行前充水和密封性，且造價低，操作方便。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 節(jié)能效果研究

因底閥安裝在進水管底端，阻力系數(shù)大，能量損失嚴重，嚴重影響水泵運行效率，且底閥檢修時困難，人們開始考慮尋找替代底閥的裝置。1976年，四川省為降低民眾使用水泵時的費用，同時方便操作，將水泵底閥去除作為一項技術(shù)進行普及，去掉底閥后水泵出水量增加，揚程得到有效提高，且操作簡便，成本降低[3]。20世紀80年代，肖功寬對供水站采用無底閥抽水后的出水流量和揚程進行分析，出水流量提高6.1%，經(jīng)濟效益提高[4]。四川省眉山縣水電局在單吸泵上采用水箱引水式無底閥抽水裝置進行充水，底閥去除后水泵的出水量增加、單方水能耗下降、水泵效率提高[5]。楊濟川對煤礦排水中采用離心泵無底閥排水的技能效果和優(yōu)點進行了評價[6]。郭仁寧將取消底閥后的成本和效率進行了經(jīng)濟性分析，發(fā)現(xiàn)取消底閥存在節(jié)能效果[7]。董繼良對無底閥裝置的經(jīng)濟效益進行了分析，發(fā)現(xiàn)采用無底閥裝置能夠減少材料損耗，節(jié)約電能，提高設(shè)備使用壽命[8]。

1.2 無底閥抽水方法

取消底閥的節(jié)能效果明顯，經(jīng)濟效益大且操作簡便，因此人們提出了各種各樣的無底閥抽水方法。張顯一列舉了水泵無底閥吸水的2個方式，即噴射系和真空罐吸水方式[11]，并對真空罐吸水方式優(yōu)點進行介紹，該方式操作簡單，易實現(xiàn)水泵自動化。肖功寬對當時已有的抽水方式和操作方法進行簡單的闡釋和說明，通過總結(jié)后將其分為3種：水氣置換法、抽真空法和水射器引水法[9，10]。在水氣置換法中水桶式無底閥和水箱式無底閥為現(xiàn)階段較為常用的充水方式，工作原理見圖1。

通過引水排氣閥6將水箱內(nèi)灌水，隨后關(guān)閉閥門，水泵開啟后，因水泵離心力作用，葉輪旋轉(zhuǎn)時水流被甩出葉輪，同時葉輪進口處形成真空，水箱2中的水因水泵內(nèi)真空通過水泵進水管3進入水泵，同時因水泵進口與吸水管1所在水面形成壓力差，水從吸水管1進入水箱2，從而形成連續(xù)抽水。

隨著研究的發(fā)展，無底閥抽水采用最多的為水氣置換法，人們針對無底閥抽水裝置中水箱提出了各種各樣的看法，無底閥抽水裝置的設(shè)計和改造[12-16]也趨于多樣，并逐漸廣泛地應(yīng)用于石油、煤礦、城市供水以及農(nóng)業(yè)灌排等方面，且隨著計算機的發(fā)展，無底閥充水逐漸自動化。在設(shè)計上水箱樣式主要為在長寬型箱體與長高型圓桶，水箱吸水管主要為分為2種，內(nèi)部設(shè)吸水管，圓桶型水箱主要采用內(nèi)部吸水管;外部設(shè)吸水管，該類吸水管口較第1種管口位置偏高，且大多數(shù)用于煤礦生產(chǎn)活動中。

1.3 無底閥水箱方法體積確定方法

無底閥裝置中水箱代替底閥，是水泵與水面連通的主要結(jié)構(gòu)。在第1次灌水啟動后，水箱中會仍留有部分水，且水箱內(nèi)會形成真空，待二次啟動時無需再次灌水。水泵在啟動后水箱壓力與水面壓力形成壓力差，為確保壓力差足夠維持水泵中水流連續(xù)穩(wěn)定，水箱容積主要有以下幾種方法計算：

根據(jù)水箱吸水管的容積確定水箱容積，水箱的容積應(yīng)大于吸水管容積的3倍以上[9，17]：

V=V管×K吸×K容

式中，V管為吸水管體積;K吸為水箱吸程變化;K容為容積系數(shù)，K容≥3。

根據(jù)使用經(jīng)驗，在正常壓力下水箱內(nèi)存水容積應(yīng)大于空氣容積的4倍，水箱最小容積為空氣容積的5倍，但其空氣容積必須小于水泵的最大允許氣蝕容積[18]。

通過所選的水泵參數(shù)，結(jié)合伯努利方程和柏馬定律得到水箱最小容積的計算公式：

Vmin=papa-γ（Hmax+h+v2/2g）[19]

式中，Pa為吸水井水面大氣壓，N/m3;Hmax為水泵的最大吸水高度，m;h為吸水管水頭損失，m;v為吸水管的流速，m/s;γ為水的重度，N/m3;g為重力加速度9.807m/s2。

根據(jù)流體機械能守恒原則，確定水箱最小容積的公式：

V=V1+V2PP0[20]，

式中，V1為吸水管容積;V2為最小留水容積，P0為大氣壓力，所需水箱壓力P。

2 現(xiàn)階段研究存在問題

水泵無底閥充水目前在煤礦排水中使用較多，但在農(nóng)業(yè)灌排中使用較少，通過研究可發(fā)現(xiàn)主要存在以下問題。

在無底閥充水裝置的相關(guān)研究中，研究方向側(cè)重于裝置中水箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并未涉及相關(guān)參數(shù)的研究，沒有較為全面的設(shè)計規(guī)范;無底閥充水裝置中水箱第1次灌水量在相關(guān)研究中并未涉及;無底閥充水裝置在運行時，水流進入水箱后因水體下墜會產(chǎn)生氣泡，當水箱內(nèi)水量過少時會造成水泵吸水管中出現(xiàn)氣液兩相流，影響水泵效率;無底閥抽水裝置成本低，使用便捷，但在農(nóng)村進行灌排時多采用人工充水法，無底閥充水裝置并未普及。

3 無底閥充水裝置研究的發(fā)展趨勢

水泵無底閥充水能夠有效地減少能耗，且無底閥充水裝置成本低，操作方便，易于實現(xiàn)自動化，針對發(fā)現(xiàn)的問題給出了一定的分析意見和看法。

無底閥充水裝置結(jié)構(gòu)簡單，雖然結(jié)構(gòu)設(shè)計多種多樣，但缺少對其相關(guān)參數(shù)的定量研究，針對不同水泵或是多臺水泵同時運行的情況，無底閥充水裝置的參數(shù)設(shè)計需要一定量的數(shù)據(jù)進行輔助參考，參數(shù)設(shè)計的理論體系與方法論研究仍待進一步發(fā)展。

無底閥充水裝置采用水氣置換進行充水，裝置首次運行時，水箱第1次灌水量影響水泵抽水連續(xù)性，需要進一步結(jié)合水泵相關(guān)參數(shù)進行試驗研究。

無底閥充水裝置在運行時，當水箱內(nèi)水量較少時會造成水泵進水管中出現(xiàn)氣液兩相流，在水泵進水管中含氣率超過15%時，水泵性能將急劇惡化，可能出現(xiàn)斷流，故需要對水泵運行時無底閥充水裝置內(nèi)水氣變化進行研究，進一步分析水泵進水管內(nèi)兩相流變變化。

完善水價制度，針對性宣傳無底閥充水的優(yōu)點，提高農(nóng)村民眾節(jié)水意識。

參考文獻

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（責任編輯 李媛媛）