空程耦合及油压缓闭装置在斜座式止回阀中的应用

2010-06-13胡晓峰

综合智慧能源 2010年1期

胡晓峰

(国电靖远发电有限公司,甘肃白银 730919)

0 引言

止回阀广泛用于取供水泵系统的出口管路上,起到防止介质倒流和有效预防破坏性水锤的作用。国电靖远发电有限公司为4×200MW火力发电厂,其供水系统安装有4台5070m3/h的取水泵和8台1250m3/h的供水泵,设计为工业用水和50万人口的城市供水,其系统的可靠性显得尤为重要。原大多采用普通悬启式止回阀,但在系统使用中发现该类止回阀缓闭功能差、不能满足防破坏性水锤的作用,而且阀门密封及可靠性差,内漏严重,缺陷频繁,不利于节能降耗。

1 普通止回阀存在的问题

在大通径水系统管路上普遍使用H44X型悬启式止回阀和HH44X型缓闭止回阀。H44X型普遍存在阀板与阀轴连接拐臂及其内部铜套容易磨损的问题,据统计,一般4～6个月铜套磨损就达3～5 mm。拐臂与阀轴之间定位通常用定位销或定位档套,出现磨损后又不能准确定位,从而导致阀门密封副错位,不能起到良好的密封效果,而且因没有缓冲装置而不能起到防水锤的作用。而HH44X型微阻缓闭型止回阀虽然适用性较无缓闭型好,通过调整阀体下部缓闭导杆或活塞来实现缓闭,能在一定程度上防止水锤,但同样存在传动套磨损、密封性差、缓闭功能与系统工况调整不易实现等弊端。

总之,该类阀门内部配件极易磨损,阀门内漏严重,不能有效防止水锤和延长检修周期,导致设备临检频繁,造成人力、物力、财力的浪费。所以,此类普通阀门局限性大,不能满足实际需要,必须应用新工艺、新技术改进设备,以提高设备可靠性和安全性,延长检修周期。由于在系统出口处需使用兼备截止和止回功效的、能有效预防破坏性水锤的止回阀,而空程耦合斜座式缓闭止回阀则改进了以上不足,完善了设备。

2 空程耦合器的应用与分析

2.1 斜座式空程耦合止回阀特性

该阀通过动力装置、减速箱驱动空程耦合器带动阀轴、阀板(如图1所示),具有电动/手动开阀、关阀和节流作用及止回功效;同时,该阀可分快关和慢关,在取供水系统启动和正常停泵时,可起到节流和止回的运行功能并有油压缓闭装置,在事故情况和系统失电时,能自动有序完成快关、慢关,防止因事故造成的破坏性水锤发生;而且阀板与两传动半轴通过销钉定位并机械紧固,消除了普通悬起式止回阀旋转部分磨损造成的密封副错位、关闭不严现象,加之采用全金属密封副,密封性能好、寿命长,可实现免维护;传动轴等内部零部件不存在磨损问题,油压缓闭装置内设节流元件,能随工况及相应关阀要求调整缓闭时间。

图1 斜座式空程耦合止回阀

阀板倾斜也可有效防止水锤,据有关文献报道,阀板一般关到12°时容易发生水锤,所以,应设法避开水锤危险区。将阀座设计成倾斜12°角,使关闭行程缩短,可以很好地减少水锤风险,如图2所示。

图2 阀板倾斜示意图

2.2 各工况下空程耦合器的作用

空程耦合是新技术、新工艺在止回阀中的应用,大多采用电动装置驱动蜗轮蜗杆变速装置或带电磁离合的变速装置(以下分析均以蜗轮蜗杆变速装置为例)。该技术是在变速装置电动端和阀门传动轴端设计1对传动两爪,根据传动轴传动力矩的大小,设计出不同规格尺寸的耦合爪,利用传动爪之间的空程,实现空程范围内的电动轴与阀门传动轴之间的相对运动,共同组合成空程耦合器。

当耦合器齿爪处于空程(最大90°)位置时,蝶板可在12°(由于蝶板倾斜12°)～90°范围自由运动,当水泵突然失电及事故停泵时,可自动关阀,完全起到止回效果和防水锤作用。在需要节流时,电动端反向压住轴端耦合器齿爪,可进行不同角度的节流,具备一阀两用的特点。

(1)阀门全关锁定状态。因为阀座倾斜12°,蝶板密封啮合线与垂直线夹角为12°,也就是轴端耦合器齿中心线与垂直线夹角为12°,电装端耦合器齿爪与垂线夹角为62°(如图3所示),此时阀门关闭。当电动装置不运转时,电装端耦合器爪压着轴端耦合器齿,蝶板被锁定;同时,因为变速装置的蜗轮蜗杆具有自锁性,此时有正向水压也不能开启,阀门能保持良好的密封性。

(2)阀门正常开启状态。如图4所示,水泵启动,建立封闭压力之后,电动开向运行,耦合爪向开方向旋转,不再压制轴端耦合齿爪。建立封闭压力,如蝶板开到20°,因阀座倾斜12°,则实际只开了8°就能满足开阀需要,然后,蝶板在水泵动力水作用下悬起,水泵运行时蝶板将稳定在一定开度下而平稳工作。

(3)水泵失电及事故情况。如图5所示,如果阀门在全开状态下,水泵突然失电,则轴端耦合齿爪关向旋转,蝶板回转下落,蝶板在出水管上游水作用力矩、阀板自重力矩和重锤力矩的联合作用下使阀门自动关闭。假设蝶板全开到90°出现水泵失电事故,因阀座倾斜12°,则实际全开了78°。阀门的开度取决于水泵的实际流量,根据试验,一般情况下,蝶板开度在65°～75°范围已是比较理想的情况。现假定开度为75°,轴端耦合齿爪关向转动后仍与电动端耦合齿爪有2°的间隙,理论上不会产生2齿爪的相互碰撞。通过试验,要求电动全开限位小于90°,最好不大于85°,这样完全可保证其安全性。

(4)正常停泵关阀与节流调节。如图6所示,在正常运行停泵前,如果采用电动装置完全关阀,则电动装置不但要承受水泵出口的正向水动力力矩,而且还要承受缓闭油缸的阻尼力矩,电动装置就要承担越来越大的负荷。为了减少关阀时的这种风险,就要在正常停泵前先用电动装置将阀门蝶板关50°～60°然后停泵,阀门则自动关闭,同时可减少电动装置的负荷。

图6 正常停泵的耦合器

节流调节如图7所示,为电动装置带动电动端耦合齿爪强制关闭蝶板,达到限流调节,亦即关小电装运行角度,压小蝶板开度。假如限流调节在40°,如遇水泵突然失电,电动端耦合齿爪与轴端耦合齿爪仍有52°齿间隙,也不会产生两齿爪相碰现象,机构传动可靠,可保证安全的节流调节。

图7 节流调节状态的耦合器

总之,在正常停泵、水泵事故失电及节流各工况下,电装与轴端耦合都能满足理论要求,关闭状态都涉及快关、慢关性能,快关截断大量倒流水,慢关实现缓闭性能并防止水锤。

3 油压缓闭装置应用与分析

油压缓闭装置通过油缸活塞杆、回转拐臂与阀轴连接,阀门可按设定的关阀程序,通过快、慢2个阶段平稳关阀,保证水泵及系统运行安全。止回阀一旦安装在管道系统上,它就成为这一完整系统的流体部件之一,水泵突然失电时,其蝶板启闭过程就要受它所处系统瞬变流动状态的影响。另外,阀门的关阀特性又对流体流动状态产生反作用,一旦发生突然事故或失电,能有效防止破坏性水锤的发生。

3.1 快关、慢关特性

快关阶段蝶板在重锤力矩、蝶板自重力矩及倒流水作用下关闭80%～85%角行程,以截断大量倒流水。而慢关阶段是在快关阶段结束,由油缸中设定的节流元件进行节流,油缸下部的液压油对油缸活塞产生阻尼,开始慢关(如图8所示)。这种节流元件为变节流结构,节流面积随关阀过程蝶板角行程位移而变化,所以有较好的缓闭性能。

图8 关阀角行程-关阀时间曲线

3.2 缓闭功能调整

如图9所示,油压缓闭装置通过调整节流元件的节流面积大小(如图10所示),实现慢关时间的调整。

图9 油压缓闭装置

(1)当需要延长缓闭时间时,则将节流杆按箭头方向顺时针旋转,每旋转1周,节流结构上升2 mm,如果需要缩短缓闭时间,则逆时针旋转节流结构。

(2)若关阀时间太短并伴有明显的蝶板撞击声和水锤升压,即为油缸缓冲能力太弱,需要减小Ly值,若是双油缸则要保证两侧调整量相同;如关阀时间太长,则会发生水泵倒转现象,说明缸缓冲能力太强,需要增大Ly值。总的原则是:要有与工况相适应的缓闭时间,保证阀门正常关闭,不致水泵倒转,又具备良好的防水锤性能。

(3)阀门节流结构调整应在无介质情况下进行,油缸中注入#45抗磨液压油并排出缸内空气,在正常运行时,应能观察到油杯油位,停止时以油位大于1/2油杯体高度为宜。节流元件调整好应做好技术记录,记录Ly值和有关元件调整值并锁定调整元件;设备运行时不得随意调整节流装置,以防止出现与系统工况不相适应的情况;设备检修后应根据原始调整记录,恢复各调整值。

图10 节流结构

4 检修维护的关键点与建议

(1)根据使用情况,存在的主要问题为:缓闭油缸节流元件调整时,节流结构Ly值上升多少缓闭时间延长多少,或节流结构Ly值缩短多少缓闭时间减少多少,这之间没有确定的数据参考,应根据现场实际使用与总结来调整缓闭时间,需依据水泵扬程等工况条件和重锤之间的相互配合等,经反复多次才能最终确定。建议制造开发单位通过试验,总结出不同通径及各种条件工况下节流元件中的Ly值和缓闭时间,便于使用者在针对各自设备的调整时有参考依据,以达到易于调整和安全可靠之目的。

(2)节流结构位置的调整必须按程序要求结合实际进行,不能仅仅根据出水阀完全关闭或接近完全关闭时工况条件下,停泵关阀的缓闭性能作为依据进行调整。

(3)改进节流调整杆下方的密封装置,解决渗、漏油现象,因为密封是评价设备健康水平的重要标志之一。

(4)在实际检修中,如发现电动端和轴端耦合器两齿爪磨损变形或损坏,加工时应确定好扇形耦合齿爪的圆心角,控制好加工误差,防止在水泵失电或正常关闭时发生2齿爪相碰现象,保证耦合器处于良好的工作状态。

(5)需要先关水泵出水阀时,在水泵电动机电流达到空载然后停泵的系统中,其耦合器齿爪、蝶板要承受较大的正向水动力力矩和缓闭油缸阻尼力矩,因此,在保证耦合器齿爪必要的强度和扭矩的情况下,还必须满足电动机相应的功率要求,才能在对应工况下正常工作。

(6)选用合理、标准的水泵出水短管,避免短管太短、大小头直径比太大,否则,会造成泵出口处水流的湍流状态,导致局部水力损失增大、能耗高,而且还会使蝶板发生振动和摆动,因此,选用合理的水泵出水短管是十分必要的。