正确选择止回阀的意义及原则

在泵站水力系统中, 止回阀起着非常重要的作用, 同时也带来诸多麻烦。如英国中央电厂发生事故有16%是由止回阀造成的 ^〔1〕，其中意外停泵而使止回阀关闭产生水击的事故率最高。这类水击强度不仅受整个水力系统的影响, 而且还受止回阀本身特性的影响。图 1示出了两个三泵并联泵站的系统 ^〔2〕, 在它们的泵出口处分别安装DN 600旋启式止回阀和DN 500喷嘴式止回阀, 二泵的工况完全相同, 当三台并联泵中有一台意外停泵时, 分别测两种止回阀下游处的水击压力变化参数, 如图 2所示。

图  1  并联泵安装简图

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图  2  止回阀下游压力测试曲线

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图 2所示曲线表明, 止回阀本身的特性对水击强度有很大影响, 因此, 对某具体管线而言, 正确选择泵站的止回阀显得尤为重要。

对理想止回阀的选用, 应该遵循以下几条原则:

(1) 止回阀必须具有抗泵送介质腐蚀的能力;

(2) 止回阀的公称压力要与工作系统的压力相匹配;

(3) 止回阀全开时的阻力损失必须满足工艺设计要求, 正常工作时, 应能保证全开;

(4) 止回阀可能产生的水击压力不允许大于泵站系统及管线系统的强度要求值;

(5) 止回阀部件(如阀座、阀板、弹簧等)的抗挠强度和疲劳强度应满足要求;

(6) 选用的止回阀应力求经济、体积小、重量轻;

(7) 选用的止回阀应易于维修与保养。

实际应用要做到上述原则却非易事, 尤其正确计算止回阀关闭产生的水击压力增值更困难。本文将针对这一问题进行分析, 从而使止回阀的选择变得更容易。

止回阀的动态特性及其关闭时水击压力增值的计算

要做到正确选择止回阀, 就必须了解止回阀的水力特性和它产生水击的过程, 正确计算止回阀在工作中可能产生的水击强度。

1   止回阀的动态特性

意外停泵时, 泵排出管中的流体借惯性继续向前流动, 随着流速的减小, 止回阀逐渐关小, 短时间后, 流体又以加速的方式开始逆向流动, 止回阀也加速关闭, 在其关闭的瞬间, 通过止回阀的最大逆向流速达到V_Rmax, 使止回阀关闭, 逆向流动的流体立即由V_Rmax变为0, 随即产生水击压力增值ΔH, 此过程的实验曲线 ^〔3〕如图 3所示。

图  3  意外停泵时止回阀水力特性实验曲线

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关闭时产生的水击压力增值ΔH为:

式中  a——水击波速度，一般取1 000~1 200 m/s;

逆向流动的加速dV/dt受管线系统各因素的影响, 而dV/dt又决定着V_Rmax的大小, 两者的关系可以表达为:

通常将V_Rmax和dV/dt之间的关系用曲线描述, 如图 4所示。若稳态流量足以使止回阀全开, 那么该曲线对具体型号规格的止回阀而言是唯一的 ^〔4〕。这条曲线就称为止回阀的动态特性曲线(Dynamic Characteristic)。它揭示了止回阀的水力特性, 直观地反映出V_Rmax与dV/dt的关系, 因此, 动态特性曲线对正确计算止回阀产生的水击压力起着关键性的作用, 而该曲线通常由生产厂家提供。

图  4  止回阀动态特性曲线

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2   止回阀关闭时水击压力增值的计算

计算止回阀关闭时水击压力增值的基本方法是根据具体的管线系统, 计算出逆向流动的dV/dt值, 然后根据止回阀的动态特性曲线求出V_Rmax, 将V_Rmax值代入式(1)中可计算出ΔH值。关于计算dV/dt的值有两种方法: 一种是运用弹性水击理论; 另一种是运用刚性水击理论。前者计算准确, 但比较复杂，必须借助计算机, 而后者简单实用, 易于掌握, 但计算准确度比前一种稍差。从实用出发, 在此仅介绍第二种计算方法。

(1) 几点假设

在计算之前, 先作以下几点假设:

① 忽略泵的转动惯性;

② 止回阀本身的压头损失忽略不计;

③ 在逆向流动期间, 当量管段上的压头差不变。

根据上述假设, 可得出逆向流动的运动方程:

式中  H——当量管段压头差, m;

P——止回阀下游处的压力, 当下游处出现液柱分离时, P等于相对饱和蒸汽压, Pa;

——当量管段上的逆向运动压头损失, m;

L——当量管段长度, m;

ρ——液体的密度, kg/m³;

g——重力加速度, m/s2。

一般情况下, 因此将忽略不计, 那么式(3)可变为:

(2) H、L的取值

H、L的取值必须根据具体的管线系统以及泵站系统确定, 下面介绍几种典型的泵站系统和管线系统下H、L的取值。

① 图 5所示为单泵管线系统  H为发生水击前一瞬间稳态时两罐液面差值, L为整个管线系统的管长(包括吸入管管长)。

图  5  单泵管线系统示意图

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② 图 6所示为泵站系统  H为稳态时空气罐或压力罐处的压头与储液罐中的液面高之差, L为空气罐或压力罐到储液罐出口处的管长。

图  6  出口处安装空气罐的单泵系统示意图

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③ 图 7所示为多泵并联泵泵站系统  H为一台泵意外停泵时, 正常工作的泵扬程, L为停转泵的吸入管及排出管管长之和。

图  7  多泵并联泵站系统示意图

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④ 图 8所示为多泵泵站系统  H为稳态时干管中的动态压头与储液罐中液面高之差, L为压力罐或空气罐到储液罐的管长。

图  8  出口安装空气罐的多泵泵站系统示意图

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ΔH值仅仅能反映某具体泵站中止回阀可能产生的水击强度, 若止回阀产生的水击是属直接水击类, 那么实际产生的水击压力增值为ΔH, 若止回阀产生的水击是属间接水击类, 那么实际产生的水击压力就小于ΔH值。通常逆向流体由V_Rmax变为0的时间是很短的, 而止回阀下游反射边界离止回阀有一定的距离, 因此多数情况下止回阀产生的水击是直接水击。

止回阀的正确选择

从水力学方面考虑, 止回阀产生的水击强度越小越好, 但如果仅仅根据这一点选择止回阀, 而不考虑其它原则, 那么选择的止回阀是不具备工程实际意义的。因此, 应当全面地考虑诸多因素, 最后对其可能产生的水击压力进行校核, 只要满足泵站和管线系统的强度要求就可以, 不必要求水击压力最低。

例如, 某油库需新建一条流程如图 5的管线, 两罐的液面高为300 m, 管线全长800 m, 目前有两种如图 4所示的止回阀，它们的直径均为DN 150。第一种止回阀相对第二种要经济, 并且易维修和保养, 第二种止回阀的动态特性较好, 希望在两种中选择一个较理想的止回阀。泵站及管线最大允许值〔H〕为600 m_液柱。

计算: 将已知参数代入式(4)得:

根据图 4所示的动态特性曲线, 查得最大逆向流速:

将上述数据代入式(1)中, 得水击增压值

那么水击时全系统的压力值为:

上述计算结果均小于〔H〕值, 因此能断定两种止回阀都不会造成水击危害, 根据多方面的考虑, 认为选第一种止回阀较为理想。

最后, 值得一提的是由于忽略泵的转动惯性以及管道的摩阻, 计算出的ΔH往往偏大, 因此用这两种方法校核可靠性是很大的。