淺議王圪堵水庫輸水工程末端調(diào)節(jié)閥的選型

張愛玲

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 陜西 西安 710001）

1 工程概況

王圪堵水庫輸水工程位于榆林市榆陽區(qū)和橫山縣境內(nèi),地處陜北黃土高原北部，毛烏素沙漠南緣。取水水源為橫山縣城關(guān)鎮(zhèn)境內(nèi)的王圪堵水庫，用戶為榆橫工業(yè)園區(qū)。

輸水工程起點接王圪堵水庫壩后電站尾水池，在尾水池處設(shè)2道進水閘取水，輸水線路跨越無定河后，沿無定河左岸向下游行進5.62km，到達曹家溝溝口下游的加壓泵站；泵站廠區(qū)內(nèi)布置有6臺水泵電動機組，經(jīng)加壓泵站加壓后，輸水線路從無定河漫灘爬坡上升至沙梁梁頂，從G5點開始輸水線路轉(zhuǎn)向東北方向，穿越硬地梁溝、付鮑公路后到達輸水線路最高點BG7-1（歸化樁號8+739.24，設(shè)有高位水池），該段輸水線路長度8.92km；高點之后輸水線路繼續(xù)向東北方向行進，沿途穿越沙界溝、二石磕溝、沙河溝、鐵路等交叉建筑物后，終點到達榆橫工業(yè)園區(qū)水廠，該段輸水線路長度14.09km。輸水線路總長度28.64km。

本供水工程為Ⅱ等大（2）型工程，主要建筑物級別為2級，設(shè)計流量4.90m3/s。工程由取水口進水閘、重力流引水管線、加壓泵站、加壓輸水管線、高位水池、交叉建筑物、運行維護道路等附屬設(shè)施組成。為了提高輸水工程的安全性，本工程輸水線路為雙管道輸水；管徑高位水池以前為DN1600，高位水池以后為DN1400，末端變?yōu)镈N1000；管道材料高位水池以前有預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、鋼管、球磨鑄鐵管，高位水池以后除過沙界溝和沙河溝2處較大過溝段為鋼管，其余基本為預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管。

輸水方式為壓力輸水，其中前段和后段為有壓重力輸水、中段為加壓輸水。

2 工程運行工況及水力計算

2.1 工程運行工況

根據(jù)工業(yè)園區(qū)發(fā)展情況，工程運行分為正常運行工況、初期運行工況和事故運行工況三種。

（1）正常運行工況：4臺大泵同時抽水，兩條管道同時輸水，設(shè)計規(guī)模40萬m3/d；

（2）初期運行工況；1臺小泵抽水，一條管道輸水，最小設(shè)計規(guī)模5萬m3/d；

事故運行工況：3臺大泵抽水，一條管道由連通閥分隔的某區(qū)間發(fā)生事故不能輸水，其余區(qū)間兩條管道同時輸水,設(shè)計規(guī)模不小于28萬m3/d。

經(jīng)選型方案比較，加壓泵站機組選型采用5大1小共6臺單機雙吸臥式離心泵機組方案，具體到經(jīng)常實用的運行工況主要有：（1）單機單管小機組流量運行工況；（2）單機單管大機組流量運行工況；（3）雙機單管大機組流量運行工況。各工況下水泵參數(shù)見下表。

2.2 水力計算

取水口至水廠設(shè)計縱斷面如上圖，工程特征水位如下表。輸水工程和水廠分界點為水廠圍墻外1m，該處管道中心線高程1122.12m，進廠前管路上安裝有流量計、調(diào)流調(diào)壓閥，閥門后管道出水送至廠內(nèi)配水井。輸水工程特征水位如下表2。

水力損失計算計算公式采用《室外給水設(shè)計規(guī)范》（GB50013-2006）推薦公式

式中：i——管道單位長度的水頭損失（水力坡降）；

q——設(shè)計流量（m3/s）；

dj——管道計算內(nèi)徑（m）；

Ch——海曾—威廉系數(shù)，本設(shè)計取120。

經(jīng)計算，不同流量工況下末端閥門前后的損失水頭、剩余水頭見下表3。

由水力計算結(jié)果可以看出，由于輸水線路較長，在機組流量變化情況下，輸水線路水力損失差異較大，小流量下末端閥門剩余水頭較多，若不采取流量調(diào)節(jié)措施，將會導(dǎo)致實際過流量大而引起高位水池水位波動，繼而引起水泵機組運行不穩(wěn)定、管道局部壓力流和無壓流交替出現(xiàn)等現(xiàn)象，這是工程安全所不能允許的，因此必須設(shè)置末端調(diào)節(jié)閥門。

3 末端閥門選型要求

末端閥門必須具有如下功能：

（1）調(diào)流

在機組高效區(qū)運行范圍內(nèi)，輸水流量盡量與用戶用水接近，當來流量大時，閥門應(yīng)具有調(diào)流作用。

輸水管線縱斷面示意圖

表1 水泵工作點計算成果表

表2 輸水工程特征水位

表3 末端閥門前后水頭特性表

（2）調(diào)壓

無論閥前壓力如何變化，閥后壓力基本穩(wěn)定，閥門應(yīng)具有調(diào)壓作用。

（3）啟閉靈活

通過信號的反饋達到全開、全關(guān)、任意開度的多階段關(guān)閉方式，并且反應(yīng)靈敏，水力損失小。

（4）結(jié)構(gòu)平滑順暢，避免因流道結(jié)構(gòu)變化造成的水流紊亂而產(chǎn)生振動、噪聲和氣蝕。

（5）運行管理方便，安全可靠。

4 初步選型方案

4.1 常用調(diào)節(jié)閥特性

具有調(diào)節(jié)作用的閥門有蝶閥、活塞式調(diào)節(jié)閥、套筒式調(diào)節(jié)閥等，它們各有其結(jié)構(gòu)功能和特點。

（1）蝶閥

蝶閥通過閥桿轉(zhuǎn)動控制其開度，可以適當?shù)恼{(diào)節(jié)流量。用于調(diào)流調(diào)壓的蝶閥通常在普通閥板上安裝整流片以分散水流，其開度范圍一般控制在30%以上。該閥門由于控制精度不高，僅適用于調(diào)節(jié)效果要求不高的場合，生產(chǎn)廠家較多。

（2）活塞式調(diào)節(jié)閥

該閥也叫針閥，通過類似活塞狀的圓柱體在閥腔內(nèi)做軸向移動來實現(xiàn)對水流的調(diào)節(jié)。無論活塞在任何位置，閥腔內(nèi)水流的斷面均為環(huán)狀，并在出口處向軸心

收縮，從而避免因節(jié)流而可能產(chǎn)生的氣蝕對閥體和管道的破壞。生產(chǎn)廠家有德國VAG公司、德國Erhard公司、我國鐵嶺閥門廠等。

（3）套筒式調(diào)節(jié)閥

也稱網(wǎng)孔式調(diào)節(jié)閥，該閥內(nèi)部過流部件是四周布有錐孔的噴管，外部是可以前后移動的套筒，通過套筒的軸向前后移動，噴管上錐孔露出的多少隨之改變，隨著過流面積的增加或減少，達到調(diào)節(jié)目的。由于水是通過噴管四周均勻向內(nèi)噴射并碰撞后流出閥外，因此消能效果好，但噴管材質(zhì)以及錐孔的加工要求較高、對水質(zhì)的要求也較高。生產(chǎn)廠家有美國CMB Industries公司、美國Watts公司、美國亨利普安公司、日本栗本鐵工所、我國上海冠龍閥門公司、長沙閥門廠等。

4.2 適用本工程的調(diào)節(jié)閥

任何一種形式、規(guī)格的閥門都不是萬能的，它只能適應(yīng)一定的工況，而且調(diào)節(jié)精度越高的閥門其造價越高，對于每一個工程，選擇最適宜的閥門是我們的設(shè)計宗旨。閥門選型時，從節(jié)省資金的角度出發(fā)，首先應(yīng)考慮普通閥，其次再考慮特制閥。判定閥門是否適用的首要判據(jù)是汽蝕性能，其次還有振動、噪音等。

（1）汽蝕性能

判定閥門在管路中的汽蝕性能如何，一般根據(jù)汽蝕系數(shù)判定，若汽蝕系數(shù)大于所選閥門的允許汽蝕系數(shù)δκ，表明閥門不會產(chǎn)生汽蝕；相反，則可能產(chǎn)生汽蝕。汽蝕計算公式 δ=（H1+H）/△P

其中H——大氣壓與其溫度相對應(yīng)的飽和蒸汽壓力之差，10m；

H1——閥后壓力，m；

△P——閥門前后壓力差，m。

單臺小泵、單臺大泵、雙臺大泵運行工況下，計算得到汽蝕系數(shù)分別為0.7、0.9、12.5。而一般公認的蝶閥、活塞閥、套筒閥的允許汽蝕系數(shù)分別為2.5、0.21、0.19。

可以看出，若采用蝶閥，只有在雙泵并聯(lián)運行（正常運行）工況下，不會產(chǎn)生汽蝕，而其他工況下汽蝕系數(shù)遠小于蝶閥允許汽蝕系數(shù)，換句話說會產(chǎn)生嚴重汽蝕。因此，蝶閥不能用于本工程，而活塞閥和套筒閥均可選用。

（2）振動情況

從活塞式和套筒式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特點可以看出，2種閥門在過流時都是徑向荷載均勻分布，所以受力是平衡的，不會產(chǎn)生大的震動或噪聲。

5 進一步分析及選型結(jié)論

無論是活塞閥還是套筒閥，在整個運行過程中，其調(diào)節(jié)特性為線性調(diào)節(jié)，即流量與閥門開度成線性比例關(guān)系，兩者均是性能優(yōu)良的高精度調(diào)節(jié)閥門，價格差別不大。詳細比較，活塞式閥具有多種出口形式，還可根據(jù)結(jié)構(gòu)的長短和開孔的疏密，集各種出口形式的結(jié)合，進而創(chuàng)造出多種出口形式，滿足多種特殊條件下的工況要求，而套筒閥只有一種出口形式，而且特別適用于高壓差的消能型出口；再之，套筒閥的錐孔相對密而小，容易被雜質(zhì)堵塞，所以它對水質(zhì)的要求比較高，而本工程輸送的是水庫原水，雖然前面設(shè)有攔污柵，也難免有污物帶入；第三，進一步對比DN1000口徑的活塞閥、套筒閥外形尺寸（活塞閥外形尺寸為1500mm×1700mm，套筒閥為2540mm×1990mm），活塞閥體積相對較小，占用空間小。因此，綜合分析本工程選用活塞式調(diào)節(jié)閥。

6 結(jié)語

該工程實施中，通過招標競標程序，采購了德國VAG公司生產(chǎn)的活塞式調(diào)流調(diào)壓閥，工程已經(jīng)于2013年試通水運行，閥門的各種指標滿足設(shè)計要求。

具有調(diào)流作用又有調(diào)壓作用的調(diào)節(jié)閥是一種技術(shù)先進、價格較高的調(diào)節(jié)閥，通過本工程的選型可以看出，工程的運用要求是設(shè)計的基本依據(jù)，掌握各種閥門的功能特性是必要條件，詳細的參數(shù)分析是選型關(guān)鍵。陜西水利

[1]楊紀偉.管路流量的閥調(diào)節(jié)特性分析[J].水道港口.1994。

[2]楊源泉.閥門設(shè)計手冊[M].機械工業(yè)出版社.1992。