多功能水泵控制阀在煤峪口矿排水系统中的应用研究

高斌雪

（晋能控股煤业集团有限公司煤峪口矿，山西 大同 037003）

煤峪口矿属于单一水平竖井开采，矿井深度为480 m，主要排水设备选用D450-60 型离心泵，级数为8 级，并采用电动闸阀FDZ45H—DN400 进行启闭调节。该阀门启闭迅速，可使阀门启闭时间缩短，但是在应用中存在驱动装置价格贵、结构复杂、控制复杂、安全可靠性低等问题。

1 多功能水泵控制阀的组成

多功能水泵控制阀为两阶段关闭阀门，可一阀替代逆止阀、电动闸阀、水锤消除器[1-5]。多功能水泵控制阀主要组成部分有主阀、外接管路。其中，主阀主要包括直流型结构的主阀腔和利用阀门进出口压差对阀板运动调节的控制腔。外接管路组件组成有调节球阀、止回阀、滤网等，调节球阀对阀门进行缓开缓关闭是通过对阀板运动速度调节的；止回阀是通过节流效应，使水泵电机的启动时长小于阀门的，从而完成轻载开启电机。多功能水泵控制阀为大小双阀板的阀板设计架构，运行中不再配套使用其他液压控制装备[6]，而是完全借助阀本身的进出口压差进行启泵缓开、停泵速闭和缓闭运动，保证阀门的安全可靠运行。结合煤峪口矿生产条件，选用型号为JD745X-10-DN400多功能水泵控制阀。

2 多功能水泵控制阀的动态性能模拟研究

运行中，通过阀门两端的压力差、介质当作控制力和驱动介质[7]来对多动能水泵控制阀进行启闭。因此，其阀板的瞬间开启力[8]F计算公式如下：

式中：f1和f2分别是在运动中阀板和控制腔膜片所受水阻力大小；G1是缓闭阀板、大阀板的分量；P1是出口管中阀门的水压力大小；M和a分别是阀板的质量和初始加速度。

阀板在开启中，进出口管路中水压差会随着流通面积的增大而持续下降[9]，所以，此时出水口管道中水压会出现持续上升现象，又因为在启动中增大了阀板的启动速度，也为此增大了膜片与阀板之间的水阻力。因而，在一段区间内，阀板做加速度逐渐降低的加速运动，当受力平衡时，运动速度达到平稳状态。最终阀盖上的阀门阀杆和调节阀杆对接时，就完成多功能水泵控制阀门启动过程。启闭中，阀门膜片调节腔的排水速率大小会因其外接管路调节阀的开度大小产生影响。因此，模拟分析煤峪口矿用JD745X-10-DN400 多功能水泵控制阀的阀板在运行速度是0.01 m/s 和0.1 m/s 时，开启和闭合阀门内部压力和流速的变化情形。

（1）开启过程

由于在阀板的作用下，多功能水泵控制阀阀门的缓闭阀板、大阀板同时启动，因此，可将其作为整体动作过程[10]。进一步分析阀门进口流速与阀开口度在不同启动速度下的变化规律，得到图1 所示的曲线。图中，当阀门缓开时，其进口流速变动幅度很小，且变化较为平稳；而在启动速率较快时，阀门进口流速增大较快，且当流速不断上升时，阀体内会产生强烈的湍流现象。

图1 阀门开启时的流速变化曲线

分析阀开口度和压力大小在不同开启速度下的变化规律，得到图2 所示的曲线。图中，当阀门缓开时，阀板受到的压力降低的变动幅度相对平缓，所以尽管阀口周围出现压力减小的现象，但并没有产生负压，且流量变化也相对稳定，因此此时在运动中的阀板并没有形成冲击和噪音。当阀门快开时，阀板受到的压力下降幅度较快，又因为各部位阀板受到的压力大小差异，更易于损坏阀板。因此，对比图1 和图2 可发现，刚启动阀板时，由于阀口附近流速过快，降低局部的压力，产生负压，此时随着阀门开启，阀板内会形成冲击和噪音。

图2 阀门开启时的压力变化曲线

（2）闭合过程

对比分析该控制阀两阀板同时快速关闭、速闭—缓闭关闭进程，阀门的流量变化规律，得到图3 所示的曲线。当两阀板同时进行快速关闭时，在起初关闭过程，流量变动较为平缓，但在逐步关闭过程，阀体内流量的变化速度逐渐加大，导致管道压力急剧产生变化，易形成水锤现象。当阀门速闭—缓闭关闭时，在起初关闭过程，流量下降较为明显，到后期关闭阀门过程，流量下降速率缓慢直至彻底使阀门关闭，流量减到零。

图3 阀门闭合时的流量变化曲线

综上所述，煤峪口矿用多功能水泵控制阀，当阀门缓开时，阀板并没有形成冲击和噪音；当阀门在速闭—缓闭中，尽管大阀板很快关闭，但因其泄流作用，稳定了管路中的压力变化，使排水系统中的水锤现象得到有效消除。

3 多功能水泵控制阀在煤峪口矿的应用效果

对煤峪口矿用多功能水泵控制阀缓开缓闭特性进行试验。当关闭闸阀，部分开启球阀（大约为1/4 开度），多功能水泵控制阀进口压力变化曲线如图4。

图4 为阀门进口压力是0.089 MPa，出口压力是0.055 MPa 的变化曲线。多功能水泵控制阀进口压力随控制回路中进出活塞上下腔调节阀开度的增大，进口压力变化曲线变缓，且压力变化率呈现减小的趋势，即应用该多功能水泵控制阀能够起到缓开阀门的效果。当关闭调节阀，此时多功能控制阀又成止回阀，其进出口压力变化率显著增大。

图4 进口压力变化曲线

当关闭水泵后，阀门缓慢关闭，可起到缓闭作用，阀门压力变化曲线图如图5。

图5 阀门压力变化曲线

煤峪口矿用多功能水泵控制阀控制回路中活塞上下腔进出口调节阀的开度能起到一定的缓开缓闭阀门的作用。

4 结论

煤峪口矿水泵用电动闸阀存在控制复杂、可靠性低等问题，通过采用JD745X-10-DN400 多功能水泵控制阀，经研究形成如下结论：

（1）多功能水泵控制阀可一阀替代逆止阀、电动闸阀、水锤消除器，且该阀具有开泵缓开、停泵速闭和缓闭两阶段运动模式，能够保证阀门的安全可靠运行。

（2）模拟分析多功能水泵控制阀的动态性能，当阀门缓开时，其进口流速变动幅度很小，变化较为平稳，且阀板受到的压力降低的变动幅度也相对平缓，阀板在运动中并没有形成冲击和噪音；当阀门进行速闭—缓闭时，尽管大阀板很快关闭，但因其泄流作用，稳定了管路中的压力变化，使排水系统中的水锤现象得到有效消除。

（3）经煤峪口矿应用，该多功能水泵控制阀能达到阀门缓开缓闭的作用效果，在矿用排水系统中有很好的应用前景。