樊智軍，李 科，麥楚霖

(1. 新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000；2. 自貢新地佩爾閥門有限公司，四川 自貢 643000； 3. 武漢大學(xué)動力與機械學(xué)院，湖北 武漢 430072)

隨著供水流量和揚程的不斷提高，大口徑高揚程泵站中新型止回閥得到了較多應(yīng)用，如新疆SJZ泵站，其單臺水泵設(shè)計流量為3.25 m3/s，泵站最高揚程為187.22 m；最低揚程為176.00 m；設(shè)計揚程為186.00 m。泵后止回閥采用“零流速”關(guān)閉的軸流式止回閥，閥門直徑為1 200 mm，設(shè)計壓力4.0 MPa。

《泵站設(shè)計規(guī)范》GB50265-2010中提出，“9.4.4高揚程、長壓力管道的泵站，工作閥門宜選用兩階段關(guān)閉的液壓操作閥[1]?！睂嶋H上是把泵后工作閥門兼做泄壓閥在使用，會引起水泵倒轉(zhuǎn)，而大型水泵倒轉(zhuǎn)會造成巨大的噪聲，同時需要稀油潤滑的泵組，在全廠事故停電時泵組倒轉(zhuǎn)需要設(shè)置高位油箱等措施來保證機組的冷卻潤滑，加大了機組的檢修維護工作量。另外還需要復(fù)核因泄壓引起的進水池涌浪高度、水泵進口閥門設(shè)計壓力等。雖然泵后工作閥可一閥多用，但也會增加其他方面設(shè)計工作，提高了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。有必要對可以避免水泵倒轉(zhuǎn)的新型止回閥進行研究，其中軸流式止回閥值得重點關(guān)注。

1 軸流式止回閥

軸流式止回閥，也被稱為導(dǎo)流式速閉止回閥或梭式止回閥[2]，主要是利用水流通過止回閥不同流道斷面產(chǎn)生的壓差進行自動開啟和關(guān)閉，從水泵失電至逆流開始的這個時段內(nèi)，隨著管道內(nèi)正向流速的降低至一定數(shù)值后開始關(guān)閉，在正向流速降至“0”或倒流剛形成實現(xiàn)閥門全部關(guān)閉而不造成因關(guān)閥流速變化引起的壓力波動。

軸流式止回閥在石油天然氣長輸管道系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于大型壓縮機出口，主要結(jié)構(gòu)有單支撐圓盤式，雙支撐圓盤式和環(huán)盤式[3]，國內(nèi)水利行業(yè)主要采用的雙支撐圓盤式和環(huán)盤式結(jié)構(gòu)。目前，我國已建泵站泵后采用軸流式止回閥部分運用實例見表1。

表1 國內(nèi)已建泵后采用軸流式止回閥部分工程實例統(tǒng)計

從表1可以看出，兩種結(jié)構(gòu)在國內(nèi)市政、水利行業(yè)均有應(yīng)用，但SJZ泵站泵后止回閥口徑大、壓力高，國內(nèi)還沒有同等規(guī)格可參考，國內(nèi)研究機構(gòu)對軸流式止回閥在泵后使用的研究和認識也不一致，且不具備真機產(chǎn)品動態(tài)測試研究的條件，在采用軸流式止回閥進行泵站水力過渡過程計算時各計算單位結(jié)果相差較大，本文以雙支撐圓盤式結(jié)構(gòu)為例，對閥門關(guān)閉時的動態(tài)特性[4]、流阻系數(shù)和彈簧作用進行分析。

2 雙支撐圓盤式軸流式止回閥主要參數(shù)分析

2.1 閥門關(guān)閉時的瞬態(tài)分析

閥門關(guān)閉過程動態(tài)特性分析采用FLUENT軟件進行，分析停泵時，閥瓣在水流以3 m/s2負加速度從5 m/s的正常流速衰減過程中，閥域內(nèi)流場信息變化[5]。模擬邊界條件選擇速度進口，自由出流，使用C語言編寫進口邊界條件及閥芯運動方程，以連續(xù)性方程、三維雷諾平均N-S方程和標準k-ε雙方程為控制方程組。

RNGk-ε湍流模型則是目前工程計算中使用較多的模型。RNGk-ε湍流模型通過引入兩個附加方程(k方程和ε方程)來計算出湍流粘性系數(shù)，進一步計算出雷諾應(yīng)力。其中，k方程是湍動能方程，ε方程是湍流耗散率方程。

k方程：

ε方程：

圖1為DN1200 PN40軸流式止回閥關(guān)閉過程中閥域內(nèi)流場壓力分布圖，分析圖1(a)、(b)可知，軸流式止回閥在0～1.32 s時間內(nèi)，閥門一直處于完全打開的狀態(tài)，閥門進出口壓力分布相對均勻，0.04 s時刻閥門進口端壓力較高，局部最大壓力為8 490 Pa。分析圖1(c)、(d)可知，在1.322～1.54 s時間內(nèi)，由于介質(zhì)流速的減小，閥瓣向左運動，此段時間內(nèi)閥門進出口壓力分布依舊相對均勻，閥前壓力大于閥后壓力，1.42 s時刻，局部最大壓力為15 300 Pa，最小壓力為-18 100 Pa，最小壓力主要集中在閥瓣與筋板連接架間隙處，1.54 s時刻局部最大壓力11 500 Pa，最小壓力為2 290 Pa。分析圖1(e)、(f)可知，在1.54～1.71 s時間內(nèi)，介質(zhì)力的減小繼續(xù)使閥瓣向左移動，此時閥門處于較低的開度下，閥門前后壓力相差很大，進出口壓力、閥軸、前后襯套、整流罩及尾蓋附近壓力分布均勻。1.62 s時刻，局部最大壓力為2 200 Pa，最小壓力-102 000 Pa，1.71 s時刻閥門幾乎處于關(guān)閉狀態(tài)，閥前后壓力穩(wěn)定。

圖1 不同時刻壓力分布圖

圖2為DN1200 PN40軸流式止回閥關(guān)閉過程中閥域內(nèi)流場速度分布圖，分析圖2(a)、(b)可知，軸流式止回閥在0～1.32 s時間內(nèi)閥門一直處于完全打開的狀態(tài)，在整個閥門及管路系統(tǒng)中，閥域內(nèi)介質(zhì)流速各不相同，閥瓣與閥體間隙處介質(zhì)流速較大，0.04 s時刻局部最大流速為17.9 m/s，1.32 s時刻局部最大流速為7.14 m/s。分析圖2(c)、(d)可知，在1.32～1.54 s時間內(nèi)，由于介質(zhì)流速的減小，閥瓣向左運動，由于閥瓣及閥體連接筋板的節(jié)流作用，閥后介質(zhì)流速分布不均，局部最大流速依舊分布在閥瓣與閥體間隙處，1.42 s時刻局部最大流速為5.11 m/s，1.54 s時刻局部最大流速為5.95m/s。分析圖2(e)、(f)可知，在1.54～1.71 s時間內(nèi)，介質(zhì)力的減小繼續(xù)使閥瓣向左移動，此時閥門處于較低的開度下，1.62 s時刻局部最大流速為1.12 m/s，1.71 s時刻，閥門幾乎處于關(guān)閉狀態(tài)，進出口流速分布相對均勻。

圖2 不同時刻速度分布圖

圖3為DN1200PN40軸流式止回閥關(guān)閉過程中閥域內(nèi)流場流線分布圖，分析圖3(a)、(b)可知，軸流式止回閥在0～1.32 s時間內(nèi)閥門一直處于完全打開的狀態(tài)，在整個閥門及管路系統(tǒng)中，閥前流線分布均勻，介質(zhì)流經(jīng)筋等局部地方，流線分布不均，0.04 s時刻局部最大流速為16.9 m/s，1.32 s時刻局部最大為6.81 m/s。分析圖3(c)、(d)可知，在1.32～1.54 s時間內(nèi)，由于介質(zhì)流速的減小，閥瓣向左運動，1.42 s時刻局部最大流速為5.03 m/s，1.54 s時刻局部最大流速為5.47 m/s。分析圖3(e)、(f)可知，在1.54～1.71 s時間內(nèi)，介質(zhì)力的減小繼續(xù)使閥瓣向左移動，此時閥門處于較低的開度下，1.62 s時刻，閥后經(jīng)節(jié)流后的流線較少，流線分布不均，小的渦流區(qū)域多，局部最大流速為11.6 m/s，1.71 s時刻，閥門幾乎處于完全關(guān)閉狀態(tài)，閥后幾乎無流線分布。

圖3 不同時刻壓力分布圖

圖4為DN1200 PN40軸流式止回閥關(guān)閉過程中閥門開度與時間的關(guān)系，在0～1.322 s內(nèi)，閥瓣上受到的介質(zhì)力足以克服彈簧力及摩擦力，閥瓣處于靜止狀態(tài)，此時開度達到最大值，隨著進口介質(zhì)流量的持續(xù)下降，閥瓣上受到的介質(zhì)力也在逐漸下降，在1.322 s時刻之后，閥瓣上受到的介質(zhì)力降低到彈簧力可以克服摩擦力和介質(zhì)力時，止回閥開始關(guān)閉，閥瓣位移隨時間近似線性遞減，開度逐漸降低，直到1.71 s時刻，軸流式止回閥完全關(guān)閉。

圖4 關(guān)閉過程閥門開度與時間曲線

圖5為DN1200 PN40軸流式止回閥關(guān)閉過程中閥芯速度與時間的關(guān)系，在0～1.322 s內(nèi)，閥瓣上受到的介質(zhì)力足以克服彈簧力及摩擦力，閥瓣處于靜止狀態(tài)，此時開度達到最大值，此時速度保持為0 m/s，隨著進口介質(zhì)流量的持續(xù)下降，閥瓣上受到的介質(zhì)力也在逐漸下降，在1.322 s時刻之后，閥瓣上受到的介質(zhì)力降低到彈簧力可以克服摩擦力和介質(zhì)力時，止回閥開始關(guān)閉，閥芯速度在1.322～1.65 s時反向加速運動，在1.65～1.71 s之間，閥瓣運動速度變化趨緩，直到1.71 s時刻，軸流式止回閥完全關(guān)閉。

圖5 關(guān)閉過程閥芯速度與時間曲線

2.2 軸流式止回閥穩(wěn)態(tài)流阻系數(shù)和流量系數(shù)仿真模擬

根據(jù)《GB/T 30832-2014閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗方法》中的規(guī)定，對軸流式止回閥不同開度時的流阻系數(shù)進行計算。

在介質(zhì)為常溫水，密度為998.2 kg/m3，DN1200閥門管道內(nèi)徑1.166 m，選取壓差為100 kPa、工況下進行模擬計算不同開度下介質(zhì)在通過閥門的流量，進而得出閥門的流阻系數(shù)和流量系數(shù)。

仿真計算得出閥門不同開度下的流阻系數(shù)和流量系數(shù)曲線如圖6、圖7所示。

圖6 開度流阻系數(shù)曲線

圖7 開度流量系數(shù)曲線

從圖6、圖7的曲線來看，閥門的流阻系數(shù)隨著閥門開度的增大而減小，它們之間的關(guān)系曲線類似于指數(shù)關(guān)系。隨著閥門開啟，開度在0%～20%之間，流阻系數(shù)快速降低。閥門開度在30%～70%之間，流阻系數(shù)逐漸降低。閥門開度在80%～100%這段區(qū)間內(nèi)，流阻系數(shù)變化不大。通過流場分析：DN1200 PN40閥門在3.25 m3/s流量下的壓降為6 239.59 Pa，滿足小于8 kPa的設(shè)計要求。

2.3 彈簧作用及剛度選擇

雙支撐圓盤式止回閥采用單一彈簧結(jié)構(gòu)，預(yù)緊彈簧布置在閥瓣后。從直觀分析來看，彈簧的作為是在閥后背壓很低的情況下也能保證閥門可靠關(guān)閉，如果閥后背壓較高時，在正向流速降至“0”或倒流剛形成就可以實現(xiàn)閥門全部關(guān)閉，彈簧可以不設(shè)置。但在停泵后，水流負加速度一定的情況下，彈簧剛度越大，彈簧的作用力越明顯，閥瓣的關(guān)閉加速度更大，閥門關(guān)閉時間更短，關(guān)閉時間短的閥瓣接觸閥座時的速度更小，對閥座沖擊力更小。因此不論閥后背壓大小，設(shè)置彈簧后閥門關(guān)閉性能更優(yōu)，在滿足壓降要求的前提下彈簧剛度越大越好。同時彈簧剛度太大則閥門的最小開啟壓力越大，穩(wěn)態(tài)過閥損失越大，因此彈簧剛度的選擇原則是在保證過閥損失合理的情況下盡量增大彈簧剛度。

對于本泵站，泵后最小靜壓力達到175.665 m，如果沒有設(shè)置彈簧，泵后管內(nèi)正常流速2.87 m/s，在流速降至0.64 m/s時閥瓣開始關(guān)閉，閥門壓降為5 994.95 Pa，閥瓣對閥座的沖擊力為818.2 N，設(shè)置彈簧外力為1 765 N后在流速降至1.035 m/s時閥瓣開始關(guān)閉，閥門壓降為6 239.59 Pa，閥瓣對閥座的沖擊力為128.6 N。

設(shè)置彈簧外力為1 765 N后在流速降至1.035 m/s時閥瓣開始關(guān)閉，閥門壓降為6 239.59 Pa，閥瓣對閥座的沖擊力為128.6 N。

最終選擇彈簧外力為1 765 N，壓降為6 239.59 Pa，滿足小于8 kPa的設(shè)計要求。閥瓣對閥座的沖擊力為128.6 N。

3 軸流式止回閥后工作閥門設(shè)置

本泵站泵組采用變頻軟啟動方式，如果軸流式止回閥后的檢修閥在開機時處于開啟狀態(tài)，則閥后背壓為進、出水池高差176.96 m，而閥門最小開啟壓力為2 kPa，則閥前壓力達到177.16 m時閥門就啟動開啟，但此時閥前壓力并不能滿足開閥要求，僅作為軟啟的變頻器容量也不夠。因此，泵后軸流式止回閥后還應(yīng)配置工作閥，保證泵后壓力達到開閥壓力后再開啟。本工程采用液控球閥作為開機控制閥，并兼做軸流式止回閥的檢修閥。

斷電停泵時，隨著管內(nèi)正向流速的降低軸流式止回閥開始關(guān)閉，至管內(nèi)流速幾乎為零時全部關(guān)閉，消除了因關(guān)閥流速變化引起的水錘升壓。SJZ泵站經(jīng)計算斷電后6 s閥門處管道流速降至0，為了防止軸流式止回閥發(fā)生卡阻等故障沒有關(guān)閉，液控球閥作為后備保護設(shè)備，在斷電后延時6 s開始關(guān)閉。

4 結(jié) 語

軸流式止回閥作為水力自控閥，結(jié)構(gòu)簡單、關(guān)閥動作安全可靠，可以有效防止管道出現(xiàn)逆流，水泵不會出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)，但在進行泵后止回閥選型設(shè)計時，需要和管線調(diào)壓措施統(tǒng)一考慮，選擇何種閥型需要對止回閥加管線調(diào)壓措施多種方案進行經(jīng)濟、技術(shù)比較后確定。

本泵站由于管道水力損失占設(shè)計揚程比例很小，沒有設(shè)置全功率變頻器，軟啟變頻器容量不大，需要用液控球閥作為開機控制閥。若泵站設(shè)置了全功率變頻器，按照水泵廠家給出的水泵穩(wěn)定運行范圍，在最低揚程達到166 m就可開閥，不需要達到水泵零流量時揚程開閥，因此軸流式止回閥就可實現(xiàn)開機功能，在閥門前后壓差很小的情況下閥門開始開啟，水泵也基本在平壓狀態(tài)下開啟，可減小水泵軸系變形，延長水泵壽命，軸流式止回閥后也僅需設(shè)置檢修閥。

軸流式止回閥全開時流阻系數(shù)較同口徑的蝶閥偏大，仿真計算結(jié)果為1.35(DN300模型試驗結(jié)果為2.3)，通過相似原理，換算成原型機的流阻系數(shù)1.33，過閥損失約為0.65 m；而蝶閥全開時流阻系數(shù)為0.15，過閥損失約為0.07 m，軸流式止回閥全開時過閥損失較大，水泵設(shè)計揚程計算時應(yīng)進行考慮。