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摘要： 在熱水供熱系統(tǒng)中。水錘現(xiàn)象是客觀存在的，為了保證系統(tǒng)的安全，必須采取積極的預防措施；盡量減小水錘現(xiàn)象的發(fā)生、止回閥是供熱系統(tǒng)管路中一個十分重要的部件，本文研究了止回閥在供熱系統(tǒng)中的防水錘作用，建立了上回閥啟閉時的邊界條件．分析了普通止回閥的缺陷和防水錘止回閥的特性，研究了優(yōu)化關閉特性消除水錘和防止水泵倒轉的機理，得出有實際意義的結論，對于正確選擇和使用止回閥具有指導意義。 飽和蒸汽供熱系統(tǒng)是能源的基礎設施之一,是利用熱媒(水蒸汽)將熱能從熱源(供熱廠、站)通過供熱管網輸送到各熱用戶或用熱設備系統(tǒng)的總稱。隨著環(huán)保工作的開展及能源.
蒸汽止回閥(Steam Check Valve)，也叫蒸汽單向閥，蒸汽逆止閥，是指用在蒸汽管道上的止回閥，啟閉件靠蒸汽（或者冷凝水）流動和力量自行開啟或關閉，以防止蒸汽（或者冷凝水）倒流的閥門。一般采用旋啟式或者升降式兩種結構。
關鍵詞： 供熱系統(tǒng) 水錘 止回閥
一、前言
隨著我國國民經濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高。城市集中供熱系統(tǒng)已逐漸取代了家戶式的分散取暖爐，目前北京、沈陽等城市已經或正在建設大型的集中供熱系統(tǒng)，今后的集中供熱系統(tǒng)將向著大型化、復雜化的方向發(fā)展。這種大型化的集中供熱系統(tǒng)供熱規(guī)模大，水錘事故一旦發(fā)生破壞力強，后果嚴重，因此必須采取積極的預防措施，盡量減少和防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生。止回閥是供熱系統(tǒng)管路中一個十分重要的部件，止回閥的安裝位置、結構參數(shù)和關閉曲線對供熱系統(tǒng)的安全性和叮*性有很大影響。如果止回閥使用得當；能夠起到冰錘防護的作用；但是如果使用不當，不僅不能對供熱設備起到保護作用，而且會在供熱系統(tǒng)管線中引起很大的水燙。因此對止回閥在供熱系統(tǒng)中的防水錘作用進行研究具有很重要的實際意義和學術意義。
從流體瞬變運動的角度看；對于止回閥的要求下只在動力中斷時能夠開啟或關閉，而且應根據(jù)供熱管路中的流動狀況對啟閉速度有一定的要求。不適當?shù)膯㈤]速度將引起系統(tǒng)管路中的壓力突然升高或下降，當壓力的上升值足夠大時就會引起管子的破裂。為廠保證系統(tǒng)安全，必須合理選擇止回閥的結構形式和關閉曲線，使其起到防水錘的作用。本文研究了止回閥在供熱系統(tǒng)中的防水錘作用，建立了止回閥啟閉時的邊界條件，分析了普通止回閥的缺陷和防水錘止回閥的特性，研究了優(yōu)化關閉特性消除水錘和防止水泵倒轉的機理，得出有實際意義的結論，對于在供熱系統(tǒng)中正確選擇和使用止回閥具有指導意義。
二、止回閥及其應用
止回閥是用來防止管道或設備中介質倒流的一種閥廠。它利用流體的動能而開啟。在供熱系統(tǒng)中，止回閥常安裝在泵的出口、以及其它不允許流體反向流動的地方。選擇合適的止回閥型式對進行水錘防護有很大的影響，例如泵站中大量的水錘事故是與泵出口裝設的止回問有關的。事故停泵后水流通過京開始倒流，在倒泄水流的作用下，止回閥迅速關閉，如果止回閥由于故障或支座摩阻及其慣性的影響，止回閥有可能滯后于開始倒流的時間，即在倒流量增至一定值，甚至在zui大倒流量的瞬間迅速關閉，則能在止回閥處產生非常大的壓力。止回閥閥瓣在流速為零時關閉完畢是關閉的*狀態(tài)，要在流速為零時完成閥瓣關閉是不太可能的。一般認為，只要在零流量附近關閉完畢就是正常的。在熱水供熱系統(tǒng)中，為了減小事故停泵水錘，可以在循環(huán)水泵的壓水管和吸水管之間設置一帶止回閥的泄壓旁通管。在循環(huán)水泵運行時，由于水泵出水側水壓高于吸水側的水壓，止回閥呈關閉狀態(tài)。當突然停泵的瞬間，泵出水側壓力急劇降低，而吸水側壓力則大幅度增高，在此壓差作用下，循環(huán)水泵吸水側管路中的水即推開止回閥至泵出水側的管網系統(tǒng)，從而降低了吸水側管網中壓力增高的幅度；減少和防止了水錘的危害。裝置在泄壓旁通管上的止回閥應選用阻力較小、開啟靈活的產品。泄壓旁通管的管徑越大對減小水錘越有力，可以根據(jù)規(guī)定的壓力界限，通過瞬變計算，確定經濟的管徑。
（a） 無旁通管路
（b）有旁通管路
圖1 水泵出口處壓力一時間曲線圖1 給出了某供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵的壓水管和吸水管之間沒有旁通管、循環(huán)水泵斷電時，水泵出口壓隨時間變化的計算曲線（圖1（a）），和該系統(tǒng)增設帶止回間的泄壓旁通管后水泵出口壓力變化的計算曲線（圖1（b））。從圖中看出增加帶止回閥的旁通設計顯然對控止水錘壓力是有效的；管路中壓力振蕩很快衰減達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。莊頭波動的振幅也比沒有旁路設計時小很多。
三、止回閥啟閉時的邊界條件
如果水力坡度的基準線與閥門的軸線一致；則在定常流情況F，通過止回閥孔口的壓頭降△H0 與Q0 如下有關系：
(1)其中，CD 為流量系數(shù)，AG 為閥口開啟流通面積。在止回閥的啟閉過程中，瞬時的流量和壓頭降仍保持上述關系：
(2)如果定義閥門的無量鋼開度為
(3)它在止回閥啟閉過程中是時閥t 的函數(shù)，那么根據(jù)式（1）及式（2）有
(4)這就是止回閥啟閉時的邊界條件，式中的無量綱開度又稱閥門關閉曲線。對定常流，t=1 止回閥關閉時流量為零，t ＝0。上回閥啟閉時的邊界條件方程與供熱系統(tǒng)中的其它邊界條件方程、一維不定常流動的運動方程和連續(xù)方程聯(lián)解，就可以求出當止回閥無量綱開度變化時，供熱系統(tǒng)各計算截面壓力的變化情況。計算的目的是要尋求*的止回閥關閉過程，以便確定合理的止國閥結構參數(shù)（如閥辯直徑、配重等）。
蒸汽采暖系統(tǒng)就是以蒸汽為熱媒進行采暖的，一種方式。
水在鍋爐的鍋筒內加熱蒸發(fā)，在鍋簡的上部空間因不斷地加熱蒸發(fā)而變成飽和蒸汽和過熱蒸汽。當鍋筒內空間達到一定的壓力，將具有一定壓力的蒸汽通過管道輸送到散熱設備稱為蒸汽采暖。
它與熱水采暖相比有如下優(yōu)缺點:
蒸汽采暖系統(tǒng)的優(yōu)點:
(1)熱媒溫度度，熱效率高，又蒸汽在管內允許流速較大，所以可節(jié)省管材和散熱器的數(shù)量。
(2)由于蒸汽密度比水小用于高層建筑采暖，底層散熱器不會出現(xiàn)超壓現(xiàn)象。
(3)因蒸汽是靠自身蒸汽壓力輸送到系統(tǒng)中去的，凝結水靠其管道坡度及疏水器余壓流至凝結水箱(或池)內。節(jié)省了輸送介質的動力設備的投資和運行中電耗的費用，易于管理。
蒸汽采暖系統(tǒng)的缺點:
(1)因管道和散熱器表面溫度高(尤其高壓蒸汽)，灰塵聚積后易產生升華現(xiàn)象并產生異味。污染室內空氣，容易燙傷人。
(2)蒸汽采暖可使室內空氣干燥，熱惰性較小。室溫隨供暖間歇波動較大，驟冷驟熱易使管件和散熱器連接處泄漏，維修量較大。
(3)因系統(tǒng)的泄漏、鍋爐運行時的排污、疏水器漏汽、凝結水回收率低等因素造成無效熱損失較大。
( 4)系統(tǒng)停運時，系統(tǒng)充滿空氣，易造成管內壁腐蝕，縮短使用壽命。
熱水采暖系統(tǒng)的優(yōu)點:
(1)因熱媒溫度較低，室內衛(wèi)生條件較好，而系統(tǒng)水容量大.聽以熱惰性人。室溫波動較小，人有舒適感，不燥熱。
(2)系統(tǒng)不易泄漏，無效熱損失少，因此燃料消耗量較低。
(3)不管系統(tǒng)運行與否，管內均充滿水，空氣氧化腐蝕較小，管道使用壽命較長。
(4)可在鍋爐房(或換熱站)內，根據(jù)室外溫度變化，集中調節(jié)供水溫度和循環(huán)流量，以滿足室溫恒定要求，因此供暖的質量較高。
(5)易于維修管理，泄漏少。
熱水采暖系統(tǒng)的缺點:
(1)系統(tǒng)在停運時，系統(tǒng)靜水壓力較大。在高層建筑內，底層散熱器易發(fā)生超壓現(xiàn)象。
(2)熱水系統(tǒng)是靠水泵來克服系統(tǒng)阻力而循環(huán)的，因系統(tǒng)水容量大，因此循環(huán)水泵的功率大，耗電量多，增加運行費用。
(3)當采用熱水采暖時，管內流速不宜過大，因流速過大會增加摩擦阻力損失而加大循環(huán)動力，因此管徑選擇應滿足在規(guī)定的流速值之內，管徑比蒸汽采暖偏大。
根據(jù)上述蒸汽和熱水采暖各自特點，一般對室內溫度要求較為恒定舒適的民用及公共建筑多采用熱水采暖，而對室內要求升溫較快、人們停留時間較為集中、或停留時間較短暫、衛(wèi)生條件要求不甚嚴格的工廠、車間和公共建筑場所等可采用蒸汽采暖，對具有較充足的蒸汽熱源的地方也可采用蒸汽作為熱媒。
四、普通止回閥和防水錘止回閥
選擇合適的止回閥型式，對供熱系統(tǒng)的水錘防護有很大的影響，特別是安裝在泵出口處的止回閥尤其要注意選擇合適的型式。事故停泵時，希望它能自動迅速關閉，阻止水倒流沖擊水泵而發(fā)生飛逸反轉，但是如果關閉不當，就會造成嚴重的管網水錘，對安全供熱構成威脅，嚴重的水錘會對供熱系統(tǒng)造成癱瘓性的破壞，對生產及生活造成影響和損失。
1.普通止回閥的缺陷
目前供熱系統(tǒng)中常用的止回閥在這里稱為普通止回閥，主要由閥體、閥瓣和閥蓋構成，它有如下的缺點：
（1）事故停泵時閥門迅速關閉，造成閥后的空穴，空穴在正負水錘波的作用下，反復產生和自滅，造成閥門的空蝕破壞，使其壽命縮短。
（2）當閥辯動作不靈活時，關閉緩慢，水倒流，沖擊葉輪產生飛逸反轉而破壞泵設備。
（3）正常運行時，閥瓣飄在水中，不停地擺動和振動，因而流阻大、摩擦大、耗能高、壽命短。
2．防水錘止回閥的特點
熱水供熱系統(tǒng)發(fā)生水錘集中供熱發(fā)展進程中出現(xiàn)的實際問題，止回閥型式對供熱系統(tǒng)水錘壓力的影響越來越引起國內外供熱界的重視。在熱水供熱系統(tǒng)中應盡可能地選用防水錘止回閥。防水錘止回閥克服了普通止回閥的缺點，具有如下特點：
（1）啟泵后閥門能及時迅速打開。
（2）正常運行時，要求閥瓣有盡可能大的開啟角，并能穩(wěn)定在全開位置。
（3）停泵時閥門有優(yōu)化的關閉特性，在突然停泵時即能阻止水倒流保護水泵不致發(fā)生飛逸反轉，達到保護水
泵的目的，又能使其在關閉的zui后階段實現(xiàn)緩閉，減少突然關閉造成管路中的水錘，達到保護管路的目的。圖2 給出了在水泵出口安裝普通止回閥；當停泵時止回閥下游側壓力隨時間變化的實測曲線（圖2（a））；和在該水泵出口安裝丹麥丹佛斯公司402M 防水錘止回閥，當停泵時止回閥下游側壓力隨時間變化的實測曲線（圖2（b））。測試管徑150 毫米，定常態(tài)時管道流量155 立方米／時；止回閥下游側壓力5 巴。從圖2 中看出安裝普通止回閥時，停泵引起止回閥處的zui大壓力達到20 巴，而安裝防水錘止回閥在同樣的工況下，止回閥處zui大壓力只有10 巴，減小了停泵引起的水錘。
（a） 普通止回閥
（b） 防水錘止回閥
圖2 止回閥下游側壓力-時間曲線
序號 | 材 料 名 稱 | 規(guī)格型號 | 數(shù)量 | 備 注 |
1 | 電動蝶閥 | DN500 PN1.6 | 1個 | D943H-16C |
2 | 法蘭靜音止回閥 | DN500 PN1.6 | 1個 | HC42X-16C |
3 | 法蘭蝶閥 | DN600 PN1.6 | 1個 | D343H-16C |
4 | 切止閥 | DN200 PN1.6 | 1個 | 過熱蒸汽用H44H-16C |
5 | 切止閥 | DN250 PN1.6 | 1個 | 過熱蒸汽用H44H-16C |
6 | 切止閥 | DN450 PN1.6 | 1個 | 過熱蒸汽用H44H-16C |
7 | 安全閥 | DN150 PN1.6 | 1個 | 過熱蒸汽用A48H-16C |
8 | 閘閥 | DN25 PN1.6 | 2個 | Z41H-16C |
五、優(yōu)化關閉特性消除水錘和防止水泵倒轉的機理
根據(jù)停泵的水力過渡過程理論，在水泵出口不設置止回閥時，當突然停泵時，其水錘過程可分為三個階段。
l 水泵工況
停電后，水泵由于慣性轉動，管中水流繼續(xù)正向流動，但其速度逐漸減小，直至水流速度變?yōu)榱恪＿@一階段又稱為"正流才轉"。
2 制動工況
瞬態(tài)靜止的水，由于受靜水頭的作用開始倒流，回沖水流對仍在正轉的水泵葉輪起制動作用，于是轉速繼續(xù)降低，直至轉速為零。這一階段又稱為"逆流正轉"。
3 水輪機工況
隨著倒泄水流的加大，水泵開始反轉并逐漸加速，zui后在飛逸轉速情況下反向旋轉運行。這一階段又稱為"逆流反轉"。通過分析可以看出，停泵后水流從正向流動到逆向流動，在理論上有一個零流量點，即瞬時水流靜止，若此時閥門迅速關閉，水流的慣性沖擊zui小，即產生的水錘zui小。但實際上由于許多因素的存在，下可能將零流量點出現(xiàn)的時間確定的很準。另外閥門關閉需要一段時間，在零流量點完成閥瓣關閉是不太可能的。所以將閥門關閉參數(shù)設定為在開度較大時，用較快的速度關閉一個較大的角度，截斷大量水流，這時閥門的無量綱開度的變化并不大。但是在臨近關閉時，較小幅度的關閉閥門也會引起無量綱開度的顯著變化，從而引起流速和壓力的顯著變化。因此在臨近關閉時，用較慢的速度關閉個較小的角度、延長閥門的關閉時間、此時雖然關閉時間較長，但由于止回閥開度已很小，逆流水流受到的閥門阻力很大，逆流量較小，所以不致于使水泵超速反轉，這樣即減小了水錘又解決了水泵超速反轉問題。止回閥是整個供熱系統(tǒng)中的一個部件，對它的動作要求不是一成不變的，而是根據(jù)系統(tǒng)而定。某種關閉速度可能對某一系統(tǒng)來說是適宜的，但對另一系統(tǒng)則可能并不合適，正確的分析和確定止回閥關閉程序是消除水錘和防止逆轉的關鍵；錘燙的分析及關閉參數(shù)應當根據(jù)規(guī)定的關閉時間、規(guī)定的zui大（zui小）壓力界限。合理地進行調節(jié)計算，有效地控制關閥過程。
六、結論
1 在水泵的出水管路和壓水管之間連接帶止回閥的泄壓旁通管路的辦法，對控制水泵故障時的水錘壓力具有很好的效果。
2 防水錘止回閥克服了普通止回閥的缺點，在熱水供熱系統(tǒng)中應盡可能地選用防水錘止回閥。
3 在水泵的出口處應該設置防水錘止回閥。即可以防止水泵突然停泵時的超速反轉。又可以減小突然停泵引起
的水錘。
4 止回闊的動作要求不是一成不變的。應該根據(jù)系統(tǒng)而定，本文給出了描述止回響后閉時的邊界條件方程。
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