可調(diào)式減壓閥在重力輸水工程中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

童宏哲 ，馬小龍，蔡小娣

（陜西省岐山縣水電工作隊(duì),陜西 岐山 722499）

1 前言

可調(diào)式減壓閥是水力控制閥的一種,安裝在重力流管道上,將較高的上游壓力降為符合要求的下游正常使用壓力。作為一種減壓措施,在法士特供水工程中被設(shè)計(jì)和應(yīng)用,經(jīng)實(shí)踐證明是成功的。

法士特齒輪公司暨陜西汽車(chē)齒輪公司位于陜西省岐山縣五丈原鎮(zhèn)同星村以南,岐山縣與陳倉(cāng)區(qū)交界處,為省屬駐岐大型工業(yè)企業(yè)。生產(chǎn)生活用水主要由企業(yè)自備水源供給,隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的日益發(fā)展壯大,現(xiàn)有的水源已不能滿足用水需求,供需水矛盾日益突出。為解決這一矛盾,岐山縣城鄉(xiāng)供水總公司修建了法士特供水工程,既解決了法士特齒輪公司的用水問(wèn)題,又解決了沿途五丈原地區(qū)及蔡家坡開(kāi)發(fā)區(qū)的供水,實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 水源選擇

法士特供水工程是以五丈原水廠為供水水源。五丈原水廠位于五丈原塬上的原星村,建成于1999 年,水源為石頭河庫(kù)水,設(shè)計(jì)日供水能力18000 m3,主要解決陜西汽車(chē)制造廠和曹家地區(qū)的生產(chǎn)生活用水,目前日供水量5000 m3,尚有13000 m3/d的富余水量,能給法士特供水工程提供有力的水源保障。五丈原水廠清水池最低水位673.60 m,法士特老廠區(qū)配水管網(wǎng)接口管中標(biāo)高為550.01 m,管道進(jìn)出口地形高差123.59 m,從地理位置看,可以居高臨下,自流供水。充足的水量和良好的水力條件為項(xiàng)目的建設(shè)奠定了基石。

2.2 輸水管道設(shè)計(jì)

該工程輸水管道下塬（五丈原）跨河（麥李河、同峪河）穿路（陜汽公路）,起點(diǎn)與五丈原水廠清水池閘閥井相接,末端與法士特老廠區(qū)配水管網(wǎng)相連,全長(zhǎng)8868.75 m。前段4498.14 m設(shè)計(jì)供水流量為12500 m3/d,設(shè)計(jì)秒流量為0.159 m3,后段4370.61 m為10000 m3/d,設(shè)計(jì)秒流量為0.13 m3。

經(jīng)水力計(jì)算,管道正常運(yùn)行時(shí),塬上的最大工作壓力為40.93 m,塬下的最大工作壓力為123.65 m,管道出口壓力65.57 m,因此確定塬上管道選用聚乙烯管PE100 -SDR26,公稱(chēng)壓力0.6 MPa。聚乙烯管具有化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、水力性能好、施工方便、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。由于塬下的最大工作壓力為123.65 m,按規(guī)范應(yīng)選用PE100-SDR11 聚乙烯管,公稱(chēng)壓力1.6 MPa,但由于同管徑的PE管和球墨鑄鐵管,PE管價(jià)格高出球墨鑄鐵管25%~30%,并且在壓力逐步增大的同時(shí),管材價(jià)格增加幅度也相應(yīng)增大。球墨鑄鐵管具有較高的抗拉強(qiáng)度和延伸率,有較好的韌性、抗氧化、耐高壓等優(yōu)良特性,施工安裝方便,接口水密性好,有適應(yīng)地基變形的能力,既可以滿足工程需求,又可以降低工程造價(jià)。經(jīng)過(guò)綜合考慮,確定塬下管道選用K12（1.6 MPa）、K9（1.0 MPa）系列球墨鑄鐵管。輸水管道途經(jīng)麥李河和同峪河,采用架空鋼管跨越［1］。

由于輸水管道工作壓力較大,且不能提供滿足要求的出口壓力,設(shè)計(jì)在管道2+771.4 m處采取減壓措施,以降低輸水管道承受的水壓,并保證管道出口壓力滿足現(xiàn)有配水管網(wǎng)要求。

2.3 減壓措施方案選擇

該輸水管道工作壓力較大,且不能提供滿足要求的出口壓力,按常規(guī)的辦法是在管路中設(shè)置減壓池或提高管材的等級(jí)。修建減壓池優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟,減壓可靠,缺點(diǎn)除占地大以外,最主要是運(yùn)行管理不便、而且容易造成水質(zhì)的二次污染；另外管道出口與現(xiàn)有的配水管網(wǎng)相接,提高管材的等級(jí)也受到限制。而可調(diào)式減壓閥正好可以克服這些弊端,與修建減壓池相比,具有占地面積少,建設(shè)投資小,建設(shè)工期短,運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)最終采用安裝可調(diào)式減壓閥,既減小了下段管道及管路附件的設(shè)計(jì)壓力,有利于降低工程造價(jià)；又滿足了現(xiàn)有配水管網(wǎng)對(duì)出口壓力的要求,能夠確保工程的正常運(yùn)行。見(jiàn)表1。

表1 主要工程量及投資對(duì)比表

2.3.1 可調(diào)式減壓閥的作用和特點(diǎn)

可調(diào)式減壓閥是水力控制閥的一種,安裝在重力流管道上,將較高的上游壓力降為符合要求的下游正常使用壓力。

其特點(diǎn)是：減壓效果可靠。出口壓力不受進(jìn)口壓力和流量變化的影響,既可減動(dòng)壓,也可減靜壓。調(diào)整操作方便。只需調(diào)節(jié)先導(dǎo)閥的調(diào)節(jié)螺釘,就能獲得精確、穩(wěn)定的出口壓力。

2.3.2 可調(diào)式減壓閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

Yx741 X型減壓閥由主閥、先導(dǎo)閥、壓力控制器、壓力反饋系統(tǒng)等組成。

可調(diào)式減壓閥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 可調(diào)式減壓閥結(jié)構(gòu)示意圖

其工作原理是：在液體通過(guò)主閥板流向出口的同時(shí),通過(guò)先導(dǎo)閥進(jìn)入壓力控制器,同時(shí)閥后壓力通過(guò)反饋閥也進(jìn)入壓力控制器。若閥后壓力大于預(yù)設(shè)壓力,則通過(guò)壓力控制器調(diào)節(jié)使主閥膜片室上腔的壓力增大,推動(dòng)閥桿向下,主閥板開(kāi)口減小,液體通過(guò)時(shí)的流速增大,水頭損失增大,使閥后壓力降低。反之,當(dāng)閥后壓力減小時(shí)主閥膜片室上腔的壓力減小,主閥板開(kāi)口增大,液體通過(guò)時(shí)的流速減小,水頭損失減小,使閥后壓力升高。閥后壓力與閥板開(kāi)度形成動(dòng)態(tài)平衡,使閥后壓力保持穩(wěn)定。

可調(diào)式減壓閥的閥后壓力由壓力控制器上的調(diào)節(jié)螺釘來(lái)調(diào)節(jié)。閥門(mén)承壓能力不同,調(diào)節(jié)范圍也不同。閥門(mén)公稱(chēng)壓力1.0 MPa其調(diào)節(jié)范圍0.1 MPa~0.8 MPa,閥門(mén)公稱(chēng)壓力1.6 MPa其調(diào)節(jié)范圍0.2 MPa~1.4 MPa。

2.3.3 水力計(jì)算與減壓閥設(shè)置

該輸水管道全長(zhǎng)8868.75 m,前段4498.14 m設(shè)計(jì)供水流量為12500 m3/d,設(shè)計(jì)秒流量為0.159 m3,后段4370.61 m為10000 m3/d,設(shè)計(jì)秒流量為0.13 m3。管道出口設(shè)計(jì)壓力0.4 MPa。設(shè)計(jì)在管道2771.44 m處安裝Yx741 X-10型可調(diào)式減壓閥一只。減壓閥安裝示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 可調(diào)式減壓閥安裝示意圖

管線縱斷面及水力計(jì)算見(jiàn)圖3。

圖3 管道水力計(jì)算圖

從圖3 可以看出,在設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí),減壓閥前后壓力差為0.25 MPa,即減壓閥減掉動(dòng)壓0.25 MPa。減壓閥以下管道所承受的靜水壓力減少了0.44 MPa,可以減小下段管道及管路附件的設(shè)計(jì)壓力,有利于降低工程造價(jià)。

3 工程運(yùn)行

3.1 存在問(wèn)題

由于該輸水管道出口直接接入法士特現(xiàn)有配水管網(wǎng),中間沒(méi)有調(diào)節(jié)設(shè)施,所以管道流量變化較大,減壓閥后管道的水頭損失隨流量變化也有較大的變化,管道末端即接入點(diǎn)的水壓變化也比較大。供水管道建成投入試運(yùn)行后,因法士特公司老廠區(qū)配水管道須逐步改造,新廠還未建成投產(chǎn),該管道的最大供水量只有50 m3/h左右,僅為設(shè)計(jì)流量的1/10,將減壓閥閥后壓力調(diào)到最小,管道末端即接入點(diǎn)的水壓仍在0.6 MPa左右,無(wú)法調(diào)至0.4 MPa,致使配水管網(wǎng)發(fā)生多處破損漏水（因配水管網(wǎng)為建廠初期的老管網(wǎng)）,供水管道不能投入正常運(yùn)行。

3.2 解決辦法

因用水量短期內(nèi)不能達(dá)到設(shè)計(jì)水量,為降低管網(wǎng)接入點(diǎn)的水壓,又在管道3674.92 m處增加了一只Yx741X-16 型減壓閥,位置如圖一所示,兩只減壓閥串聯(lián)運(yùn)行。經(jīng)聯(lián)合調(diào)試,目前用水量在30 m3/h~50 m3/h之間變化時(shí),第一只減壓閥閥前壓力為0.56 MPa左右,閥后0.2 MPa,第二只減壓閥閥前壓力為0.9 MPa左右,閥后0.58 MPa,接入點(diǎn)的壓力維持在0.39 MPa~0.41 MPa之間,管道可以投入正常運(yùn)行。

管道供水量達(dá)到設(shè)計(jì)工況時(shí),可以打開(kāi)或關(guān)閉減壓閥的旁通閥,使兩只減壓閥輪流工作,互為備用。

4 主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

可調(diào)式減壓閥在重力輸水管道上的應(yīng)用。

（1）可調(diào)式減壓閥在該重力輸水管道上的應(yīng)用是成功的。既可以減動(dòng)壓也可以減靜壓,而且管道出口壓力在一定范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié),達(dá)到了預(yù)期目的。但是原設(shè)計(jì)減壓閥的位置偏高,由于地形高差的存在,管道在小流量運(yùn)行時(shí)管道出口壓力不能調(diào)得更低,主要原因是對(duì)管道供水流量變化范圍考慮不足。

（2）可調(diào)式減壓閥應(yīng)用在流量變化比較大的重力輸水管道上,其減壓調(diào)壓效果比較突出,與減壓池相比,具有運(yùn)行管理方便、不會(huì)造成水質(zhì)的二次污染、閥后壓力可以調(diào)節(jié)及占地少、施工安裝簡(jiǎn)單、可以縮短工期等優(yōu)點(diǎn)。

（3）減壓閥設(shè)置位置將直接影響管道運(yùn)行效果,同時(shí)也會(huì)影響工程投資。一般應(yīng)盡量靠近末端,減壓調(diào)壓效果較好。但也應(yīng)綜合考慮管線地形變化、管材承壓能力、管道流量變化等因素,進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和技術(shù)比較,來(lái)確定減壓閥位置。

（4）水的漏失率和浪費(fèi)程度幾乎和給水系統(tǒng)的水壓大小成正比,因此,減壓閥還具有改善系統(tǒng)運(yùn)行工況和潛在的節(jié)水作用,能延長(zhǎng)管道使用壽命。

5 結(jié)語(yǔ)

過(guò)去管路中出現(xiàn)壓力過(guò)大,超過(guò)管材的承壓能力等問(wèn)題,通常解決的辦法就是在管路中設(shè)置減壓池或提高管材的等級(jí)。減壓池占地面積大,建設(shè)投資高,建設(shè)工期長(zhǎng),運(yùn)行管理不便,而且容易造成水質(zhì)的二次污染；提高管材等級(jí)也會(huì)出現(xiàn)建設(shè)投資大,采購(gòu)、保存、管理不方便等問(wèn)題；而減壓閥正好可以克服這些弊端,與修建減壓池相比,具有占地面積少,建設(shè)投資小,建設(shè)工期短,運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)。

該工程將可調(diào)式減壓閥安裝在重力流輸水管道上,將較高的上游水壓降低為符合要求的下游正常使用壓力,既可減靜壓,又可減動(dòng)壓,解決了管路壓力的問(wèn)題。從多年的運(yùn)行情況來(lái)看,減壓閥確實(shí)起到了穩(wěn)定、可靠的減壓效果,在岐山為同類(lèi)項(xiàng)目的建設(shè)實(shí)施提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),具有里程碑意義。在后續(xù)的岐山縣其它供水工程中,多借鑒這一技術(shù),成功地解決了管路壓力過(guò)高的問(wèn)題,節(jié)省了工程投資,縮短了建設(shè)工期,取得了良好的效果,推動(dòng)了供水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。