大口径液控缓闭蝶阀设计要求

引言

大口径液控缓闭蝶阀采用机械、液压、电控、计算机一体化形式，可替代闸阀、止回阀、调节阀，节材、节能、节耗、节省占地空间；该阀门具有分阶段开阀与关阀功能，因此，在开阀过程中能有效控制水击，在关闭过程中能有效地消除停泵关闭水锤，保护管路与设备安全，同时在管路上安装时因其具有伸缩功能安装时非常便利。但传统的阀门只具有单一的功能，闸阀只起闸阀的作用，止回阀只起止回阀的作用，在管路上开启与关闭时不能够有效控制水击，因此液控缓闭蝶阀被电厂、水厂广泛采用。

1 设计原理

1.1 阀门工况分析

液控缓闭蝶阀分重锤式和蓄能式两种，使用工况主要有离心泵工况和水轮机工况等。

开阀离心泵工况（包括离心式混流泵）：先启动泵，延迟预定时间后开阀。开阀水轮机工况：先开启旁通阀平衡压力，再开阀，后开启水轮机。各种工况均要求在停机或停电的同时关闭阀门。

1.2 阀门类型

（1）重锤式。开阀时，电磁阀换向，油泵启动，液压油经流量控制阀、高压胶管进入油缸，推动活塞将阀门开启。开阀到位后自动保压系统启动，电机继续给保压蓄能充压，压力达高压力设定点后停机。旋转流量控制阀手轮可以调整开阀时间。

关阀时，电磁阀换向，油缸内的压力油经快、慢关节流阀、高压胶管、电磁阀回到油箱，重锤落下，蝶板旋转关阀，迅速切断前约70%行程的大部分水流，后30%行程则缓慢关闭。快慢关角度及各阶段时间可以根据管道实际工况进行调节，有效消除管道水锤。

（2）蓄能式。开阀时，电磁阀换向，蓄能器释放能量，液压油经调速阀，单向阀及高压胶管进入油缸，推动活塞运动，阀门按调定的程序开启，蝶板开至机械限位调定全开位置。

关阀时，电磁阀换向，蓄能器释放能量，推动油缸反向动作带动蝶板按调定程序关闭阀门至全关位置。

启闭过程中，当系统油压低于压力控制器调定下限值时，油泵自动开启，给蓄能器蓄能，当蓄能器能量贮存至压力控制器调定上限值时，油泵停止运转。

电器与液压部分组成控制系统，可实现泵阀联动、远距离控制、PLC编程控制操作，提供DCS触点接口，供计算机管理。

2  设计主要技术性能参数（见表1）

表1 技术性能参数

3  结构设计

     液控缓闭蝶阀由阀门主体、液压驱动装置和电器控制系统三大部分组成；按关闭动力分重锤式和蓄能器式两种。图1为重锤式液控缓闭蝶阀结构，图2为蓄能器式液控缓闭蝶阀结构。

                      1-阀体；2-碟板；3-阀杆；4-重锤；5-行程开关；

6-液压站；7-电控柜；8-液压缸

图1 重锤式液控缓闭蝶阀

1-阀体；2-碟板；3-阀杆；4-行程开关；5-电控柜；

6-液压站；7-蓄能器；8-液压缸

图2 蓄能式液控缓闭蝶阀

     重锤式为早期传动结构，其特点为平时靠举起的重锤积蓄势能，在紧急关闭时刻，重锤快速落下，势能释放，动能增加，带动蝶板快速关闭，优点是能量积蓄可靠，关闭速度可靠稳定，缺点是占用空间大（重锤回转半径），重锤重量重，运行期间，如传动链有松动会导致振动大。

     蓄能式为新式驱动机构，其开启关闭均靠蓄能罐中集蓄的能量释放，优点是体积小，重量轻，液压系统保压使用十分可靠；缺点是造价较高，对液压系统要求较严格。阀门主体、液压驱动装置，整体紧密安装称为连体式，二者分离安装称为分体式，连体式结构位置紧凑，输出油管距离短，流阻小，紧急关闭时间短，缺点是液压站承受的振动大，维修拆装不方便，分体式将液压站置于阀门主体之外，避免液压站零件在持续振动中工作，同时维修阀门主体不必拆装庞大的液压站，但其缺点是占用空间大，输送管道较长，流阻大，易影响开关的速度。

设计选用标准

1．阀门的结构长度标准按GB/T12221—2005

2．阀门的连接法兰标准按GB/T9113.1—2000

3．阀门压力试验与检验标准按GB/T13927-1992

4 阀门启闭力矩的计算

     阀门主体结构及阀体二端支承密封结构确定后，可以计算最大动水作用力，最大动水力矩和合成力矩均发生在阀门接近关闭时，阀门启闭力矩计算如下（重锤式液控蝶阀）：

（1）以离心泵为例，阀后有水，先开泵后开阀，待泵达到额定压力后开启阀门，这时阀前压力为水泵零流量时压力，阀后压力为泵站几何扬程压力，阀门开启力矩为：

式中：

MC——阀轴二端轴承处摩擦力矩，N•m；

MT——阀轴与密封填料摩擦力矩，N•m；

MM——阀体通径密封面摩擦力矩，N•m；

MH——阀门液压系统阻力矩，N•m；

MG——重锤力矩，N•m；

θ——阀门全关时重锤连杆与管道轴线之间夹角。

（2）阀后无水，先开泵后开阀，此时阀前压力为水泵零流量时压力，阀后压力为零，此时操作力矩最小，其值为：

以上计算可知

（1）设计液压工作力矩应大于最大操作力矩并考虑安全系数，才能可靠地开启阀门。

（2）阀门开启程序为先开泵后开阀，而为防止管道水锤升压和控制水泵叶轮倒转，关闭程序为先关阀后停泵。

5 阀门的液压控制系统

（1）阀门的液压系统包括摆动油缸、蓄能器和电磁阀等液压元件。

（2）摆动油缸是开启阀门的驱动机构和关阀时的制动阻尼机构，角度调节阀和调速阀调节和控制蝶阀的启闭速度、快慢关角度。

（3）蓄能器是启闭蝶阀的动力源，蓄能器的能量靠电机和油泵提供，同时，蓄能器、数显示压力控制器与油泵组成自动保压蓄能闭环系统，可稳定系统压力，保证蝶阀正常启闭，若系统压力降到调定值以下，油泵自动启动，向蓄能器补压。

6 阀门电气控制系统

电气控制系统分为普通继电控制型和PLC智能控制型两种类型。

普通继电控制型逻辑运算用继电器来实现：它不仅可以就地操作，也可以接入DCS系统来实现远程控制与就地状态用万能转换开关切换。可以接收的远程信号有：开阀、关阀、停止、水泵状态、管道压力等；输出供远程DCS监控的信号有：阀门开度位置信号、状态信号、油泵状态信号、锁定状态信号、故障信号、4～20mA模拟信号等，除了阀门状态4～20mA信号外，其余信号均为无源干接点开关量信号。

PLC智能控制型逻辑运算用可编程控制器PLC来实现，这不仅提高了系统逻辑运算的可靠性，而且简单，便于维护，同时因为其功能的扩展、加工文本显示器、触能屏等人机界面的使用，使其在智能化方面得到了充分体现。

7 结束语

本文设计的液控缓闭蝶阀是一种管路控制设备，主要安装于水电站水轮机进口，用作水轮机阀；或安装于水利、电力、给排水等各类泵站的水泵出口，代替止回阀、闸阀的作用。工作时，该阀通过预设的启闭程序快关、慢关、慢开、快开，实现管路的可靠截止，有效消除管路水锤，对于节能、节水及环保均有很大好处。

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