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，在水泵機組突發(fā)停機后，止回閥自動關(guān)閉，防止管路中水向水泵機組倒流，避免水泵、電機倒流，在保護泵站機組安全的同時，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組產(chǎn)生破壞，該類閥門的選型還關(guān)系到水泵機組的安全、穩(wěn)定運行，對水泵機組能耗、維護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。

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)動系統(tǒng)，能確保其運行安全、經(jīng)濟、可靠、智能，使其用作止回閥時能有效保障水泵機組及管路安全。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)用實踐進行總結(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，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組及管路的安全。全通徑偏心半球閥由閥體及液控驅(qū)動系統(tǒng)兩部分組成。通過設(shè)置液控驅(qū)動系統(tǒng)動作模式，可分快速和慢速兩階段啟閉閥門，實現(xiàn)閥門緩閉、止回等多種功能，增強防水錘功能穩(wěn)定性，確保水泵及管路安全運行。閥體的偏心、雙密封、雙向浮動閥座設(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，閥體流道與管道完全對齊，閥門水損極小，水泵機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、異常事件報警等多項功能，閥門運行更加智能。

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、更可靠、更智能的4項技術(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)動裝置控制系統(tǒng)，能與泵站中控系統(tǒng)通信，實現(xiàn)閥門與水泵機組的聯(lián)動。液控驅(qū)動裝置控制系統(tǒng)能實現(xiàn)斷電自動關(guān)閥，閥門立即快關(guān)至80%，然后緩慢關(guān)閉剩余的20%，既可迅速截斷水流防止水泵倒轉(zhuǎn)，又不會產(chǎn)生關(guān)閥水錘，確保水泵機組和管道安全。同時，油路狀態(tài)和閥門速度均可反饋至PLC，以實現(xiàn)閥門高精度啟閉控制。針對該水廠每天高低峰供水時段頻繁的水泵啟停操作，有效加強了泵房水泵機組與管路的安全。液控驅(qū)動裝置控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 液控驅(qū)動裝置控制系統(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，在閥門關(guān)閉時，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)閉時水泵機組的安全性。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，閥門水頭損失極小，水泵運行更經(jīng)濟

由于全通徑偏心半球閥的偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計，閥門在全開時，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)、浮動閥座設(shè)計，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，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，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，球體轉(zhuǎn)過3°～5°，球冠就會與閥座脫離；在閥門關(guān)閉時，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。雙向浮動閥座的設(shè)置，使得閥座具有自動補償功能，即使密封面經(jīng)過長時間使用產(chǎn)生一定的磨損，也能自動補償，避免了更換閥座，從而有效提高了閥門的使用壽命，減少了閥門維護工作量，延長了閥門檢修周期。在閥門開啟時，雙向浮動閥座的設(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。雙向浮動閥座結(jié)構(gòu)如圖6所示。

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

(4)系統(tǒng)狀態(tài)全面監(jiān)控，閥門運行更智能

液控驅(qū)動裝置控制系統(tǒng)可對液壓站、閥門、鋰電池、電氣系統(tǒng)進行監(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，能發(fā)出故障信號至用戶。出現(xiàn)如閥位漂移、油泵過熱等常見故障時可自動嘗試修復(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，而水泵機組根據(jù)生產(chǎn)調(diào)度情況，需經(jīng)常進行啟停水泵操作。因此，水泵機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，以起到安全、經(jīng)濟、可靠、智能等作用。

針對傳統(tǒng)止回閥在結(jié)構(gòu)及運行上存在的不足，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)動裝置兩部分組成，通過液壓驅(qū)動油缸動作，控制閥門啟閉，通過設(shè)置液控驅(qū)動裝置動作模式，可分快速和慢速兩階段啟閉閥門，實現(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、更可靠、更智能的特點，讓其應(yīng)用于泵后止回時更具優(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#機組止回閥進行更換，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

水廠在水泵機組流量均為2 300 m3/h時，對4#機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行測量，實測數(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，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，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，可實現(xiàn)閥門水頭損失大幅降低的原因有兩點：一是液控系統(tǒng)能主動驅(qū)動閥門開啟，避免由水壓開啟閥門造成的水頭損失；二是閥門在全開時，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

為進一步考察水損對運行能耗的影響，以及進行全通徑偏心半球閥投資改造回報周期，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——水泵機械效率，η=0.78；

κ——水泵電機效率，κ=0.93；

ΔE——水流經(jīng)過閥門時損失的能量，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代入計算，水泵機組額外能耗及額外電費成本對比如圖9所示。

圖9 水泵機組能耗對比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水泵機組額外消耗能耗ΔW球=31.7 kW·h/d，單位泵機組全年預(yù)計節(jié)約電費8.79萬元，預(yù)計4年即可收回全通徑偏心半球閥改造投資。

3.3 維護工作量

考慮到液控雙速閘閥在用作泵后止回閥時，水頭損失同樣較小，能減少水泵機組的額外能耗功能，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號水泵機組雙速閘閥均為2012年安裝，從安裝后的第3年開始，幾乎每年都會對廠內(nèi)液控雙速閘閥進行大修。

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)動介質(zhì)，最終導(dǎo)致閥門無法關(guān)嚴出現(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)活塞進行更換；閥體底部凹槽與閘板限位，在長時間振蕩后，會發(fā)生位移，情況嚴重時需對閥板進行更換；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、雙向浮動閥座和智能化液控驅(qū)動等結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，使其在使用過程中維護工作量極少，相較于液控雙速閘閥應(yīng)用于泵后止回時更安全、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存在造價高、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)與實際運行中的問題，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組仍具有較好的實踐效果，具體如下。

(1)送水泵房泵機組止回閥需具有快開、緩閉功能，閥門整體運行情況需安全、經(jīng)濟、可靠、智能，以有效保護管道及水泵安全。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、雙向浮動閥座和智能化液控驅(qū)動等結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，使其在應(yīng)用于泵后止回時具有水損小、磨損小、易操作、易維護等優(yōu)勢，閥門整體運行更加安全、經(jīng)濟、可靠、智能。

(3)送水泵機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%，可減少水泵機組額外能耗312.8 kW·h/d，預(yù)計每年單臺水泵機組節(jié)約電耗近8.79萬元/組。