長距離輸水工程調流閥過流特性研究

李鳳濱

(遼寧省大伙房水庫輸水工程建設局， 遼寧 沈陽 110166)

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長距離輸水工程調流閥過流特性研究

李鳳濱

(遼寧省大伙房水庫輸水工程建設局， 遼寧 沈陽 110166)

長距離輸水工程中調流閥承擔著控制和調節流量的重要責任，因此過流特性對準確操作調流閥非常重要。本文根據自動化系統所采集的數據，運用閥門的壓力流量關系理論，經分析計算得到調流閥過流特性曲線簇，并研究定壓輸水時，調流閥閥門開度與流量的關系。結果表明：當壓差固定時，調流閥閥門開度越大，阻力系數越小，過流量越大；但閥門開度與過流量并非線性關系，而是存在一個轉折點，當閥門開度大于這個轉折點時，閥門開度與過流量接近線性關系。本文為長距離輸水工程流量控制的運行管理提供了準確有效的理論基礎。

長距離輸水工程； 過流特性； 調流閥； 壓力差

1 引 言

遼寧省大伙房水庫輸水(二期)工程管線長度約154.4km，一期工程輸水規模327萬m3/d，承擔遼寧中部六大城市(撫順、沈陽、遼陽、鞍山、營口、盤錦)的供水任務，供水保證率95%，具有輸水距離長、供水目標多、供水量大的特點。整個干線上安裝有23個調流閥，各支線及進水廠前分別安裝一到多個調流閥。這些調流閥承擔著重要任務：消能調壓、控制日常進入水廠的流量、對進入水廠的流量按照計劃進行增量(減量)調整，以及突發事故緊急情況下停水[1]。由于各個凈水廠能夠容納的水量不同，需要干支線上的調流閥準確控制供水量，否則易造成溢出甚至淹沒廠區等情況，這就要求準確掌握各個調流閥的過流特性[2-3]。

由于氣蝕、長時間淤積等原因，易造成調流閥運行過程中過流特性曲線與出廠時的特性曲線有所偏差，這就造成水利工程調流過程中不能準確有效地操控調流閥，不能準確調節流量。此時，為達到計劃供水量，需來回變動調流閥開度，如此將對工程不利，易存在隱患。

本文在自動化系統所采集數據的基礎上進行分析整理，得到調流閥的流量系數，畫出閥門過流特性曲線，并采用插值法得到較為準確值，便于工程執行調度操作。

2 調流閥過流特性理論的提出

a.調流閥的工作原理。調流閥通過帶有許多小孔內套筒的軸向伸縮調節過流面積，以達到節流調壓的目的。在輸水管道中用來調節壓力，消除多余能量。在定壓輸水時，可用來調節流量。閥門的流量與水壓差之間存在如下關系[4]：

(1)

(2)

式中Q——通過閥門的流量,m3/s；

KV——流量系數，無量綱；

ΔP——調流閥前后壓力差,100kPa;

γ——水的重度,N/m；

A——閥門的公稱面積；

A*為參數值，可通過試驗數據擬合得出；

ζ——閥門的阻力系數。

閥門阻力系數ζ與閥門的開度及制造工藝等因素有關，當閥門投入運行后，閥門的淤積情況也會影響阻力系數ζ的大小。

b.閥門開度的確定。在定壓輸水時，需要得知準確的閥門開度才能有效地調節流量。實際工程中，由于用水單位的計劃需要增加水量，而該水量增量從瞬時流量角度看往往很小，能達到0.1m3/s級別，在閥門過流特性曲線簇中是查不到對應的閥門開度增量的。這是由于廠家所提供的閥門過流特性曲線簇是通過試驗得到，不夠詳細。而通過運行數據的提取得到的閥門過流特性曲線簇，也是由特定的幾個固定開度(工程運行中閥門開度往往盡量保持不變)所對應的曲線組成，這就導致過流特性曲線簇不夠細膩。出現此種情況可以通過插值的方法得到。這里給出在固定水壓差時，線性插值公式：

(3)

式中n1——當前的開度；

Δn——開度增量；

n2——與n1鄰近的開度；

Q1——當前的流量值；

ΔQ——計劃的流量增量；

Q2——n2所對應的流量(在固定的壓差下)。

3 工程實例

以大伙房水庫輸水(二期)工程中遼陽支線調流閥為例，進行閥門過流特性的研究。該支線調流閥的前后都安裝有壓力傳感器，閥門前裝有超聲波流量計，采用自動化系統實時采集數據。所采集的數據正適合用于研究該閥門的過流特性。

a.調流閥流量系數KV的求取。選取實際運行情況下的壓力、流量等水力參數進行分析，從而得到流量系數KV。數據選取要求：整個輸水工程無操作，尤其是該閥門無操作的條件下，保證壓力、流量、開度都較為平穩，從而選取數據。圖1、圖2給出調流閥在九種不同工況下的前后壓力差、流量變化情況，每一組都為時間上連續的20個數據點。 根據式(1)能夠求得調流閥流量系數KV。不同工況下20個數據點所計算出的KV值很相近，它具有一般工程的正態分布性質，離散度較低。例如：工況一的標準差才0.04(如下頁表所列)，因此每組KV的平均值，很具有參考性。表中給出不同工況下的計算結果，n為調流閥的開度值。根據式(1)可畫出該調流閥實際的過流特性曲線簇，結果如圖3所示。根據實際運行工況得到的流量系數KV更貼近當前調流閥的過流特性，對輸水工程運行管理有較高的參考價值。

圖1 各個工況下的流量Q

圖2 各個工況下的調流閥前后壓力差ΔP計算結果表

n/%KV平均值KV標準差工況一13.190.3150.004工況二10.390.2580.005工況三14.640.3600.004工況四21.820.6080.016工況五23.010.6520.006工況六23.830.6730.013工況七33.190.9980.007工況八41.611.2980.012工況九56.211.7700.010

從圖3可知，當調流閥前后壓力差固定時，閥門開度越大，流量越大；閥門開度越小，阻力系數越大，過流量越小。圖4給出在該調流閥前后壓力差固定為100kPa時，閥門開度與過流量的關系。該圖表明閥門開度與過流量并不是線性關系，在閥門較小時，過流量變化不大，流量曲線坡度較小，當閥門開度大于15后，閥門的過流量傾斜度變大，流量曲線坡度變大。這個過程表明，調流閥閥門開度與流量存在一個轉折點，當大于轉折點后閥門開度與流量接近線性關系，這種現象對輸水工程中準確調節流量非常重要。

圖3 該支線調流閥的過流特性曲線簇

圖4 在壓力差不變時調流閥開度與流量的關系

b.在已知流量增量時求取閥門開度。當閥門在某個運行狀態下，需要通過操作閥門開度來達到流量增量的目的，即在固定壓差下，已知流量增量，要求知道閥門開度，可以通過查詢圖3的曲線圖，運用式(3)得到需要操作的閥門開度，以達到調節流量的目的。

4 結 論

基于自動化系統采集的數據，運用閥門的壓力流量關系理論，經計算可率定調流閥的過流特性曲線簇，為輸水工程流量控制提供準確有效的理論基礎。結果表明：?當壓差固定時，調流閥閥門開度越大,阻力系數越小,流量越大；?存在一個轉折點，當大于轉折點后,閥門開度與流量接近線性關系，這種現象對輸水工作中準確調節流量非常重要。

[1] 曲興輝,周林虎.大伙房水庫輸水(二期)工程全線調度規程[R].沈陽：遼寧省大伙房水庫輸水工程建設局，2011.

[2] 劉曉俊.水庫水文無線數據監測及自動監測技術研究[J].水利建設與管理，2014(12):66-68.

[3] 王金華.計算機監控系統改造在觀音閣水庫電廠的應用[J].中國水能及電氣化，2014(7):55-57.

[4] 范建強.VAG調流閥的設計選型[J].水利建設與管理，2015,9(1):28-30.

Study on flow regulating valve overflow characteristics in long-distance water conveyance project

LI Fengbin

(LiaoningDahuofangReservoirWaterConveyanceEngineeringConstructionBureau,Shenyang110166,China)

Flow regulating valve in long-distance water conveyance project has important liability of controlling and regulating flow capacity. Therefore, overflow characteristics are very important to accurately operate the flow regulating valve. In the paper, valve pressure flow relation theory is applied for obtaining overflow characteristic curve family through analysis and calculation according to the data collected by automation system. The relationship between flow regulating valve openness and flow capacity during water conveyance under fixed pressure is studied. The results show that when the pressure difference is fixed, the flow regulating valve openness is larger, resistance coefficient is smaller, and overflow is larger. However, the valve openness and overflow do not form linear relationship. There is a turning point. When the valve openness is larger than the turning point, valve openness and overflow are closer to the linear relationship. The paper provides accurate and effective theory basis for the operation and management of long-distance water conveyance project flow control.

long distance water conveyance project; overflow characteristics; flow regulating valve; pressure difference

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.11.010

TV672

A

1005-4774(2016)11- 0038- 03