多功能水泵控制閥在煤峪口礦排水系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

高斌雪

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)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(shè)備選用D450-60 型離心泵，級數(shù)為8 級，并采用電動閘閥FDZ45H—DN400 進(jìn)行啟閉調(diào)節(jié)。該閥門啟閉迅速，可使閥門啟閉時間縮短，但是在應(yīng)用中存在驅(qū)動裝置價格貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制復(fù)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(guān)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(jié)構(gòu)的主閥腔和利用閥門進(jìn)出口壓差對閥板運(yùn)動調(diào)節(jié)的控制腔。外接管路組件組成有調(diào)節(jié)球閥、止回閥、濾網(wǎng)等，調(diào)節(jié)球閥對閥門進(jìn)行緩開緩關(guān)閉是通過對閥板運(yùn)動速度調(diào)節(jié)的；止回閥是通過節(jié)流效應(yīng)，使水泵電機(jī)的啟動時長小于閥門的，從而完成輕載開啟電機(jī)。多功能水泵控制閥為大小雙閥板的閥板設(shè)計架構(gòu)，運(yùn)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(jìn)出口壓差進(jìn)行啟泵緩開、停泵速閉和緩閉運(yùn)動，保證閥門的安全可靠運(yùn)行。結(jié)合煤峪口礦生產(chǎn)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(tài)性能模擬研究

運(yùn)行中，通過閥門兩端的壓力差、介質(zhì)當(dāng)作控制力和驅(qū)動介質(zhì)[7]來對多動能水泵控制閥進(jìn)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(yùn)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(zhì)量和初始加速度。

閥板在開啟中，進(jìn)出口管路中水壓差會隨著流通面積的增大而持續(xù)下降[9]，所以，此時出水口管道中水壓會出現(xiàn)持續(xù)上升現(xiàn)象，又因?yàn)樵趩又性龃罅碎y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(qū)間內(nèi)，閥板做加速度逐漸降低的加速運(yùn)動，當(dāng)受力平衡時，運(yùn)動速度達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。最終閥蓋上的閥門閥桿和調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)腔的排水速率大小會因其外接管路調(diào)節(jié)閥的開度大小產(chǎn)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(yùn)行速度是0.01 m/s 和0.1 m/s 時，開啟和閉合閥門內(nèi)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(jìn)一步分析閥門進(jìn)口流速與閥開口度在不同啟動速度下的變化規(guī)律，得到圖1 所示的曲線。圖中，當(dāng)閥門緩開時，其進(jìn)口流速變動幅度很小，且變化較為平穩(wěn)；而在啟動速率較快時，閥門進(jìn)口流速增大較快，且當(dāng)流速不斷上升時，閥體內(nèi)會產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流現(xiàn)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(guī)律，得到圖2 所示的曲線。圖中，當(dāng)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(xiàn)壓力減小的現(xiàn)象，但并沒有產(chǎn)生負(fù)壓，且流量變化也相對穩(wěn)定，因此此時在運(yùn)動中的閥板并沒有形成沖擊和噪音。當(dāng)閥門快開時，閥板受到的壓力下降幅度較快，又因?yàn)楦鞑课婚y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(fā)現(xiàn)，剛啟動閥板時，由于閥口附近流速過快，降低局部的壓力，產(chǎn)生負(fù)壓，此時隨著閥門開啟，閥板內(nèi)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(guān)閉、速閉—緩閉關(guān)閉進(jìn)程，閥門的流量變化規(guī)律，得到圖3 所示的曲線。當(dāng)兩閥板同時進(jìn)行快速關(guān)閉時，在起初關(guān)閉過程，流量變動較為平緩，但在逐步關(guān)閉過程，閥體內(nèi)流量的變化速度逐漸加大，導(dǎo)致管道壓力急劇產(chǎn)生變化，易形成水錘現(xiàn)象。當(dāng)閥門速閉—緩閉關(guān)閉時，在起初關(guān)閉過程，流量下降較為明顯，到后期關(guān)閉閥門過程，流量下降速率緩慢直至徹底使閥門關(guān)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(dāng)閥門緩開時，閥板并沒有形成沖擊和噪音；當(dāng)閥門在速閉—緩閉中，盡管大閥板很快關(guān)閉，但因其泄流作用，穩(wěn)定了管路中的壓力變化，使排水系統(tǒng)中的水錘現(xiàn)象得到有效消除。

3 多功能水泵控制閥在煤峪口礦的應(yīng)用效果

對煤峪口礦用多功能水泵控制閥緩開緩閉特性進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)關(guān)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(jìn)口壓力變化曲線如圖4。

圖4 為閥門進(jìn)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(jìn)口壓力隨控制回路中進(jìn)出活塞上下腔調(diào)節(jié)閥開度的增大，進(jìn)口壓力變化曲線變緩，且壓力變化率呈現(xiàn)減小的趨勢，即應(yīng)用該多功能水泵控制閥能夠起到緩開閥門的效果。當(dāng)關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，此時多功能控制閥又成止回閥，其進(jìn)出口壓力變化率顯著增大。

圖4 進(jìn)口壓力變化曲線

當(dāng)關(guān)閉水泵后，閥門緩慢關(guān)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(jìn)出口調(diào)節(jié)閥的開度能起到一定的緩開緩閉閥門的作用。

4 結(jié)論

煤峪口礦水泵用電動閘閥存在控制復(fù)雜、可靠性低等問題，通過采用JD745X-10-DN400 多功能水泵控制閥，經(jīng)研究形成如下結(jié)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(yùn)動模式，能夠保證閥門的安全可靠運(yùn)行。

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

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