套筒式調(diào)流調(diào)壓閥在水利水電工程中的應(yīng)用

楊富超 馬韌韜 高普新 李浩亮

在大中型水利水電工程和長(zhǎng)距離引、調(diào)水項(xiàng)目中，調(diào)流調(diào)壓閥得到了廣泛的應(yīng)用。其主要功能是滿足管線系統(tǒng)中各種特殊的調(diào)節(jié)要求。如作為水庫(kù)放空的消能閥，水源存儲(chǔ)中的液位或壓力調(diào)節(jié)，管網(wǎng)輸水工程中可用作流量調(diào)節(jié)，水處理工程中水泵啟動(dòng)保護(hù)或流量調(diào)節(jié)，供水工程中調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力平衡等。

由于流量調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式各有不同，決定了其應(yīng)用范圍的差異，本文結(jié)合工程實(shí)例，介紹套筒式調(diào)流調(diào)壓閥在水利水電工程中的選擇和應(yīng)用。

1 工程概況

Nadarivatu水電站位于南太平洋上的斐濟(jì)群島共和國(guó)，是一座引水式水力發(fā)電工程。電站裝機(jī)容量44 MW，裝設(shè)2臺(tái)22 MW立軸沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組。工程的主要建筑物包括最大壩高41.5 m的重力壩，一條2 km的有壓隧洞，一條1.4 km的壓力鋼管，廠房及開關(guān)站等。該項(xiàng)目由中國(guó)電建集團(tuán)實(shí)施，中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司為工程設(shè)計(jì)方，是我國(guó)在大洋洲實(shí)施的第一個(gè)水電站工程。

根據(jù)引水系統(tǒng)安全要求，在引水系統(tǒng)放空時(shí)，應(yīng)設(shè)置控制閥對(duì)系統(tǒng)放空流速進(jìn)行限制，根據(jù)管路系統(tǒng)布置，確定限制值為270 L/s。該系統(tǒng)閥前最大壓力為330 m，閥后壓力為0或很小的背壓。由于系統(tǒng)不是經(jīng)常使用，該系統(tǒng)不考慮采用自動(dòng)控制。

2 調(diào)流調(diào)壓閥選型

2.1 工程對(duì)閥門的要求

結(jié)構(gòu)型式是調(diào)流調(diào)壓閥選型的關(guān)鍵，因?yàn)橥ǔＲ环N結(jié)構(gòu)型式的閥門由于其固有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了其應(yīng)用范圍。

首先應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際要求和閥門的特性，綜合考慮是用于流量調(diào)節(jié)還是壓力調(diào)節(jié)或綜合調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)精度等；其次選用調(diào)流調(diào)壓閥時(shí)最重要的一個(gè)因素就是使閥門實(shí)際運(yùn)行時(shí)，在各種工況下不發(fā)生有害的氣蝕。但是閥門的基本特性曲線對(duì)閥門在什么時(shí)候發(fā)生氣蝕是無法顯示的，更無法指出在哪個(gè)點(diǎn)上達(dá)到操作極限。而各種閥門由于構(gòu)造不同，允許的氣蝕系數(shù)δ也不同。

根據(jù)相關(guān)理論，合理的設(shè)計(jì)/選型應(yīng)該滿足工程計(jì)算的氣蝕系數(shù)（按閥門工作時(shí)開度和流量控制范圍取閥前與閥后壓差最大值算）大于閥門允許的汽蝕系數(shù)，則說明可用，不會(huì)發(fā)生氣蝕。

如蝶閥的允許氣蝕系數(shù)為2.5，當(dāng)δ＞2.5時(shí)，則不會(huì)發(fā)生氣蝕。δ＜2.5會(huì)發(fā)生氣蝕、振動(dòng)、噪音，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響閥門和下游配管使用壽命。

根據(jù)相關(guān)理論，用戶工況的δ計(jì)算公式為：

式中 H1——閥后（出口）壓力，m；

H2——大氣壓與其溫度相對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力之差，m；

ΔP——閥前、閥后的壓差，m；

v——過閥流速/m/s。

本工程最惡劣工況氣蝕系數(shù)計(jì)算見表1。

表1 氣蝕系數(shù)計(jì)算表

根據(jù)上表計(jì)算結(jié)果，所選擇的調(diào)流調(diào)壓閥的允許氣蝕必須小于0.055，滿足這種要求的調(diào)流調(diào)壓閥，才能在本工程大的壓差條件下保證長(zhǎng)期運(yùn)行過程中不會(huì)發(fā)生氣蝕破壞。

2.2 幾類水用調(diào)流調(diào)壓閥的比較與選擇

水用調(diào)流調(diào)壓閥的種類很多，常用的有閘閥、球閥、蝶閥、隔膜閥，活塞閥、針形閥、套筒式調(diào)節(jié)閥等多種。

2.2.1 閘閥、球閥、蝶閥等傳統(tǒng)閥門的調(diào)流方式

傳統(tǒng)閥門如閘閥、蝶閥、球閥、旋塞閥和截止閥等閥門的流量開度曲線為非線性的，調(diào)節(jié)精度低，為滿足調(diào)流或調(diào)壓的要求，一般要通過比較復(fù)雜的控制程序來控制閥門的開度，從而實(shí)現(xiàn)管線流量或壓力的調(diào)節(jié)；而且當(dāng)傳統(tǒng)閥門在較高的壓差或較大的流量等工況進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，會(huì)發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，閥門及鄰近管道發(fā)生較嚴(yán)重的振動(dòng)和噪音等，振動(dòng)的后果會(huì)造成閥門零件脫落。漏水，閥門的疲勞斷裂等，噪音會(huì)損害人體的健康；當(dāng)實(shí)際工況要求氣蝕系數(shù)低時(shí)，既壓差較大時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重氣蝕，造成密閉件閥體的破壞，嚴(yán)重時(shí)閥門甚至不能使用一個(gè)月。

更換閥門會(huì)造成運(yùn)行成本大大增加。更換閥門的費(fèi)用有時(shí)會(huì)超過閥門的價(jià)格。

當(dāng)閥門處于小開度時(shí)，閥門的出口端有嚴(yán)重的紊流產(chǎn)生，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，高壓差時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣蝕。

2.2.2 常用的調(diào)流調(diào)壓閥的比較

常用的調(diào)流調(diào)壓閥如套筒式調(diào)節(jié)閥、隔膜式水力控制閥、活塞閥、針形閥等，這幾種調(diào)節(jié)閥的比較見表2。

表2 常用的調(diào)流調(diào)壓閥特性表

2.3 兩級(jí)消能要求

由上述討論可知，由于本工程減壓比超過30∶1，僅靠一個(gè)減壓閥難以實(shí)現(xiàn)；另外從氣蝕系數(shù)考慮，本工程的氣蝕系數(shù)僅為0.055，遠(yuǎn)小于任何一種單個(gè)閥門的氣蝕系數(shù)，因此考慮采用兩級(jí)減壓的方式實(shí)現(xiàn)。

結(jié)合工程布置，在第二級(jí)閥門出口設(shè)置簡(jiǎn)易出口豎井，為閥門提供約10 m的出口背壓。同時(shí)為簡(jiǎn)化系統(tǒng)及閥門設(shè)計(jì)，第二級(jí)閥門采用固定布置方式，系統(tǒng)的流量控制及調(diào)節(jié)僅靠第一級(jí)調(diào)流閥實(shí)現(xiàn)。

2.4 過流能力選擇

閥門流量系數(shù)反映閥門的過流能力，同時(shí)也體現(xiàn)了某一流量下的閥門前后壓差。在應(yīng)用前后兩個(gè)閥門來共同對(duì)系統(tǒng)減壓的工況，應(yīng)通過調(diào)整閥門的流量系數(shù)來分配兩個(gè)閥門的減壓比，并保證兩個(gè)閥門的裝置氣蝕系數(shù)大于閥門氣蝕系數(shù)。

根據(jù)本工程的工況參數(shù)，所應(yīng)用調(diào)流調(diào)壓閥的過流要求見表3，并根據(jù)相關(guān)理論，安裝于本工程的調(diào)流調(diào)壓閥在全開時(shí)（最大流量為270 L/s）的流量系數(shù)Cv值及擬選閥門的流量系數(shù)Cv值見表3。

表3 調(diào)流調(diào)壓流量系數(shù)表

2.5 套筒式調(diào)流調(diào)壓閥的選擇及特點(diǎn)

通過上述計(jì)算和對(duì)多種調(diào)流調(diào)壓閥的比較，選擇一個(gè)DN200 mm、PN4.0 MPa的B05系列（可調(diào)式）、一個(gè)DN200 mm、PN4.0 MPa的B06（固定式）套筒式調(diào)節(jié)閥作為本工程的調(diào)流調(diào)壓閥，該類閥門允許的氣蝕系數(shù)δ=0.15，確保閥門在實(shí)際各種工況運(yùn)行時(shí)不發(fā)生氣蝕，保證工程的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

套筒式調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部有一個(gè)開有特殊設(shè)計(jì)圓錐形孔（美國(guó)Polyjet專利技術(shù)）的不銹鋼套筒，這些圓錐孔不同于普通的直噴孔結(jié)構(gòu)，經(jīng)特殊設(shè)計(jì)和加工的孔可以使氣蝕發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的氣泡在遠(yuǎn)離閥壁的地方破裂，這就減少了類似應(yīng)用條件下其他結(jié)構(gòu)類型閥門所常見的因氣蝕產(chǎn)生的噪聲、磨損和振動(dòng)。

噴孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 噴孔結(jié)構(gòu)示意圖

該調(diào)節(jié)閥有如下特點(diǎn)：

（1）閥門減壓比可達(dá)到20∶1。

（2）在小流量，高壓差或大流量的工況下，閥門振動(dòng)、噪音依然很小。

（3）閥門口徑和行程可以實(shí)現(xiàn)1∶1，比短行程閥門抗氣蝕能力更強(qiáng)。

（4）通過眾多數(shù)量的噴孔設(shè)計(jì)，分散能量的消耗，比短行程閥門振動(dòng)更小，適應(yīng)范圍更大。

（5）閥門開度和流量成線性關(guān)系，不會(huì)出現(xiàn)壓力突變情況，不會(huì)產(chǎn)生關(guān)閥水錘。

（6）套筒匝滑動(dòng)表面，硬度高，耐磨，能有效避免高速水流對(duì)套筒匝的沖蝕，同時(shí)可以剪斷堵塞錐孔的雜物。

3 調(diào)流調(diào)壓閥運(yùn)行

Nadarivatu水電站在引水系統(tǒng)調(diào)試期間，根據(jù)引水工程質(zhì)量檢測(cè)的要求，實(shí)施了多次引水系統(tǒng)的放空操作，均通過所安裝的套筒式調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)。

套筒式調(diào)流調(diào)壓閥運(yùn)行時(shí)很平穩(wěn)，沒有發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，閥門及附近管道、設(shè)備均沒有發(fā)現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，運(yùn)行時(shí)噪音很小，一般在60～70 dB（A）。

經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行的檢驗(yàn)，證明所選用的B05及B06系列套筒式調(diào)流調(diào)壓閥均可靠實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求，閥門能自動(dòng)根據(jù)閥前壓力變化和閥后用水量變化，實(shí)時(shí)調(diào)整閥門的開度，改變閥門內(nèi)部過流部位面積，控制了閥后壓力和管線流量，完全滿足設(shè)計(jì)和工程運(yùn)行的要求。

4 應(yīng)用前景

經(jīng)過工程在調(diào)試階段的實(shí)際運(yùn)行，證明本工程設(shè)計(jì)選型正確，工程建設(shè)質(zhì)量?jī)?yōu)良，所選擇的B05、B06系列套筒式調(diào)流調(diào)壓閥運(yùn)行是可靠的，完全滿足工程設(shè)計(jì)和工況運(yùn)行的要求。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)，尤其是工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市化進(jìn)程的推進(jìn)，一大批長(zhǎng)距離輸水或調(diào)水工程的建設(shè)，解決用水矛盾問題及備用水源的建設(shè)項(xiàng)目也越來越多，長(zhǎng)距離輸水工程投資大、距離長(zhǎng)，研究其安全問題并采取技術(shù)措施對(duì)此類工程的順利實(shí)施、安全運(yùn)行以及節(jié)省工程造價(jià)、管理費(fèi)用無疑具有十分重要的意義。

無振動(dòng)、無噪音、無氣蝕、對(duì)管路無損傷的情況下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性調(diào)流或穩(wěn)定減壓是保護(hù)調(diào)流閥長(zhǎng)壽命工作的基本要求。本文從調(diào)流調(diào)壓閥的結(jié)構(gòu)選型計(jì)算及布置等方面進(jìn)行探討，除可用于高水頭水電站引水系統(tǒng)的放空設(shè)計(jì)，亦可為類似的長(zhǎng)距離輸水項(xiàng)目提供借鑒。