大落差倒虹吸管底部設(shè)置分水口的消能方案研究

魏周會，雷克剛，王軍進，金國飛

（1.甘肅省水務(wù)投資有限責任公司，甘肅蘭州 730000；2.中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，甘肅蘭州 730000）

1 工程概況

某城區(qū)近期總需水量為5.00 萬m3∕d，取水方案為在供水工程主管的大落差倒虹吸管底部設(shè)置分水口，并設(shè)置一臺DN800-PN6.4MPa 的電動鍛鋼球閥做為分水口的控制閥，后接長約40 m、直徑DN800 的分水支管，將水輸送至該城區(qū)新建水廠。供水干管設(shè)計流量為2.1 m3∕s，分水口設(shè)計分水流量為0.58 m3∕s。取水口設(shè)置方案如圖1所示。

圖1 大落差倒虹吸管底部分水口設(shè)置示意圖（單位：m）

該供水工程大落差倒虹吸干管的進水池水位為1 722.555 m，分水口中心線高程為1 293.00 m。分水支管末端接消能箱，消能箱平壓后進入水廠進水池，消能箱設(shè)計水位1 296.00 m。根據(jù)該供水工程干管的運行工況分析結(jié)果，該分水口處的壓力變化范圍約為325～429 m，要求的消能幅度約為322～426 m。

如何解決高壓差下分水口的減壓消能，使之順利進入新建水廠是本工程的難點所在，亦是本文研究的主要問題。

2 消能閥型式選擇

大落差重力有壓輸水管道系統(tǒng)設(shè)計時多采用減壓水池或減壓閥對管道進行分段或者分級，再利用調(diào)壓塔或超壓泄壓閥進行突發(fā)高壓保護［1-4］。實踐表明，調(diào)流閥在進行高壓差供水和各種流量充水時，流量和壓力調(diào)節(jié)容易控制，且能夠保障工程的運行安全［5］。

鑒于本工程大落差倒虹吸管底部取水的復(fù)雜性、分水流量和壓力可調(diào)的需求及目前水利行業(yè)消能閥的應(yīng)用情況，本工程的分水消能閥可選用活塞式調(diào)節(jié)閥或套筒式調(diào)節(jié)閥。

2.1 活塞式調(diào)節(jié)閥

活塞式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其節(jié)流消能部件為可采用多種開孔形式的出口部件，運動部件為沿導(dǎo)軌運行的活塞，流道面積的改變通過活塞及出口部件沿管道軸向做直線運動實現(xiàn)，閥腔內(nèi)任何位置的水流橫斷面為連續(xù)的環(huán)狀流道［6］。活塞閥擁有較多的出口部件形式，如圖3所示，可以適用較多的應(yīng)用工況。其中：E 型出口部件適用于大流量、低壓差工況；SZ 型出口部件適用于較大流量、較大壓差工況；LH∕LHD 出口部件適用于高壓差、小流量工況；SZ-xx%復(fù)合型出口部件適用于流量壓差變化較大的工況。

圖2 活塞式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 活塞閥出口部件形式

2.2 套筒式調(diào)節(jié)閥

多噴孔套筒式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)如圖4 所示，其節(jié)流消能部件為內(nèi)套筒，固定于閥腔內(nèi)部，而運動部件為移動的外套筒，通過外套筒的前后移動來覆蓋內(nèi)套筒過流面，改變過流面積大小，實現(xiàn)調(diào)節(jié)［7，8］。

圖4 套筒式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 兩種閥門的特點比較

（1）相比于套筒閥，活塞閥的結(jié)構(gòu)長度較短，更加節(jié)約空間，不同尺寸下的活塞閥和套筒閥的結(jié)構(gòu)長度如圖5 所示。從圖5可見：同等規(guī)格下的套筒閥結(jié)構(gòu)長度是活塞閥的兩倍多。

圖5 套筒閥和活塞閥結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)長度對比

（2）活塞閥的出口部件形式較多，而套筒閥的出口部件形式較為單一，往往滿足不了各種變化的工況，所以調(diào)節(jié)性能不如活塞閥靈活多變。

（3）套筒閥存在卡阻問題，隨著閥門的開度調(diào)整，套筒的前后移動，可能會將細小的沙粒堅實地擠入錐形孔中，從而堵住錐形孔，引起閥門卡阻，如圖6所示。

圖6 套筒閥結(jié)構(gòu)弊端示意圖

綜上所述，活塞閥在結(jié)構(gòu)、性能、造價等多方面都優(yōu)于套筒閥，且具有抗汽蝕性能好和運行穩(wěn)定等優(yōu)點，在供水工程中應(yīng)用普遍。因此，該分水口消能閥型式選為活塞式調(diào)節(jié)閥。由于本次供水的可靠性要求較高，為避免消能裝置檢修或故障影響供水，設(shè)兩組互為備用的消能閥組。

3 消能方案研究

3.1 消能級數(shù)確定

消能級數(shù)選擇取決于單臺活塞式調(diào)節(jié)閥的消能能力，在安裝高程一定時，主要由其汽蝕狀況決定，應(yīng)保證在各種運行工況下的裝置汽蝕系數(shù)均大于其允許汽蝕系數(shù)（臨界汽蝕系數(shù)）。

活塞式調(diào)節(jié)閥的裝置汽蝕系數(shù)由下式計算：

式中：σp為裝置汽蝕系數(shù)；H1為調(diào)節(jié)閥進口壓力，m；H2為調(diào)節(jié)閥出口壓力，m；HAT為當?shù)卮髿鈮?，m；Hd為水的汽化壓力，水溫20°時為0.23 m；V為管道介質(zhì)流速，m∕s；g為重力加速度。

式（1）中的分母反映活塞式調(diào)節(jié)閥的消能能力?？梢?，活塞式調(diào)節(jié)閥的消能能力主要取決于其允許氣蝕系數(shù)σ和出口絕對壓力。當安裝位置確定即出口絕對壓力一定時，選用較小氣蝕系數(shù)的閥門可提高其消能幅度。

3.1.1 一級消能方案

根據(jù)式（1），若采用一級消能方案，則活塞式調(diào)節(jié)閥的裝置汽蝕系數(shù)σp為0.026。通過調(diào)研已應(yīng)用的活塞式調(diào)節(jié)閥技術(shù)參數(shù)并咨詢有關(guān)制造廠家，可知目前制造的活塞式調(diào)節(jié)閥的汽蝕系數(shù)σ普遍大于0.1，不能滿足本工程要求，因此一級消能方案不可取。

3.1.2 二級消能方案

由于該分水口活塞式調(diào)節(jié)閥的安裝高程及出水水位基本確定，即活塞式調(diào)節(jié)閥出口壓力基本確定，為提高活塞式調(diào)節(jié)閥的裝置汽蝕系數(shù)，必須降低其消能幅度，因此，應(yīng)采用多級消能方式。

當采用多級消能方式時，應(yīng)保證每級活塞式調(diào)節(jié)閥在各種可能的運行工況下均能可靠穩(wěn)定運行，即各級消能閥的裝置汽蝕系數(shù)均大于其允許汽蝕系數(shù)。

該分水口最大消能幅度為426 m，發(fā)生在輸水總管僅向該分水口供水的工況。據(jù)此，提出可供選擇的二級消能方案見表1。各消能方案下的分水支管測壓管水頭線如圖7所示。

表1 二級消能方案

圖7 不同二級消能方案下的測壓管水頭示意圖

從表1可看出：該分水口采用二級消能方案即可滿足要求。在設(shè)計流量0.58 m3∕s 恒定運行時，方案5 和方案6 的兩級活塞式調(diào)節(jié)閥的汽蝕狀況基本均衡。但當減小第一級活塞式調(diào)節(jié)閥開度降低供水流量，第二級活塞式調(diào)節(jié)閥開度不變時，第一級活塞式調(diào)節(jié)閥汽蝕狀況惡化，因此不建議選取方案5及方案6。

由于實際分流流量的變化幅度較大，而方案3～方案6 的第一級裝置氣蝕系數(shù)相對于方案1、方案2 偏小，根據(jù)閥門流量與開度曲線和開度與氣蝕曲線關(guān)系（圖8～10）可知，方案3～6 流量調(diào)節(jié)范圍較窄，在實際運行很容易發(fā)生氣蝕，造成安全隱患，而第二級減壓閥的開度變化幅度相對于第一級較小。故優(yōu)先選擇調(diào)節(jié)靈活性較大的方案1和方案2作為預(yù)選方案。

3.2 消能閥出口部件形式選擇

本工程采用兩級降壓，分水口壓力變化范圍約為325～429 m，一級降壓到100 m，二級降壓到25 m，為了同時滿足過流能力和防氣蝕效果，需要選擇合適的出口部件形式，來適應(yīng)較大的壓力變化范圍。以下以分水口最低壓力和最高壓力兩種極端工況為例，對出口部件的選擇進行詳細說明。

3.2.1 最低壓力工況

分水口最低壓力325 m 工況下，第一級活塞閥選用LHD12出口形式，此時活塞閥最大過流能力0.7 m3∕s，當閥門開度86%時，可以滿足過流量0.58 m3∕s 的要求。根據(jù)式（1）計算得到裝置汽蝕系數(shù)氣蝕系數(shù)σp=0.22，而活塞閥的臨界氣蝕系數(shù)為0.18，所以裝置氣蝕系數(shù)遠遠大于活塞閥的臨界氣蝕系數(shù)，閥門不會發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。如圖8 所示，我們可以看出紅色曲線代表的臨界氣蝕系數(shù)曲線在閥門任何開啟度的工況下，活塞閥的汽蝕系數(shù)藍色曲線均在臨界氣蝕系數(shù)曲線之上，因此，在該工況下，閥門不會發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。

圖8 第一級閥門的流量曲線和氣蝕曲線（閥前最低壓力325 m，減壓至100 m，閥門開度86%）

第二級減壓閥的壓力從100 m 降到25 m，出口部件形式選用SZ20，最大過閥流量為0.66 m3∕s，閥門開度為88%時可以達到流量要求。根據(jù)公式（1）計算得到裝置汽蝕系數(shù)σp=0.23，活塞閥的臨界氣蝕系數(shù)為0.17，所以裝置氣蝕系數(shù)大于活塞閥的臨界氣蝕系數(shù)，閥門不會發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。如圖9所示。

圖9 第二級閥門的流量曲線和氣蝕曲線（減壓至25 m，閥門開度88%）

3.2.2 最高壓力工況

分水口最高壓力429 m 工況下，第一級活塞閥為LHD12 出口形式，此時活塞閥最大過流能力0.83 m3∕s，當閥門開度78%時，可以滿足過流量0.58 m3∕s 的要求。根據(jù)公式（1）計算得到裝置氣蝕系數(shù)σp=0.234，而活塞閥的臨界氣蝕系數(shù)為0.18，所以裝置氣蝕系數(shù)遠遠大于活塞閥的臨界氣蝕系數(shù)，閥門不會發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。如圖10所示。

圖10 第一級閥門的流量曲線和氣蝕曲線（閥前最高壓力429 m，減壓至100 m，閥門開度78%）

分水口最高壓力工況下，第二級閥門的工作狀態(tài)與其在分水口最低壓力工況下的工作狀態(tài)相同。

由以上分析可以看出，分水口壓力在兩種極端變化情況下，能保證水廠流量大小的同時，活塞閥也有足夠安全的氣蝕系數(shù)，保證了分水口的運行安全。

3.3 串聯(lián)活塞式調(diào)節(jié)閥運行方式

開啟過程：當供水流量從零流量到設(shè)計流量0.58 m3∕s 時，應(yīng)先開啟第二級活塞式調(diào)節(jié)閥至設(shè)計流量開度，再開啟第一級活塞式調(diào)節(jié)閥至設(shè)計流量開度。以第一級活塞式調(diào)節(jié)閥作為主要調(diào)節(jié)閥門，以防止第二級活塞式調(diào)節(jié)閥在小開度過程中發(fā)生氣蝕破壞。

關(guān)閉過程：當供水流量從設(shè)計流量0.58 m3∕s 減小到零流量時，應(yīng)先關(guān)閉第一級活塞式調(diào)節(jié)閥至零開度，再關(guān)閉第二級活塞式調(diào)節(jié)閥至零開度。當?shù)谝患壔钊秸{(diào)節(jié)閥在小開度運行時，應(yīng)相應(yīng)減小第二級活塞式調(diào)節(jié)閥開度，以防止第一級活塞式調(diào)節(jié)閥發(fā)生氣蝕破壞。

4 結(jié)語

通過比較活塞式調(diào)節(jié)閥和套筒式調(diào)節(jié)閥的特點，結(jié)合目前水利行業(yè)消能閥的應(yīng)用情況，選擇本分水口的消能閥型式采用活塞式調(diào)節(jié)閥；在此基礎(chǔ)上，通過對裝置汽蝕系數(shù)和活塞閥汽蝕系數(shù)的分析，確定采用兩級消能設(shè)計方案，選定了合理的消能閥出口型式及活塞閥串聯(lián)運行時關(guān)閉閥的操作和控制方式。目前，該分水口消能工程已經(jīng)建成完工，并采用表1中的方案二運行，試運行狀況良好，達到了方案設(shè)計預(yù)期。