萬家寨引黃北干線輸水工程調(diào)流調(diào)壓閥應(yīng)用技術(shù)

李 明

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院山西太原030024）

1 萬家寨引黃北干線工程概況

萬家寨引黃北干線工程是一項(xiàng)大型引水工程，主要是用于解決大同市、朔州市工業(yè)及居民生活用水。

北干線起點(diǎn)從下土寨分水閘開始至大同的墻框堡水庫，全長154km。中間主要建筑有：無壓輸水隧洞、1#輸水線路、金沙灘水庫、2#輸水線路。北干輸水線路布置如圖1所示。74.25km。采用內(nèi)徑2.2m的PCCP有壓輸水，設(shè)計(jì)流量在9.9～7.7m3/s之間。

圖1 北干輸水線路縱斷示意圖

1#輸水線路從無壓隧洞出口豎井起至金沙灘水庫止，全長2#輸水線路從金沙灘放水工作閥起至墻框堡水庫末端式調(diào)流調(diào)壓閥，線路全長38.53km。采用內(nèi)徑2.2m的PCCP有壓輸水，設(shè)計(jì)流量在7.3～6.0 m3/s之間。

引黃北干線1#、2#輸水線路特點(diǎn)是：線路長，地形變化大；供水流量變幅大、在小流量供水時(shí)1#、2#輸水線路都需要消能處理。當(dāng)調(diào)節(jié)供水流量時(shí)，管道內(nèi)產(chǎn)生的水擊比較復(fù)雜，對(duì)管線影響比較大，管線流量調(diào)節(jié)裝置直接影響到了管線設(shè)計(jì)和投資，也直接影響輸水安全和可靠性。

調(diào)節(jié)控制閥的選型設(shè)計(jì)中，主要問題是：何種型式的調(diào)流減壓設(shè)備能滿足輸水線路運(yùn)行要求，并使工程造價(jià)最低；根據(jù)調(diào)流減壓設(shè)備的特性選擇合理安裝位置，節(jié)省管線造價(jià)；然后是根據(jù)輸水線路的特性指標(biāo)選擇調(diào)流減壓設(shè)備的運(yùn)行方式，以達(dá)到輸水線路的安全。

圖2 多噴孔淹沒式套筒閥

2 調(diào)流調(diào)壓閥類型選擇

目前國內(nèi)使用在輸水線路上的既能調(diào)流又減壓的設(shè)備主要有調(diào)流調(diào)壓閥（簡稱調(diào)節(jié)閥），其結(jié)構(gòu)型式有兩種，一是活塞式，二是多噴孔套筒式，如圖2。這兩種調(diào)節(jié)閥在減壓及調(diào)節(jié)方式上基本相同，不同點(diǎn)主要在結(jié)構(gòu)方面。多噴孔套筒閥還分為在線式和淹沒式，在線式是串在輸水線上安裝，淹沒式是安裝在輸水線末端。多噴孔套筒閥其結(jié)構(gòu)比活塞式要長很多，閥行程比較大，消能噴孔是以螺旋梅花狀布置，流量調(diào)節(jié)變化連續(xù)性好，全行程流量調(diào)節(jié)為線性變化，調(diào)節(jié)精度高?；钊绞切￠_度時(shí)線性變化較好，大開度時(shí)流量變化較大，開度線上翹。根據(jù)北干線工程布置及運(yùn)行調(diào)節(jié)要求，選擇調(diào)節(jié)精度高的多噴孔套筒閥比較合適。1#輸水線因進(jìn)、出口壓差比較大，選擇在線式調(diào)節(jié)閥，使管線分為兩段，降低管道設(shè)計(jì)壓力。2#輸水線進(jìn)、出口壓差比較小，可選擇末端淹沒式調(diào)節(jié)閥。

3 調(diào)流調(diào)壓閥特性優(yōu)化

3.1 調(diào)節(jié)閥安裝位置確定

對(duì)于1#輸水線路，如果將調(diào)節(jié)閥安裝在出口，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉狀態(tài)，閥前管道靜水壓可達(dá)到216m水頭，1#輸水線PCCP管道后半部分設(shè)計(jì)的壓力等級(jí)應(yīng)按220 m水頭選取，這樣PCCP管道造價(jià)很高，顯然不合理。如在1#輸水線路，樁號(hào)56+430 m處設(shè)置在線式調(diào)節(jié)閥，安裝處高程比管道出口低9m，可保證閥后管道滿管狀態(tài)運(yùn)行，并保證調(diào)節(jié)閥裝置氣蝕性能要求。當(dāng)調(diào)節(jié)閥在關(guān)閉狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥上、下游管道最大靜水壓力約為137m和82.75m水頭；當(dāng)調(diào)節(jié)閥在額定流量運(yùn)行狀態(tài)下，調(diào)節(jié)閥上、下游管道最大水壓約為107m和150 m水頭。PCCP管道的最大設(shè)計(jì)壓力等級(jí)按閥前后最大水壓選取，可取140 m和160 m水頭。這樣可以大大降低PCCP管的壓力等級(jí)，從而大大節(jié)省管道投資。

對(duì)于2#輸水線路，管道基本是下降趨勢，進(jìn)、出口壓差不大，不宜在中部設(shè)在線式調(diào)節(jié)閥，應(yīng)在管道末端設(shè)淹沒式調(diào)節(jié)閥，這樣可保證管道滿管狀態(tài)運(yùn)行。

3.2 調(diào)節(jié)閥特性優(yōu)化

由于1#、2#輸水線路較長，當(dāng)調(diào)節(jié)閥啟閉過程中，將在管道中產(chǎn)生水擊壓力波動(dòng)，為了將水擊壓力限制在管道設(shè)計(jì)最大容許壓力（公稱壓力+0.4MPa)的范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)閥的性能及關(guān)閉規(guī)律就非常重要。

工程項(xiàng)目前期階段，我們收集到了三種調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與閥門相對(duì)開度的關(guān)系曲線，見圖3所示。特性線基本為線性變化趨勢。經(jīng)全開、全閉過渡過程計(jì)算分析，在滿足管道設(shè)計(jì)水壓控制要求的前提下，在線調(diào)節(jié)閥和末端淹沒調(diào)節(jié)閥一段全行程關(guān)閉時(shí)間分別為1500 s和2500 s。目前，國際上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是無法滿足這一關(guān)閉時(shí)間要求?？紤]到本工程的運(yùn)行特點(diǎn)及調(diào)節(jié)要求，采用其它閥門無法滿足工程要求。因此必須改變原有的關(guān)閉規(guī)律或調(diào)節(jié)閥特性，使調(diào)節(jié)閥能適應(yīng)管道水擊壓力控制要求。

在管線過渡過程分析成果的基礎(chǔ)上，提出新的設(shè)計(jì)理念和方法。一是改變控制方式采用快、慢兩階段關(guān)閉規(guī)律；二是將原有的調(diào)節(jié)閥特性改變。采用第一種方法要增加一套液壓操作系統(tǒng)，占地面積較大，檢修維護(hù)不方便，并且，由于慢關(guān)階段時(shí)間較長，節(jié)流閥開孔較小，容易發(fā)生堵塞。第二種方法是改變調(diào)節(jié)閥噴孔特性，投入較少，不增加任何輔助設(shè)備。上述方法比較第二種方法投入少，比較合理。原調(diào)節(jié)閥特性見圖3，在圖3中調(diào)節(jié)閥TS810E1000-16和TS810E1500-16型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是噴孔按螺旋梅花狀均勻分布，大小相同，開度與流量關(guān)系線基本是線性，無法滿足管線過渡過程分析要求。

改變調(diào)節(jié)閥特性就是調(diào)整噴孔的數(shù)量、大小、布置方式，使調(diào)節(jié)閥在勻速關(guān)閉的流量—開度關(guān)系線與液壓操作兩階段關(guān)閉調(diào)節(jié)閥的流量—開度關(guān)系線相同，達(dá)到快速關(guān)閉70%的過流面積，剩余面積緩慢關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了勻速關(guān)閉情況下的實(shí)質(zhì)兩階段關(guān)閉。經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計(jì)后的調(diào)節(jié)閥特性見表1和圖4，[1][2]新型調(diào)節(jié)閥TS810E1200-16和TS811E1200-10代替原來的TS810E1000-16和TS810E1000-16，新型調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是沿軸線分布的噴孔大小不一，前部（小開度時(shí)）孔徑小，后部（大開度時(shí)）孔徑大，噴孔數(shù)量調(diào)整為210個(gè)，噴孔直徑分別為Φ28mm、Φ34mm、Φ49mm、Φ94mm,見圖5。新型調(diào)節(jié)閥的閥前后管道壓力控制值見表2。經(jīng)過渡過程計(jì)算分析在滿足管道設(shè)計(jì)水壓控制要求的前提下，在線調(diào)節(jié)閥和末端淹沒調(diào)節(jié)閥一段全行程關(guān)閉時(shí)間分別縮短為400 s和600 s。保證了管線運(yùn)行安全[1][2]。

圖3 初始調(diào)節(jié)閥特性曲線

表1 調(diào)整后損失系數(shù)與開度關(guān)系

圖4 調(diào)整后調(diào)節(jié)閥特性曲線

圖5 調(diào)整后的噴孔布置

表2 新型調(diào)節(jié)閥運(yùn)行參數(shù)

4 結(jié)束語

引黃北干線輸水工程地形復(fù)雜，輸水線路長，調(diào)節(jié)產(chǎn)生的水擊過渡過程復(fù)雜，但采取合理調(diào)節(jié)技術(shù)和方法可大大減少工程投資，提高工程運(yùn)行安全性。

根據(jù)1#、2#輸水線路地形變化較大的特點(diǎn)，分別選擇調(diào)節(jié)閥合理的設(shè)置位置，使輸水管線的管道設(shè)計(jì)壓力等級(jí)大幅度的減小，大大降低了管道的造價(jià)。為了使調(diào)節(jié)產(chǎn)生水擊過渡過程滿足管道設(shè)計(jì)水壓要求，提出了改進(jìn)調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)理念，使調(diào)節(jié)閥的特性滿足工程設(shè)計(jì)安全要求。

本文也為長距離輸水管線設(shè)計(jì)及防護(hù)提供一個(gè)新的理念及解決方法，為今后選擇調(diào)節(jié)閥提供一個(gè)新的思路。

［1］楊開林，李 明.適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥研究［J］.水利水電技術(shù)，2009，40（12）:43-46.

［2］楊開林.適應(yīng)水擊控制多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計(jì)原理［J］.水利水電技術(shù)，2010，41（7）:36-39.