流量控制閥在供水系統(tǒng)中的應用

趙文喜

（中國葛洲壩集團國際工程有限公司，北京，100025）

0 前言

科威特蘇比亞配水工程C1標是科威特蘇比亞配水工程四個標段中最大、最復雜的核心項目，主要包括3座（共6座）25萬m3水池、布置6臺（共9臺）1 650 kW清水泵的加壓泵站、布置2臺4 500 kW發(fā)電機的備用發(fā)電機房以及加氯間、混合間等項目，是中國葛洲壩集團在科威特承接的第一項工程，也是當時中國公司在科威特承建的最大的EPC合同項目，主要合同內(nèi)容為C1標工程合同項目的供貨、設計和施工等。國內(nèi)類似項目進行分期建設時一般采用各階段相對獨立的設計理念，階段工程可獨立運行，階段項目間只是有限的連通和互補，基本不會采用配置流量控制閥的方法來保證各階段項目的實施和運行操作。

1 項目主要供水設備的布置和要求

1.1 流量控制閥

泵站的流量控制閥將分別安裝在4條壓力輸水管上的11A閥室內(nèi)。為保證泵出水端壓力的穩(wěn)定，要求流量控制閥能控制和穩(wěn)定管道內(nèi)的水流流速，調(diào)節(jié)輸出水流的流量和壓力，并要求所選用的流量控制閥門在最不利的條件下無氣蝕發(fā)生。

圖1 科威特Subiya供水系統(tǒng)（C1標）示意圖Fig.1 C1 section of Subiya water distribution system in Kuwait

流量控制閥應具備要求的流量控制特征，供水系統(tǒng)在全部或部分運行的情況下，通過流量控制閥的調(diào)節(jié)可以保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運轉而不造成振動或氣蝕損傷。規(guī)范要求對所安裝的流量控制閥都要列出包括水頭損失和閥孔的氣蝕特征等在內(nèi)的詳細資料，列出流量控制閥孔全波段的臨界氣蝕指數(shù)，并通過水力計算，驗證所選的流量控制閥適應運行條件，滿足系統(tǒng)運行要求。

1.2 水泵機組

1.2.1 功能要求

一期項目合同中規(guī)定安裝的水泵機組為6臺套，正常運行狀況下為4用2備，從Subiya泵站送出來的水將由兩條（一期）54 km長的DN1200球墨鑄鐵管道將水送入139.15 masl（海拔高程）的Mutla High配水系統(tǒng)的蓄水池；項目二期安裝9臺套水泵機組，正常運行狀況下為6用3備，3條輸水管線（一期2條，二期1條）運行。在特殊情況下，7臺水泵運行，將水送入3條輸水管道，最大流量達6.46 m3/s。

1.2.2 水泵運行工況點基本要求

規(guī)范要求承包商提供的每臺泵機必須符合以下的工況點要求：170 m揚程時對應流量0.95 m3/s，122 m揚程時對應流量1.33 m3/s。

以上所給出的水泵工況點水頭不包括泵站損失和流量控制閥的損失等，承包商在選擇水泵機組時，應充分考慮并計算這些損失。

1.2.3 對水泵機組有效氣蝕余量NPSHa的要求

規(guī)范要求承包商應計算各種操作環(huán)境下可能出現(xiàn)的NPSHa，NPSHa計算應按照吸水管道的Ks（摩擦系數(shù)）最小值0.03，最大值0.15，水溫50℃，只有一個供水主管供水的情況。計算的NPSHa必須大于必需汽蝕余量NPSHr至少2.0 m。

1.3 設備選擇情況

經(jīng)過反復的經(jīng)濟技術比較和提交溝通，最終選擇了日本EABRA的CDM700×400型水泵和英國GLENFIELD的Fig1400 系列DN1000流量控制閥，獲得了業(yè)主和工程師的認可。

2 水泵選型計算

2.1 水泵氣蝕余量計算

為保證規(guī)范要求的水泵工況點要求，首先對泵供水管路的水頭損失和有效氣蝕余量NPSHa進行計算校核。根據(jù)項目供水設備初步選型，計算采用日本EABRA水泵廠家的CDM700×400型水泵的技術數(shù)據(jù)，結合規(guī)范要求的最不利的水力條件，也是水池的出口至泵站水泵進口之間的泵供水管的最不利條件：

（1）系統(tǒng)供水流量為6.46 m3/s；

（2）泵供水管：一條DN1600吸水管線滿載運行，另外一條DN1600吸水管線關閉；

（3）水池水位：取水池最低水位海拔高程67 m；

（4）吸水管路的摩擦系數(shù)Ks均取0.15。

水頭損失計算公式為：水頭損失hf2＝hf1×(Q2/Q1)2，其中：Q1、hf1與Q2、hf2分別為不同流量及其對應的水頭損失。

氣蝕余量的計算公式為：NPSHa=(當?shù)卮髿鈮?蒸汽壓力)+(水池水位-泵軸高程)-水頭損失。

計算結果詳見表1及圖2、圖3，其中NPSHr為EABRA水泵廠家提供的數(shù)據(jù)，水溫為50℃，蒸汽壓力為1.257m，水池水位67m，泵軸高程59m。

表1 系統(tǒng)運行有效氣蝕余量點計算Table 1 Hydraulic calculation of NPSHa

圖2 系統(tǒng)氣蝕余量（NPSHa）Fig.2 NPSHa of the system

圖3 各工況下的NPSHa和NPSHrFig.3 NPSHa and NPSHr under each condition

從表1和圖3可以看出，當系統(tǒng)只運行兩臺水泵時，NPSHr遠小于NPSHa，水泵在正常工況范圍內(nèi)運行不會發(fā)生氣蝕；當系統(tǒng)的7臺水泵全部運行時，系統(tǒng)氣蝕發(fā)生的臨界點為單臺泵流量1.18 m3/s，NPSHa比NPSHr大2 m的情況下，單臺水泵流量為1.10 m3/s；系統(tǒng)設計最大流量為6.46m3/s，即單臺水泵流量為0.923m3/s，小于1.10m3/s，故無氣蝕發(fā)生。

2.2 水泵工況點水力計算

項目規(guī)范要求的水泵工況范圍為：170 m水頭、0.95 m3/s和122 m水頭、1.33 m3/s，沒有系統(tǒng)的水頭損失，在水力計算中主要考慮的是泵站損失和流量控制閥的水頭損失。

根據(jù)分析，水泵工況點的水力計算是按照以下方式進行：（1）水力計算同時考慮二期工程管線的運行狀況，即分別考慮1條輸水管運行、2條輸水管運行及3條輸水管運行（二期）；（2）分別計算每種狀況的最不利點；（3）水力計算考慮流量控制閥、三通、異徑管等局部水頭損失；（4）管道光滑狀態(tài)下摩擦系數(shù)取Ks＝0.03，粗糙狀態(tài)下摩擦系數(shù)取Ks=0.15。

水泵工況點水力計算結果詳見表2、表3。從表中計算結果可以確定：當單泵流量為0.95 m3/s時，最大泵站水頭損失為1.248 m，流量控制閥（全部開啟）水頭損失為2.019 m，流量控制閥連接大小頭水頭的損失為0.087 m。水泵的工況范圍為：流量Q為0.95 m3/s時，揚程H為170+1.248+2.019+0.087＝173.35 m。當單泵流量為1.33 m3/s時，最大泵站水頭損失為2.196 m，流量控制閥（全部開啟）水頭損失為3.956m，流量控制閥連接大小頭水頭損失為0.170 m。水泵的工況范圍為：流量Q為1.33 m3/s時，揚程H為122+2.196+3.956+0.170＝128.32 m。

考慮富裕水頭和水泵的實際工效后，最終確定水泵的運行工況點為：當流量Q為0.95 m3/s時，揚程H為176 m；當流量Q為1.33 m3/s時，揚程H為132 m。

3 流量控制閥運行控制分析

根據(jù)泵廠家資料要求，單臺水泵的最大流量不能超過Q=1.39m3/s，流量控制閥的作用主要是為了限制泵送入輸水管道系統(tǒng)的最大流量不超過1.39m3/s。

流量控制閥水力計算詳見表4及圖4。根據(jù)圖4的系統(tǒng)曲線和水泵曲線顯示，在1臺泵輸送水、1條輸水管線運行的條件下，流量控制閥的最小水頭損失為38 m，即：當單泵流量為1.39 m3/s時，流量控制閥水頭損失應達到38 m；在1臺泵輸送水、2條輸水管線運行的條件下，流量控制閥的最小水頭損失為60 m，即：當單泵流量為1.39 m3/s時，流量控制閥的水頭損失應達到60 m。參照閥門廠家提供的資料，可以確定對應的流量控制閥的閥板行程分別為29%和23%。再結合閥門廠家提供的Fig1400 系列

流量控制閥的氣蝕曲線，可以校核流量控制閥在上述條件下運行是否會發(fā)生氣蝕。

表2 泵站水力計算(Q=1.9 m3/s)Table 2 Hydraulic calculation of pumping station(Q=1.9 m3/s)

表3 泵站水力計算(Q=2.66 m3/s)Table 3 Hydraulic calculation of pumping station(Q=2.66 m3/s)

表4 流量控制閥水力計算Table 4 Hydraulic calculation of flow control valve

圖4 系統(tǒng)曲線示水泵曲線Fig.4 Curve of the system and the pump

流量控制閥上游水頭為:水泵提升水頭132 m（流量為1.33 m3/s），流量控制閥下游水頭為Mut?la高位水池水位（139.15 m）與流量控制閥高程（59 m）的差值，即80.15 m，大于60 m，對照廠家提供的氣蝕曲線也可以看出，在該工況點運行時不會發(fā)生氣蝕。

4 結語

系統(tǒng)設備選型的水力計算表明，一期供水系統(tǒng)正常運行時，即2臺水泵結合1條輸水管線或4臺水泵結合2條輸水管線運行，水泵在正常工況點運行，對應管線上的流量控制閥的閘板是全部開啟的，流量控制閥的系統(tǒng)損失也是在閘板全部開啟時的水頭損失，對系統(tǒng)的影響也是有限的。但在非正常運行環(huán)境下，流量控制閥對保證水泵正常運轉、控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行起了非常關鍵的作用。