止回阀在供热系统中的防水锤作用

一、前言

　　随着我国国民经济的发展和人民生活水平的不断提高。城市集中供热系统已逐渐取代了家户式的分散取暖炉，目前北京、沈阳等城市已经或正在建设大型的集中供热系统，今后的集中供热系统将向着大型化、复杂化的方向发展。这种大型化的集中供热系统供热规模大，水锤事故一旦发生破坏力强，后果严重，因此必须采取积极的预防措施，尽量减少和防止水锤现象的发生。
　　止回阀是供热系统管路中一个十分重要的部件，止回阀的安装位置、结构参数和关闭曲线对供热系统的安全性和叮靠性有很大影响。如果止回阀使用得当；能够起到冰锤防护的作用；但是如果使用不当，不仅不能对供热设备起到保护作用，而且会在供热系统管线中引起很大的水烫。因此对止回阀在供热系统中的防水锤作用进行研究具有很重要的实际意义和学术意义。
　　从流体瞬变运动的角度看；对于止回阀的要求下只在动力中断时能够开启或关闭，而且应根据供热管路中的流动状况对启闭速度有一定的要求。不适当的启闭速度将引起系统管路中的压力突然升高或下降，当压力的上升值足够大时就会引起管子的破裂。为厂保证系统安全，必须合理选择止回阀的结构形式和关闭曲线，使其起到防水锤的作用。本文研究了止回阀在供热系统中的防水锤作用，建立了止回阀启闭时的边界条件，分析了普通止回阀的缺陷和防水锤止回阀的特性，研究了优化关闭特性消除水锤和防止水泵倒转的机理，得出有实际意义的结论，对于在供热系统中正确选择和使用止回阀具有指导意义。

二、止回阀及其应用

　　止回阀是用来防止管道或设备中介质倒流的一种阀厂。它利用流体的动能而开启。在供热系统中，止回阀常安装在泵的出口、以及其它不允许流体反向流动的地方。选择合适的止回阀型式对进行水锤防护有很大的影响，例如泵站中大量的水锤事故是与泵出口装设的止回问有关的。事故停泵后水流通过京开始倒流，在倒泄水流的作用下，止回阀迅速关闭，如果止回阀由于故障或支座摩阻及其惯性的影响，止回阀有可能滞后于开始倒流的时间，即在倒流量增至一定值，甚至在最大倒流量的瞬间迅速关闭，则能在止回阀处产生非常大的压力。止回阀阀瓣在流速为零时关闭完毕是关闭的最佳状态，要在流速为零时完成阀瓣关闭是不太可能的。一般认为，只要在零流量附近关闭完毕就是正常的。
　　在热水供热系统中，为了减小事故停泵水锤，可以在循环水泵的压水管和吸水管之间设置一带止回阀的泄压旁通管。在循环水泵运行时，由于水泵出水侧水压高于吸水侧的水压，止回阀呈关闭状态。当突然停泵的瞬间，泵出水侧压力急剧降低，而吸水侧压力则大幅度增高，在此压差作用下，循环水泵吸水侧管路中的水即推开止回阀至泵出水侧的管网系统，从而降低了吸水侧管网中压力增高的幅度；减少和防止了水锤的危害。装置在泄压旁通管上的止回阀应选用阻力较小、开启灵活的产品。泄压旁通管的管径越大对减小水锤越有力，可以根据规定的压力界限，通过瞬变计算，确定经济的管径。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　（a）　无旁通管路


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（b）有旁通管路
图1　水泵出口处压力一时间曲线
　　图1给出了某供热系统循环水泵的压水管和吸水管之间没有旁通管、循环水泵断电时，水泵出口压力随时间变化的计算曲线（图1（a）），和该系统增设带止回间的泄压旁通管后水泵出口压力变化的计算曲线（图1（b））。从图中看出增加带止回阀的旁通设计显然对控止水锤压力是有效的；管路中压力振荡很快衰减达到新的稳定状态。庄头波动的振幅也比没有旁路设计时小很多。

三、止回阀启闭时的边界条件

　　如果水力坡度的基准线与阀门的轴线一致；则在定常流情况F，通过止回阀孔口的压头降△H₀与Q₀如下有关系：
　　　　　　(1) 
　　其中，C_D为流量系数，A_G为阀口开启流通面积。在止回阀的启闭过程中，瞬时的流量和压头降仍保持上述关系：
　　　　　　(2) 
　　如果定义阀门的无量钢开度为
　　　　　　(3)
　　它在止回阀启闭过程中是时阀t的函数，那么根据式（1）及式（2）有
　　　　　　(4)
　　这就是止回阀启闭时的边界条件，式中的无量纲开度又称阀门关闭曲线。对定常流，τ=1止回阀关闭时流量为零，τ＝0。
　　上回阀启闭时的边界条件方程与供热系统中的其它边界条件方程、一维不定常流动的运动方程和连续方程联解，就可以求出当止回阀无量纲开度变化时，供热系统各计算截面压力的变化情况。计算的目的是要寻求最佳的止回阀关闭过程，以便确定合理的止国阀结构参数（如阀辩直径、配重等）。

四、普通止回阀和防水锤止回阀

　　选择合适的止回阀型式，对供热系统的水锤防护有很大的影响，特别是安装在泵出口处的止回阀尤其要注意选择合适的型式。事故停泵时，希望它能自动迅速关闭，阻止水倒流冲击水泵而发生飞逸反转，但是如果关闭不当，就会造成严重的管网水锤，对安全供热构成威胁，严重的水锤会对供热系统造成瘫痪性的破坏，对生产及生活造成影响和损失。
1.普通止回阀的缺陷
　　目前供热系统中常用的止回阀在这里称为普通止回阀，主要由阀体、阀瓣和阀盖构成，它有如下的缺点：
　　（1）事故停泵时阀门迅速关闭，造成阀后的空穴，空穴在正负水锤波的作用下，反复产生和自灭，造成阀门的空蚀破坏，使其寿命缩短。
　　（2）当阀辩动作不灵活时，关闭缓慢，水倒流，冲击叶轮产生飞逸反转而破坏泵设备。
　　（3）正常运行时，阀瓣飘在水中，不停地摆动和振动，因而流阻大、摩擦大、耗能高、寿命短。
2．防水锤止回阀的特点
　　热水供热系统发生水锤集中供热发展进程中出现的实际问题，止回阀型式对供热系统水锤压力的影响越来越引起国内外供热界的重视。
　　在热水供热系统中应尽可能地选用防水锤止回阀。防水锤止回阀克服了普通止回阀的缺点，具有如下特点：
　　（1）启泵后阀门能及时迅速打开。
　　（2）正常运行时，要求阀瓣有尽可能大的开启角，并能稳定在全开位置。
　　（3）停泵时阀门有优化的关闭特性，在突然停泵时即能阻止水倒流保护水泵不致发生飞逸反转，达到保护水泵的目的，又能使其在关闭的最后阶段实现缓闭，减少突然关闭造成管路中的水锤，达到保护管路的目的。
　　图2给出了在水泵出口安装普通止回阀；当停泵时止回阀下游侧压力随时间变化的实测曲线（图2（a））；和在该水泵出口安装丹麦丹佛斯公司402M防水锤止回阀，当停泵时止回阀下游侧压力随时间变化的实测曲线（图2（b））。测试管径150毫米，定常态时管道流量155立方米／时；止回阀下游侧压力5巴。从图2中看出安装普通止回阀时，停泵引起止回阀处的最大压力达到20巴，而安装防水锤止回阀在同样的工况下，止回阀处最大压力只有10巴，减小了停泵引起的水锤。
 
　　　　　　　　　　　　　　　　　（a）　普通止回阀


　　　　　　　　　　　　　　　　　（b）　防水锤止回阀

图2　止回阀下游侧压力-时间曲线

五、优化关闭特性消除水锤和防止水泵倒转的机理

　　根据停泵的水力过渡过程理论，在水泵出口不设置止回阀时，当突然停泵时，其水锤过程可分为三个阶段。
　　l 水泵工况
　　停电后，水泵由于惯性转动，管中水流继续正向流动，但其速度逐渐减小，直至水流速度变为零。这一阶段又称为"正流才转"。
　　2 制动工况
　　瞬态静止的水，由于受静水头的作用开始倒流，回冲水流对仍在正转的水泵叶轮起制动作用，于是转速继续降低，直至转速为零。这一阶段又称为"逆流正转"。
　　3 水轮机工况
　　随着倒泄水流的加大，水泵开始反转并逐渐加速，最后在飞逸转速情况下反向旋转运行。这一阶段又称为"逆流反转"。
　　通过分析可以看出，停泵后水流从正向流动到逆向流动，在理论上有一个零流量点，即瞬时水流静止，若此时阀门迅速关闭，水流的惯性冲击最小，即产生的水锤最小。但实际上由于许多因素的存在，下可能将零流量点出现的时间确定的很准。另外阀门关闭需要一段时间，在零流量点完成阀瓣关闭是不太可能的。所以将阀门关闭参数设定为在开度较大时，用较快的速度关闭一个较大的角度，截断大量水流，这时阀门的无量纲开度的变化并不大。但是在临近关闭时，较小幅度的关闭阀门也会引起无量纲开度的显著变化，从而引起流速和压力的显著变化。因此在临近关闭时，用较慢的速度关闭个较小的角度、延长阀门的关闭时间、此时虽然关闭时间较长，但由于止回阀开度已很小，逆流水流受到的阀门阻力很大，逆流量较小，所以不致于使水泵超速反转，这样即减小了水锤又解决了水泵超速反转问题。
　　止回阀是整个供热系统中的一个部件，对它的动作要求不是一成不变的，而是根据系统而定。某种关闭速度可能对某一系统来说是适宜的，但对另一系统则可能并不合适，正确的分析和确定止回阀关闭程序是消除水锤和防止逆转的关键；锤烫的分析及关闭参数应当根据规定的关闭时间、规定的最大（最小）压力界限。合理地进行调节计算，有效地控制关阀过程。

六、结论

1 在水泵的出水管路和压水管之间连接带止回阀的泄压旁通管路的办法，对控制水泵故障时的水锤压力具有很好的效果。
　　2 防水锤止回阀克服了普通止回阀的缺点，在热水供热系统中应尽可能地选用防水锤止回阀。
　　3 在水泵的出口处应该设置防水锤止回阀。即可以防止水泵突然停泵时的超速反转。又可以减小突然停泵引起的水锤。
　　4 止回阔的动作要求不是一成不变的。应该根据系统而定，本文给出了描述止回响后闭时的边界条件方程。

参考文献

　　1 E.B.Wylie&V.L.Streeter《瞬变流》，清华大学流体传动与控制教研组译，水利电力出版社1983
　　2 哈尔滨建筑工程学院等，（供热工程）、中国建筑工业出版社,1985
　　3 蔡启林，（供热系统分析），清华大学热能系1991
　　4 石兆玉，《供热系统运行与调节》，清华人学出版社1994