全通徑偏心半球閥在水廠的應(yīng)用及成效

范 漳，莫瓊芬，陳 虹，黃婷婷，陳海松

(深圳市深水龍崗水務(wù)集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518055)

止回閥是一類依靠流體介質(zhì)或外部驅(qū)動(dòng)開啟，閥瓣自身重量及介質(zhì)壓力關(guān)閉，阻斷介質(zhì)倒流的閥門。在給水廠中一般用于送水泵房，在水泵機(jī)組突發(fā)停機(jī)后，止回閥自動(dòng)關(guān)閉，防止管路中水向水泵機(jī)組倒流，避免水泵、電機(jī)倒流，在保護(hù)泵站機(jī)組安全的同時(shí)，防止管內(nèi)水流外泄。在送水泵房的應(yīng)用中，止回閥還需具有快開、緩閉功能，以防止水錘對管道及水泵機(jī)組產(chǎn)生破壞，該類閥門的選型還關(guān)系到水泵機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，對水泵機(jī)組能耗、維護(hù)等工作也有重要影響[1-2]。因此，送水泵房止回閥需具有防水錘功能穩(wěn)定、水損小、密封性好、密封副不易磨損、操控簡易等特點(diǎn)。

目前，多功能水泵控制閥及液控雙速閘閥在給水廠送水泵房應(yīng)用較多。但這兩種閥門在使用中均存在明顯不足：多功能水泵控制閥雖然閉閥啟泵、停泵止回的功能穩(wěn)定，閥門運(yùn)行簡單便捷，但由于結(jié)構(gòu)原因，其水頭損失大，造成水泵機(jī)組能耗增加，且閥腔內(nèi)膜片老化后，也對緩閉功能造成影響；液控雙速閘閥雖然水頭損失小，防水錘功能穩(wěn)定，但其組成部件較多，各部件均易出現(xiàn)故障情況，如液壓缸密封損壞、閥座密封圈損壞、電磁換向閥故障等，閥門整體維護(hù)工作量較大。

全通徑偏心半球閥的偏心球閥結(jié)構(gòu)以及智能液控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能確保其運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)、可靠、智能，使其用作止回閥時(shí)能有效保障水泵機(jī)組及管路安全。目前，國內(nèi)對全通徑偏心半球閥在給水廠中應(yīng)用的研究較少，本文將對其在泵后止回的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)及探討，以期提供技術(shù)借鑒。

1 止回閥使用現(xiàn)狀

深圳東部某水廠送水泵房水泵機(jī)組所使用的止回閥為多功能水泵控制閥。使用至今，該多功能水泵控制閥控制腔內(nèi)膜片壓板受損，在停泵時(shí)，膜片上下兩腔連通，不能起到緩慢關(guān)閉閥板的作用，致使發(fā)生水錘現(xiàn)象，且該水泵控制閥依靠水壓開啟，水損較大，造成水泵電機(jī)能耗的額外消耗。

對比多功能水泵控制閥與液控雙速閘閥，全通徑偏心半球閥更能確保送水泵房機(jī)組及管路的安全。全通徑偏心半球閥由閥體及液控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩部分組成。通過設(shè)置液控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作模式，可分快速和慢速兩階段啟閉閥門，實(shí)現(xiàn)閥門緩閉、止回等多種功能，增強(qiáng)防水錘功能穩(wěn)定性，確保水泵及管路安全運(yùn)行。閥體的偏心、雙密封、雙向浮動(dòng)閥座設(shè)置，確保閥門穩(wěn)定關(guān)閉，能提升密封可靠性，延長閥門使用壽命。閥門全開時(shí)，閥體流道與管道完全對齊，閥門水損極小，水泵機(jī)組額外消耗能量大幅降低。液控系統(tǒng)具有閥門狀態(tài)監(jiān)控、異常事件報(bào)警等多項(xiàng)功能，閥門運(yùn)行更加智能。

2 改造措施

2.1 技術(shù)優(yōu)勢分析

全通徑偏心半球閥相較于傳統(tǒng)多功能水泵控制閥、液控雙速閘閥在送水泵房泵后止回的應(yīng)用，具有更安全、更經(jīng)濟(jì)、更可靠、更智能的4項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢，具體如下。

(1)不同工況變速啟閉，閥門自密封性能良好，水泵管路更安全

全通徑偏心半球閥配備液控驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)，能與泵站中控系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)閥門與水泵機(jī)組的聯(lián)動(dòng)。液控驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)斷電自動(dòng)關(guān)閥，閥門立即快關(guān)至80%，然后緩慢關(guān)閉剩余的20%，既可迅速截?cái)嗨鞣乐顾玫罐D(zhuǎn)，又不會(huì)產(chǎn)生關(guān)閥水錘，確保水泵機(jī)組和管道安全。同時(shí)，油路狀態(tài)和閥門速度均可反饋至PLC，以實(shí)現(xiàn)閥門高精度啟閉控制。針對該水廠每天高低峰供水時(shí)段頻繁的水泵啟停操作，有效加強(qiáng)了泵房水泵機(jī)組與管路的安全。液控驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 液控驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)Fig.1 Control System of Hydraulic Driving Device

全通徑偏心半球閥在閥軸的回轉(zhuǎn)中心與球體密封面中心設(shè)置偏心距，依靠偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在閥門關(guān)閉時(shí)，管道中的水壓可使球冠緊緊地壓在閥座上，水壓越大，密封效果也越好，閥門具有良好的自密封性，保障閥門關(guān)閉時(shí)水泵機(jī)組的安全性。閥門關(guān)閉結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 閥門關(guān)閉結(jié)構(gòu)Fig.2 Valve Closing Structure

(2)全通徑流道設(shè)計(jì)，閥門水頭損失極小，水泵運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)

由于全通徑偏心半球閥的偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥門在全開時(shí)，球冠和閥座均隱藏在高速水流區(qū)域之外，閥體流道與管道完全對齊，不僅對流道無阻擋，而且也無流道縮小/擴(kuò)大/彎曲情況，閥門水損極小。閥門全開結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 閥門全開結(jié)構(gòu)Fig.3 Valve Fully Open Structure

(3)軟硬雙密封、偏心結(jié)構(gòu)、浮動(dòng)閥座設(shè)計(jì)，使閥門使用更可靠

全通徑偏心半球閥軟硬雙密封結(jié)構(gòu)使得密封副不易老化、不易磨損。球冠處的刀口設(shè)計(jì)，可使閥門在關(guān)閉過程中切斷雜物，確保閥門穩(wěn)定關(guān)閉，提升密封可靠性。軟硬雙密封結(jié)構(gòu)如圖4所示。

注：1—非金屬密封；2—金屬密封；3—球冠； 4—非金屬密封；5—金屬密封圖4 雙密封結(jié)構(gòu)Fig.4 Double Seal Structure

全通徑偏心半球閥的偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使半球閥在啟閉過程對閥座具有快速脫離和漸入擠壓的作用。在閥門開啟時(shí)，球體轉(zhuǎn)過3°～5°，球冠就會(huì)與閥座脫離；在閥門關(guān)閉時(shí)，球冠只有在最后階段，才與閥座接觸，降低了閥座與球冠之間的磨損，延長了半球閥使用壽命。偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 偏心結(jié)構(gòu)Fig.5 Eccentric Structure

全通徑偏心半球閥閥座前后均設(shè)彈簧，能夠確保球冠與閥座之間始終形成合理的密封壓力。雙向浮動(dòng)閥座的設(shè)置，使得閥座具有自動(dòng)補(bǔ)償功能，即使密封面經(jīng)過長時(shí)間使用產(chǎn)生一定的磨損，也能自動(dòng)補(bǔ)償，避免了更換閥座，從而有效提高了閥門的使用壽命，減少了閥門維護(hù)工作量，延長了閥門檢修周期。在閥門開啟時(shí)，雙向浮動(dòng)閥座的設(shè)置能夠降低閥門的開啟力矩，相較于固定閥座結(jié)構(gòu)能夠?qū)㈤y門的整體開關(guān)力矩下降10%～15%，使得閥門啟閉更加便捷。雙向浮動(dòng)閥座結(jié)構(gòu)如圖6所示。

注：1—浮動(dòng)間隙；2—彈簧；3—球冠；4—閥座圖6 雙向浮動(dòng)閥座Fig.6 Two Way Floating Seat

(4)系統(tǒng)狀態(tài)全面監(jiān)控，閥門運(yùn)行更智能

液控驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)可對液壓站、閥門、鋰電池、電氣系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控狀態(tài)更加全面，出現(xiàn)油壓過低、油位過低、閥門故障、電源消失等故障時(shí)，能發(fā)出故障信號(hào)至用戶。出現(xiàn)如閥位漂移、油泵過熱等常見故障時(shí)可自動(dòng)嘗試修復(fù)。液壓控制系統(tǒng)管理流程如圖7所示。

圖7 液控系統(tǒng)檢測管理Fig.7 Function of Hydraulic Control System

2.2 改造方案

送水泵房作為將清水加壓輸送至給水管網(wǎng)的構(gòu)筑物，其出水水流具有高流速、高壓力等特點(diǎn)，而水泵機(jī)組根據(jù)生產(chǎn)調(diào)度情況，需經(jīng)常進(jìn)行啟停水泵操作。因此，水泵機(jī)組后的止回閥需具有防水錘功能穩(wěn)定、水損小、密封性好、密封副不易磨損、操控簡易等特點(diǎn)，以起到安全、經(jīng)濟(jì)、可靠、智能等作用。

針對傳統(tǒng)止回閥在結(jié)構(gòu)及運(yùn)行上存在的不足，深圳東部某水廠采用全通徑偏心半球閥替代傳統(tǒng)的止回閥。全通徑偏心半球閥由閥體及液控驅(qū)動(dòng)裝置兩部分組成，通過液壓驅(qū)動(dòng)油缸動(dòng)作，控制閥門啟閉，通過設(shè)置液控驅(qū)動(dòng)裝置動(dòng)作模式，可分快速和慢速兩階段啟閉閥門，實(shí)現(xiàn)緩閉、止回等多種功能。相較于多功能止回閥與雙速閘閥，全通徑偏心半球閥具有更安全、更經(jīng)濟(jì)、更可靠、更智能的特點(diǎn)，讓其應(yīng)用于泵后止回時(shí)更具優(yōu)勢。

3 改造成效

結(jié)合全通徑偏心半球閥的優(yōu)勢，該水廠對4#機(jī)組止回閥進(jìn)行更換，在使用全通徑偏心半球閥后，相關(guān)對比結(jié)果如下。

3.1 壓力

水廠在水泵機(jī)組流量均為2 300 m3/h時(shí)，對4#機(jī)組改造前多功能水泵控制閥、改造后全通徑偏心半球閥的閥門前后水壓進(jìn)行測量，實(shí)測數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 閥門前后水壓對比Fig.8 Comparison of Water Pressure before and after the Valve

由圖8可知：原多功能水泵控制閥閥后壓力為0.265 6 MPa時(shí)，閥前壓力為0.281 9 MPa，水頭損失約為1.63 m；更換液控止回全通徑偏心半球閥后，閥后壓力為0.268 2 MPa時(shí)，閥前壓力為0.269 7 MPa，水頭損失約為0.15 m。在閥后壓力相近條件下，安裝液控止回全通徑偏心半球閥可使閥前壓力降低4.33%，水頭損失降低90.8%。

由全通徑偏心半球閥結(jié)構(gòu)及閥門啟閉方式可知，可實(shí)現(xiàn)閥門水頭損失大幅降低的原因有兩點(diǎn)：一是液控系統(tǒng)能主動(dòng)驅(qū)動(dòng)閥門開啟，避免由水壓開啟閥門造成的水頭損失；二是閥門在全開時(shí)，球冠和閥座均隱藏在高速水流區(qū)域之外，閥體流道與管道完全對齊，能最大程度地減少水頭損失和球體磨損。

3.2 能耗

為進(jìn)一步考察水損對運(yùn)行能耗的影響，以及進(jìn)行全通徑偏心半球閥投資改造回報(bào)周期，水廠對全通徑偏心半球閥及多功能水泵控制閥能耗進(jìn)行了對比。閥門消耗能量與水頭損失滿足式(1)～式(2)。

ΔW×ηκ×3 600×1 000=ΔE

(1)

其中：ΔW——水泵被止回閥損失的能量，kW·h；

η——水泵機(jī)械效率，η=0.78；

κ——水泵電機(jī)效率，κ=0.93；

ΔE——水流經(jīng)過閥門時(shí)損失的能量，J。

ΔE=mgΔh=24×Q×1 000×g×Δh

(2)

其中：Q——過閥流量，m3/h，Q=2 300 m3/h；

g——重力加速度，N/kg，g=10 N/kg；

Δh——過閥水頭損失，m。

以1 d(24 h)為核算單位，分別將多功能止回閥的Δh=1.63 m和全通徑偏心半球閥的Δh=0.15 m代入計(jì)算，水泵機(jī)組額外能耗及額外電費(fèi)成本對比如圖9所示。

圖9 水泵機(jī)組能耗對比Fig.9 Comparison of Energy Consumption of Water Pump Unit

由圖9可知，多功能水泵控制閥24 h水泵機(jī)組額外消耗能耗ΔW多=344.5 kW·h/d，全通徑偏心半球閥24 h水泵機(jī)組額外消耗能耗ΔW球=31.7 kW·h/d，單位泵機(jī)組全年預(yù)計(jì)節(jié)約電費(fèi)8.79萬元，預(yù)計(jì)4年即可收回全通徑偏心半球閥改造投資。

3.3 維護(hù)工作量

考慮到液控雙速閘閥在用作泵后止回閥時(shí)，水頭損失同樣較小，能減少水泵機(jī)組的額外能耗功能，水廠對比了全通徑偏心半球閥與液控雙速閘閥的維修情況，如表1所示。該水廠在實(shí)施偏心半球閥改造后，至今已使用近兩年，使用過程中未出現(xiàn)故障及維修情況。而另一座使用液控雙速閘閥的水廠，1～4號(hào)水泵機(jī)組雙速閘閥均為2012年安裝，從安裝后的第3年開始，幾乎每年都會(huì)對廠內(nèi)液控雙速閘閥進(jìn)行大修。

液控雙速閘閥出現(xiàn)高維修情況的原因，可能是使用年限較長的閥門各部件老化，但其閥門本身由于組成部件較多，也造成其所需維護(hù)工作量大：雙速閘閥閥體啟閉行程偏長，液壓缸內(nèi)活塞密封件易出現(xiàn)密封不良的問題，造成液壓缸內(nèi)上腔和下腔均存在驅(qū)動(dòng)介質(zhì)，最終導(dǎo)致閥門無法關(guān)嚴(yán)出現(xiàn)漏水的情況、閥門開啟也無法開到最大限位，需對液壓缸內(nèi)活塞進(jìn)行更換；閥體底部凹槽與閘板限位，在長時(shí)間振蕩后，會(huì)發(fā)生位移，情況嚴(yán)重時(shí)需對閥板進(jìn)行更換；閥體底部凹槽易累積顆粒物，加速密封副磨損，發(fā)生電磁換向閥故障頻率高等問題，均增加閥門以維護(hù)工作量。

表1 液控雙速閘閥維修情況Tab.1 Maintenance of Hydraulic Double-Speed Gate Valve

對比液控雙速閘閥維修情況可知，全通徑偏心半球閥基于偏心結(jié)構(gòu)、軟硬雙密封、雙向浮動(dòng)閥座和智能化液控驅(qū)動(dòng)等結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，使其在使用過程中維護(hù)工作量極少，相較于液控雙速閘閥應(yīng)用于泵后止回時(shí)更安全、更可靠。

4 結(jié)論

雖然全通徑偏心半球閥應(yīng)用于水廠送水泵房時(shí)存在造價(jià)高、占地大等不足，但針對送水泵房現(xiàn)普遍采用止回閥存在的結(jié)構(gòu)與實(shí)際運(yùn)行中的問題，結(jié)合全通徑偏心半球閥水損小、密封性能好、防水錘功能穩(wěn)定等優(yōu)勢，其應(yīng)用于送水泵房送水泵機(jī)組仍具有較好的實(shí)踐效果，具體如下。

(1)送水泵房泵機(jī)組止回閥需具有快開、緩閉功能，閥門整體運(yùn)行情況需安全、經(jīng)濟(jì)、可靠、智能，以有效保護(hù)管道及水泵安全。多功能水泵控制閥、液控雙速閘閥因其啟閉方式、結(jié)構(gòu)組成等不足，在送水泵機(jī)組應(yīng)用中存在諸多問題。

(2)相較于多功能水泵控制閥與液控雙速閘閥，全通徑偏心半球閥基于其偏心結(jié)構(gòu)、軟硬雙密封、雙向浮動(dòng)閥座和智能化液控驅(qū)動(dòng)等結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，使其在應(yīng)用于泵后止回時(shí)具有水損小、磨損小、易操作、易維護(hù)等優(yōu)勢，閥門整體運(yùn)行更加安全、經(jīng)濟(jì)、可靠、智能。

(3)送水泵機(jī)組使用全通徑偏心半球閥后，可使閥前壓力降低4.33%，水頭損失降低90.8%，可減少水泵機(jī)組額外能耗312.8 kW·h/d，預(yù)計(jì)每年單臺(tái)水泵機(jī)組節(jié)約電耗近8.79萬元/組。