止回閥在供熱系統中的防水錘作用

北京建筑工程學院 李銳
清華大學熱能系 蔡啟林

摘要在熱水供熱系統中水錘現象是客觀存在的為了保證系統的安全必須采取積極的預防措施盡量減小水錘現象的發生止回閥是供熱系統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

一前言

隨著我國國民經濟的發展和人民生活水平的不斷提高城市集中供熱系統已逐漸取代 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今 后的集中供熱系統將向著大型化復雜化的方向發展這種大型化的集中供熱系統供熱規 模大水錘事故一旦發生破壞力強后果嚴重因此必須采取積極的預防措施盡量減少 和防止水錘現象的發生

止回閥是供熱系統管路中一個十分重要的部件止回閥的安裝位置結構參數和關閉 曲線對供熱系統的安全性和叮靠性有很大影響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而且會在供熱系統管線 中引起很大的水燙因此對止回閥在供熱系統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 且應根據供熱管路中的流動狀況對啟閉速度有一定的要求不適當的啟閉速度將引起系統 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甚至在最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最佳狀態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

在熱水供熱系統中為了減小事故停泵水錘可以在循環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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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可以根據規定的壓力界限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給出了某供熱系統循環水泵的壓水管和吸水管之間沒有旁通管循環水泵斷電 時水泵出口壓力隨時間變化的計算曲線（圖1（a））和該系統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定狀態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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那么根據式（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 τ=1止回閥關閉時流量為零τ=0

上回閥啟閉時的邊界條件方程與供熱系統中的其它邊界條件方程一維不定常流動的 運動方程和連續方程聯解就可以求出當止回閥無量綱開度變化時供熱系統各計算截面 壓力的變化情況計算的目的是要尋求最佳的止回閥關閉過程以便確定合理的止國閥結 構參數（如閥辯直徑配重等）

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

熱水供熱系統發生水錘集中供熱發展進程中出現的實際問題止回閥型式對供熱系統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并能穩定在全開位置

（3）停泵時閥門有優化的關閉特性在突然停泵時即能阻止水倒流保護水泵不致發生 飛逸反轉達到保護水泵的目的又能使其在關閉的最后階段實現緩閉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 止回閥處的最大壓力達到20巴而安裝防水錘止回閥在同樣的工況下止回閥處最大壓 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

五優化關閉特性消除水錘和防止水泵倒轉的機理

根據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管中水流繼續正向流動但其速度逐漸減小直至水流 速度變為零這一階段又稱為"正流才轉"

2 制動工況

瞬態靜止的水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最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水流的慣性沖擊最小即產生的水錘最小但實 際上由于許多因素的存在下可能將零流量點出現的時間確定的很準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中的一個部件對它的動作要求不是一成不變的而是根據系 統而定某種關閉速度可能對某一系統來說是適宜的但對另一系統則可能并不合適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應 當根據規定的關閉時間規定的最大（最小）壓力界限合理地進行調節計算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應該根據系統而定本文給出了描述止回響 后閉時的邊界條件方程

參考文獻

1 E.B.Wylie&V.L.Streeter《瞬變流》清華大學流體傳動與控制教研組譯水 利電力出版社1983
2 哈爾濱建筑工程學院等（供熱工程）中國建筑工業出版社,1985
3 蔡啟林（供熱系統分析）清華大學熱能系1991
4 石兆玉《供熱系統運行與調節》清華人學出版社1994