水神堂泉域保護(hù)工程調(diào)流調(diào)壓閥選型分析

楊 帆

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 山西太原030024）

調(diào)流調(diào)壓閥的主要功能是滿足管線系統(tǒng)中各種調(diào)節(jié)要求。近年來，調(diào)流調(diào)壓閥作為水庫的消能閥，以顯著的流量調(diào)節(jié)性能、較高的運(yùn)行穩(wěn)定性，在大中型水利水電工程和長距離重力流管道輸水工程、調(diào)水項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)型式相異的調(diào)流調(diào)壓閥，在應(yīng)用范圍上各有不同。本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)水利水電工程中調(diào)流調(diào)壓閥的選型和應(yīng)用作出分析計(jì)算。

1 工程概況

水神堂泉域保護(hù)工程位于山西省廣靈縣。在廣靈縣農(nóng)業(yè)機(jī)井工程基礎(chǔ)上，建設(shè)水源工程、重力流輸水管線工程和泵流供水管線工程，引水390 萬m3至廣靈縣城區(qū)，置換城區(qū)工業(yè)、生活地下水，以緩解水資源供需矛盾，保護(hù)水神堂泉域地下水資源。

水源工程自廣靈縣加斗鄉(xiāng)7 口水源井提水后，采用泵流供水至加斗鄉(xiāng)南山500 m3高位水池。重力流輸水管線工程長度13.36 km，從南加斗村2.2 km 南山坡腳處500 m3高位水池重力流至肉聯(lián)廠10 000 m3蓄水池；泵流供水管線工程自蓄水池后經(jīng)泵站加壓后，采用DN400 涂塑復(fù)合鋼管雙管向北穿越壺流河，提水至西河洼水廠供水前池，管線長度692.39 m。

2 調(diào)流調(diào)壓閥類型選擇

2.1 調(diào)流調(diào)壓閥選型原則

調(diào)流調(diào)壓閥的工作原理，是通過控制信號(hào)的方向和大小改變閥芯行程，進(jìn)而改變閥門的開度，通過開度和阻力系數(shù)的變化達(dá)到調(diào)節(jié)閥后壓力和流量的目的。本工程調(diào)流調(diào)壓閥選型，主要遵循“四在”原則：

1）在各種輸水流量下，調(diào)流調(diào)壓閥運(yùn)行時(shí)能夠在消能減壓后達(dá)到壓力設(shè)計(jì)要求，消除上游水頭能量、穩(wěn)定水流。

2）在任何開度狀態(tài)下，調(diào)流調(diào)壓閥能夠保持無汽蝕運(yùn)行。

3）在流量范圍內(nèi)，調(diào)流調(diào)壓閥能夠隨用戶需水量變化同步調(diào)節(jié)輸水流量。

4）在一定過閥流速范圍內(nèi)，調(diào)流調(diào)壓閥不發(fā)生有害振動(dòng)和卡阻現(xiàn)象。

2.2 工程對(duì)閥門的要求

本工程采用雙管供水。正常工況時(shí)雙閥過流，單臺(tái)閥門流量255 m3/h，閥前壓力44 m，閥后壓力5 m；事故工況時(shí)單閥過流，過閥流量510 m3/h，閥前壓力29 m，閥后壓力5 m。在匯水池至肉聯(lián)廠調(diào)蓄水池重力流管線末端，需設(shè)置調(diào)節(jié)閥室保證整個(gè)系統(tǒng)流量、水壓平衡。

該工程的主要難點(diǎn)是：正常工況最大壓差為39 m時(shí)，所選調(diào)流調(diào)壓閥需滿足閥門及管道系統(tǒng)的抗汽蝕損壞問題；事故工況最大設(shè)計(jì)流量510 m3/h 時(shí)，還需滿足汽蝕和過流要求。閥后流量的設(shè)定值恒定在規(guī)定范圍內(nèi)，即使閥前壓力發(fā)生變化，均不發(fā)生汽蝕振動(dòng)和噪音[1]。根據(jù)過閥流量及水頭參數(shù)，確定調(diào)節(jié)閥主要設(shè)計(jì)基本參數(shù)：閥門過閥流量0.071～0.142 m3/s，閥前水頭29～44 m，閥后壓力5 m，公稱壓力1.0 MPa。

2.3 調(diào)流調(diào)壓閥的型式比較

不同結(jié)構(gòu)型式的閥門，工作特點(diǎn)不同，應(yīng)用范圍也不盡相同。

目前國內(nèi)使用的閘閥、球閥、蝶閥等傳統(tǒng)閥門，流量開度曲線為非線性，調(diào)節(jié)精度低，在較高壓差或較大流量等工況進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致閥門零件脫落、疲勞斷裂、漏水等。比如，蝶閥或閘閥可用于控制流量，但使用過程中往往受到汽蝕限制，且不能滿足消能和精確調(diào)流的要求；電動(dòng)半球閥全開時(shí)流阻系數(shù)小、密封可靠、耐磨損，可以做局部開啟調(diào)流，但調(diào)流特性不好、控制比較復(fù)雜、調(diào)流精度低。

國內(nèi)工程調(diào)節(jié)流量主要使用活塞式調(diào)流調(diào)壓閥和多噴孔套筒式調(diào)流調(diào)壓閥[2]。二者調(diào)流功能強(qiáng)、調(diào)流特性穩(wěn)定，流阻系數(shù)小、過流能力大。二者差異對(duì)比見表1。

表1 多噴孔套筒式與活塞式調(diào)流調(diào)壓閥對(duì)比表

本工程閥門減壓比小，選擇活塞式調(diào)流調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)尺寸小，且更具經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)工程布置及地形要求，閥門采用臥式安裝。

3 活塞式調(diào)流調(diào)壓閥的參數(shù)計(jì)算

活塞式調(diào)流調(diào)壓閥參數(shù)選擇是否合理，不僅關(guān)系到供水的可靠性，也影響工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)工程項(xiàng)目有關(guān)參數(shù)分析計(jì)算，提出基本參數(shù)，是設(shè)備采購的重要依據(jù)。

3.1 流通能力

調(diào)流調(diào)壓閥的流通能力直接反映調(diào)節(jié)閥的容量，是選用調(diào)流調(diào)壓閥的主要參數(shù)之一。當(dāng)調(diào)流調(diào)壓閥全開時(shí)，閥兩端壓差為0.1 MPa，流體密度為1 g/cm3時(shí)，每小時(shí)流經(jīng)調(diào)流調(diào)壓閥的流量數(shù)，稱為流通能力，以Kv 表示[3]。Kv 的計(jì)算公式為：

式中:q——流量，m3/h；

ρ——流體密度，kg/m3；

ρw——水的密度，kg/m3；

ΔH——閥兩端壓差，105Pa。

當(dāng)處于正常工況時(shí)，閥門的壓差為39 m，過閥流量為255 m3/h，通過計(jì)算確定閥門的Kv 值為129.1；處于事故工況時(shí)，閥門的壓差為24 m，過閥流量為510 m3/h，通過計(jì)算確定閥門的Kv 值為329.2。根據(jù)工況需要的壓差，結(jié)合計(jì)算結(jié)果，初步選定工況流量系數(shù)為329.2，閥門公稱通徑DN200。

3.2 流量特性

調(diào)流調(diào)壓閥的流量特性，是介質(zhì)流經(jīng)調(diào)流調(diào)壓閥相對(duì)流量與它的開度之間的關(guān)系。閥門開度與調(diào)流調(diào)壓閥的流量特性有關(guān)，閥門開度與閥門流量系數(shù)的關(guān)系近似一次函數(shù)（見圖1）。閥門的開度選擇一般介于10%至90%之間。閥門開度過小會(huì)對(duì)閥芯和閥座產(chǎn)生較嚴(yán)重的沖蝕，開度過大則導(dǎo)致可調(diào)比變小，影響調(diào)節(jié)性能。本工程所選閥門工況對(duì)應(yīng)的開度為46%～80%，運(yùn)行處于線性區(qū)間，可調(diào)節(jié)性好。

圖1 調(diào)節(jié)閥開度-流量-流阻曲線圖

3.3 汽蝕性能

作為節(jié)流部件，調(diào)流調(diào)壓閥的核心是可移動(dòng)的閥瓣與固定的閥座之間形成的節(jié)流窗口，改變閥瓣位置就能夠改變閥門的阻力特性，進(jìn)而改變整個(gè)系統(tǒng)的阻力特性。調(diào)流調(diào)壓閥的調(diào)節(jié)過程就是阻力的突變過程。這個(gè)過程中，因設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝或工藝參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)仍?，水流通過漸縮斷面時(shí)部分液體氣化，產(chǎn)生的氣泡在閥后開闊斷面炸裂，導(dǎo)致調(diào)流調(diào)壓閥產(chǎn)生汽蝕。汽蝕易對(duì)調(diào)流調(diào)壓閥內(nèi)件造成嚴(yán)重?fù)p傷，同時(shí)引起整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)及噪聲，嚴(yán)重影響調(diào)節(jié)閥的使用壽命及控制系統(tǒng)的精確性。因此，在閥門選擇時(shí)需要通過計(jì)算容許汽蝕系數(shù)σ，復(fù)核初選調(diào)流調(diào)壓閥的汽蝕性能是否能滿足工程要求。其計(jì)算公式為：

式中：σ——容許汽蝕系數(shù)；

H1——閥前壓力，m；

H2——閥后壓力，m；

ΔH——閥前、閥后的壓差，m；

Hat——大氣壓（1.013 25×105Pa）；

Hd——指定溫度相對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力，m；

V——過閥流速，m/s；

g——重力加速度9.81 m/s2。

上述公式中，調(diào)流調(diào)壓閥的消能能力主要取決于汽蝕系數(shù)σ 和出口絕對(duì)壓力，壓差越大，閥門的汽蝕系數(shù)越小。在工程設(shè)計(jì)階段，應(yīng)優(yōu)先選用較小汽蝕系數(shù)的活塞式調(diào)流調(diào)壓閥。本工程最大壓差運(yùn)行時(shí)，汽蝕系數(shù)為0.38，根據(jù)選用的調(diào)流調(diào)壓閥汽蝕性能曲線（見圖2），該工況閥門開度為46%，對(duì)應(yīng)汽蝕系數(shù)為0.17，小于0.38，在運(yùn)行工況內(nèi)不會(huì)發(fā)生汽蝕、振動(dòng)和噪聲現(xiàn)象。

圖2 調(diào)節(jié)閥開度-汽蝕曲線圖

3.4 不同工況下閥門運(yùn)行參數(shù)

基于數(shù)值計(jì)算，DN200 活塞式調(diào)流調(diào)壓閥具有線性流量特性，流量系數(shù)線性隨開度增加而逐漸增加，可以實(shí)現(xiàn)流量和壓力調(diào)節(jié)，滿足工程設(shè)計(jì)和各工況運(yùn)行要求。

各工況運(yùn)行參數(shù)見表2。

表2 調(diào)流調(diào)壓閥運(yùn)行參數(shù)

4 結(jié)語

隨著城市化進(jìn)程不斷加快，統(tǒng)籌城市用水和水源保護(hù)、緩解水資源供需矛盾日趨重要，縣域水資源置換項(xiàng)目也日漸增多。在輸水調(diào)水工程中，通過技術(shù)措施推進(jìn)工程安全運(yùn)行具有重要意義。閥門直接關(guān)系到供水的可靠性，為工程選擇更符合運(yùn)行工況的閥門，能夠提高運(yùn)行效率、節(jié)約能源和運(yùn)行成本。

本文將無振動(dòng)、無汽蝕、無管道損傷作為線性調(diào)流和穩(wěn)定減壓的基本要求，系統(tǒng)展現(xiàn)了調(diào)流調(diào)壓閥選型及活塞式調(diào)流調(diào)壓閥計(jì)算的全過程，為今后閥門選型計(jì)算提供了基本思路。