多功能水泵控制閥在煤峪口礦排水系統中的應用研究

高斌雪

（晉能控股煤業集團有限公司煤峪口礦，山西 大同 037003）

煤峪口礦屬于單一水平豎井開采，礦井深度為480 m，主要排水設備選用D450-60 型離心泵，級數為8 級，并采用電動閘閥FDZ45H—DN400 進行啟閉調節。該閥門啟閉迅速，可使閥門啟閉時間縮短，但是在應用中存在驅動裝置價格貴、結構復雜、控制復雜、安全可靠性低等問題。

1 多功能水泵控制閥的組成

多功能水泵控制閥為兩階段關閉閥門，可一閥替代逆止閥、電動閘閥、水錘消除器[1-5]。多功能水泵控制閥主要組成部分有主閥、外接管路。其中，主閥主要包括直流型結構的主閥腔和利用閥門進出口壓差對閥板運動調節的控制腔。外接管路組件組成有調節球閥、止回閥、濾網等，調節球閥對閥門進行緩開緩關閉是通過對閥板運動速度調節的；止回閥是通過節流效應，使水泵電機的啟動時長小于閥門的，從而完成輕載開啟電機。多功能水泵控制閥為大小雙閥板的閥板設計架構，運行中不再配套使用其他液壓控制裝備[6]，而是完全借助閥本身的進出口壓差進行啟泵緩開、停泵速閉和緩閉運動，保證閥門的安全可靠運行。結合煤峪口礦生產條件，選用型號為JD745X-10-DN400多功能水泵控制閥。

2 多功能水泵控制閥的動態性能模擬研究

運行中，通過閥門兩端的壓力差、介質當作控制力和驅動介質[7]來對多動能水泵控制閥進行啟閉。因此，其閥板的瞬間開啟力[8]F計算公式如下：

式中：f1和f2分別是在運動中閥板和控制腔膜片所受水阻力大小；G1是緩閉閥板、大閥板的分量；P1是出口管中閥門的水壓力大小；M和a分別是閥板的質量和初始加速度。

閥板在開啟中，進出口管路中水壓差會隨著流通面積的增大而持續下降[9]，所以，此時出水口管道中水壓會出現持續上升現象，又因為在啟動中增大了閥板的啟動速度，也為此增大了膜片與閥板之間的水阻力。因而，在一段區間內，閥板做加速度逐漸降低的加速運動，當受力平衡時，運動速度達到平穩狀態。最終閥蓋上的閥門閥桿和調節閥桿對接時，就完成多功能水泵控制閥門啟動過程。啟閉中，閥門膜片調節腔的排水速率大小會因其外接管路調節閥的開度大小產生影響。因此，模擬分析煤峪口礦用JD745X-10-DN400 多功能水泵控制閥的閥板在運行速度是0.01 m/s 和0.1 m/s 時，開啟和閉合閥門內部壓力和流速的變化情形。

（1）開啟過程

由于在閥板的作用下，多功能水泵控制閥閥門的緩閉閥板、大閥板同時啟動，因此，可將其作為整體動作過程[10]。進一步分析閥門進口流速與閥開口度在不同啟動速度下的變化規律，得到圖1 所示的曲線。圖中，當閥門緩開時，其進口流速變動幅度很小，且變化較為平穩；而在啟動速率較快時，閥門進口流速增大較快，且當流速不斷上升時，閥體內會產生強烈的湍流現象。

圖1 閥門開啟時的流速變化曲線

分析閥開口度和壓力大小在不同開啟速度下的變化規律，得到圖2 所示的曲線。圖中，當閥門緩開時，閥板受到的壓力降低的變動幅度相對平緩，所以盡管閥口周圍出現壓力減小的現象，但并沒有產生負壓，且流量變化也相對穩定，因此此時在運動中的閥板并沒有形成沖擊和噪音。當閥門快開時，閥板受到的壓力下降幅度較快，又因為各部位閥板受到的壓力大小差異，更易于損壞閥板。因此，對比圖1 和圖2 可發現，剛啟動閥板時，由于閥口附近流速過快，降低局部的壓力，產生負壓，此時隨著閥門開啟，閥板內會形成沖擊和噪音。

圖2 閥門開啟時的壓力變化曲線

（2）閉合過程

對比分析該控制閥兩閥板同時快速關閉、速閉—緩閉關閉進程，閥門的流量變化規律，得到圖3 所示的曲線。當兩閥板同時進行快速關閉時，在起初關閉過程，流量變動較為平緩，但在逐步關閉過程，閥體內流量的變化速度逐漸加大，導致管道壓力急劇產生變化，易形成水錘現象。當閥門速閉—緩閉關閉時，在起初關閉過程，流量下降較為明顯，到后期關閉閥門過程，流量下降速率緩慢直至徹底使閥門關閉，流量減到零。

圖3 閥門閉合時的流量變化曲線

綜上所述，煤峪口礦用多功能水泵控制閥，當閥門緩開時，閥板并沒有形成沖擊和噪音；當閥門在速閉—緩閉中，盡管大閥板很快關閉，但因其泄流作用，穩定了管路中的壓力變化，使排水系統中的水錘現象得到有效消除。

3 多功能水泵控制閥在煤峪口礦的應用效果

對煤峪口礦用多功能水泵控制閥緩開緩閉特性進行試驗。當關閉閘閥，部分開啟球閥（大約為1/4 開度），多功能水泵控制閥進口壓力變化曲線如圖4。

圖4 為閥門進口壓力是0.089 MPa，出口壓力是0.055 MPa 的變化曲線。多功能水泵控制閥進口壓力隨控制回路中進出活塞上下腔調節閥開度的增大，進口壓力變化曲線變緩，且壓力變化率呈現減小的趨勢，即應用該多功能水泵控制閥能夠起到緩開閥門的效果。當關閉調節閥，此時多功能控制閥又成止回閥，其進出口壓力變化率顯著增大。

圖4 進口壓力變化曲線

當關閉水泵后，閥門緩慢關閉，可起到緩閉作用，閥門壓力變化曲線圖如圖5。

圖5 閥門壓力變化曲線

煤峪口礦用多功能水泵控制閥控制回路中活塞上下腔進出口調節閥的開度能起到一定的緩開緩閉閥門的作用。

4 結論

煤峪口礦水泵用電動閘閥存在控制復雜、可靠性低等問題，通過采用JD745X-10-DN400 多功能水泵控制閥，經研究形成如下結論：

（1）多功能水泵控制閥可一閥替代逆止閥、電動閘閥、水錘消除器，且該閥具有開泵緩開、停泵速閉和緩閉兩階段運動模式，能夠保證閥門的安全可靠運行。

（2）模擬分析多功能水泵控制閥的動態性能，當閥門緩開時，其進口流速變動幅度很小，變化較為平穩，且閥板受到的壓力降低的變動幅度也相對平緩，閥板在運動中并沒有形成沖擊和噪音；當閥門進行速閉—緩閉時，盡管大閥板很快關閉，但因其泄流作用，穩定了管路中的壓力變化，使排水系統中的水錘現象得到有效消除。

（3）經煤峪口礦應用，該多功能水泵控制閥能達到閥門緩開緩閉的作用效果，在礦用排水系統中有很好的應用前景。