淺談長距離輸水管道工程中調流閥的應用

王曉東

(山東省膠東調水局， 山東 濟南 250013)

淺談長距離輸水管道工程中調流閥的應用

王曉東

(山東省膠東調水局， 山東 濟南 250013)

通過介紹調流閥在山東省膠東地區引黃調水工程中的布置，總結了其成功應用經驗，分析了調流閥的優點，并對實際運用及取得的效果進行了闡述，結論表明調流閥能有效消減管道內水體富余壓力，實現流量的精準調節，及時應對處置應急突發事件，避免管道水錘和負壓破壞的發生。在實際運用中能夠保證管道運行可控性和安全性。

調流閥； 管道工程； 引黃調水

調流閥因其調節精度高，氣蝕、噪音和振動小，消能效果好，有理想的流量—開度曲線，便于實現自動控制，在許多大型輸水工程得到了廣泛應用。如萬家寨引黃工程選用網孔套筒式調節閥安裝于輸水管路中，達到消能和流量調節需求；遼寧大伙房輸水工程沿線設置了19臺活塞式調節閥用于調節流量。這些調節閥的運用極大保證了運行的可控性和安全性。本文結合調流閥在山東省膠東地區引黃調水工程中的設置及實際運用情況，對長距離輸水管道工程中調流閥的應用進行了研究探討。

1 工程概況

山東省膠東地區引黃調水工程是南水北調東線工程中山東“T”字形調水大動脈的重要組成部分。工程自濱州打漁張引黃閘引取黃河水，經新建沉沙池沉沙后，利用現有引黃濟青工程輸水至昌邑市宋莊鎮，在該鎮新建宋莊分水閘分水，至威海米山水庫。輸水線路總長482km，其中利用現有引黃濟青段工程172km，新辟輸水線路310km。工程自高疃泵站至米山水庫段主要是管道工程，全長90km，管道直徑DN2200～DN1600，沿線管道隨地形高低起伏，管道最高點與最低點高差達80余米。其中，高疃泵站—星石泊泵站輸水工程主要由輸水管道、桂山隧洞、孟良口子隧洞工程組成，設計流量 5.5～4.8m3/s。通過高疃泵站加壓輸水至高位水池，然后通過有壓重力輸水至星石泊泵站前池。該段線路共有三段有壓重力輸水管道，分別為：高位水池—調節水池管道段、調節水池—孟良口子隧洞管道段、孟良口子隧洞—星石泊泵站前池管道段；各段管道分別通過無壓水池、隧洞連接。在牟平境內設分水口一處。星石泊泵站—米山水庫輸水工程主要由輸水管道、臥龍隧洞、臥龍暗渠工程組成，設計流量 4.8m3/s。通過星石泊泵站加壓輸水至臥龍隧洞，然后通過有壓重力輸水至米山水庫。該段線路臥龍隧洞—米山水庫管道段為有壓重力輸水管道，各段管道通過無壓隧洞連接。

2 調流閥的設置

2.1 電動蝶閥調流調壓控制的局限性

重力流長距離輸水管道在輸水過程中水的能量損失分為兩種：沿程損失和局部損失，蝶閥開度引起的水頭損失屬于局部損失。在運行過程中可依靠調整蝶閥群的開度來調節管道的壓力，控制管道的流量。因該工程設計始于2000年，受當時國內設備生產條件的限制，采用沿線多電動蝶閥的調流調壓措施，能滿足工程設計運行工況輸水要求。在工程主體完工后，對該段進行了充水試壓及調試，發現利用已安裝的電動蝶閥調流調壓，閥門汽蝕和振動劇烈。如：文登段界石鎮2號 管道閥門、福山段塔寺莊管道閥門，在上下游壓差大時，操作過程中均出現較大振動。利用電動蝶閥作為檢修閥技術上可靠、經濟上合理，其運行狀態一般是全開或全閉，只有在閥門上下游壓差較小時可用于調節流量，而工程需調節流量處的閥門前后壓差可達40m，用閥門調節流量會造成汽蝕和振動，長時間調節流量運行將對閥門門軸及密封件造成損害。

同時，受渠首引水量和沿途分水量變化等因素影響，輸水期間運行工況多變，輸水流量不同，也對調度運行的靈活性和可操控性提出更高要求。蝶閥為近似等百分比調節閥，其開度與流量為非線性關系，較小的開度變化就會引起流量的較大變化，易出現超調或調節不到位的現象，影響工程安全、穩定運行。

2.2 調流閥工作原理及優點

活塞式調流閥是根據閥體內部的活塞前后移動，來控制閥門的開度，從而有效對流量、壓力等進行控制。活塞閥內的流道為軸對稱形，閥門開啟時，水流在出口處匯集，流體流過時不會產生紊流，有效消除氣蝕；活塞閥全關時，有效阻止水流流動，達到零泄漏，從而避免了上游壓力的傳遞。流道面積的改變是通過一個活塞沿管道軸向做直線運動實現，無論活塞在何位置，閥腔內的斷面始終為環狀，在出口處向軸心收縮，引導水流在閥口中心處逆向對撞消能，使氣蝕氣泡在中心處湮滅，從而避免因節流而可能產生的氣蝕對閥體和管道的破壞。活塞式調流閥結構布置見圖1。

圖1 活塞式調流閥結構

采用活塞閥調流調壓有許多優勢。活塞閥為線性調節閥，其開度與流量呈線性關系，易于操作；能夠實現流量的精確控制，并保持恒定流量運行；出口部位的線性收縮和出口節流部件產生的引導對撞及阻力，可產生消能及減壓效果；管道運行時，只對各處活塞閥進行運行控制，管道沿線的電動蝶閥全部處于開啟狀態，不參與控制運行，方便運行管理。活塞式調流閥開度—流量曲線見圖2。

圖2 活塞式調流閥開度—流量曲線

2.3 調流閥的布置

通過對不同運行工況進行分析和計算，分別在膠東調水工程的桂山隧洞、孟良口子隧洞、星石泊泵站、界石鎮設置4處調流調壓設施，安裝5臺活塞式調流閥。

每處調流閥前后范圍內設調節池，調節池為開敞式，可利用高位水池、隧洞豎井、泵站前池等工程設施作為調節池，在調節池安裝水位觀測裝置，在運行期間隨時觀察水位變化情況。因調流閥需定期清理和檢修，在調流閥上下游管道上分別設置檢修蝶閥，檢修期間關閉上下游蝶閥，人員通過管道設置的人孔進入檢修。在每處調流閥前安裝流量計，用于采集流量數據，滿足調節控制需要。每臺調流閥及沿線電動蝶閥前后安裝壓力監測設備，通過監控設施將流量、水位、壓力數據采集后傳輸至調度中心。

調流閥站擔負調流調壓功能，對全線安全運行至關重要，若因電力中斷不能進行及時調節，可能造成輸水管道損傷，帶來重大經濟損失，甚至造成人身傷害，因此不允許中斷供電。設計采用雙重電源供電，運行電源為網電，備用電源采用柴油發電機組，因備用電源無法實現無縫轉換供電，為保證供電安全，采用不間斷電源減少中斷供電時間。

3 調流閥的應用

3.1 運行原則

該段管道調度運行基本原則是“調流量、控水位、觀壓力”。輸水運行期間，根據調度需要，調節各調流閥開度，使過閥流量與泵站提水流量相匹配，從而使整個系統維持在穩定狀態，管道內水體流態平穩。設定每處調節池的控制水位變幅區，通過控制調流閥流量維持水位在變幅區內，控制水位設定應充分考慮對上下游管道壓力影響，同時因調流閥全開或全關時間在25min左右，需為應急處置留取調節余量。運行期間，要實時觀測各處壓力觀測點壓力值變化情況，從而判斷管道內水體是否處于相對穩定運行狀態。

3.2 運行效果

2015年12月—2016年6月，膠東調水工程成功實施了向威海、煙臺應急抗旱調水，共計向威海調水3600萬m3、向牟平調水近500萬m3，有效緩解了當地供水緊張局面。新增調流調壓設施在小流量、非設計工況應急調水期間發揮了至關重要的作用，奠定了管道工程安全可控運行的基礎。總結來看，調流閥的主要作用表現在消能、調流和應急處置三個方面。

一是消能作用。運行過程中，水流通過調流閥，在出口處對撞消能，水體動能基本消減為零，從而使下游管道內的水體流態更趨平穩，運行更加安全。就工程而言，如無調流調壓設施，高位水池的水體將在重力作用下，沿近70km管道、隧洞自由流向星石泊泵站前池，高位水池與星石泊泵站前池高程差近80m，兩池之間管道中心線高程起伏較大，管段水體流態紊亂，嚴重時將出現“氣堵”“拉空”等狀況。調流調壓設施消減了管道內水體富余壓力，保持流態平穩，保證了運行安全。

二是調流作用。調流閥操作簡單，借助開度—流量線性變化關系，通過調節閥門開度可以快速實現流量調節，在監控設施完備情況下，可實現自動控制和調節。流量的調節精度可達到千分位，使管道中水體流量與泵站提水量、運行工況相匹配。運行過程中，通過對沿程管道、調節水池等壓力、水位、流量的監測，及時調節各調流閥的開度，使各控制點水位維持在相對穩定和合理的區間，保證管道水體滿管連續運行。可實現管道運行流量調整與分水過程的平穩過度，避免調流過程中不利工況的出現。

三是便于及時處置突發事件。運行中若出現泵站事故停電等突發事件時，通過調度中心指令，在短時間內對各調流閥順序分級關閉，保證各調節池水位的穩定和管段壓力的基本恒定，避免管道水錘和負壓破壞的發生，也為盡快恢復管道運行奠定基礎。

4 結 論

調流閥是長距離管道輸水調度運行的關鍵設備，與泵站、調節水池、電動蝶閥等工程設施聯合控制，是保證工程靈活調度、安全運行的有效措施。隨著運行經驗不斷完善、自動化水平不斷提高，將會給調度人員帶來更加穩定、高效、安全的運行環境。

[1] 石建杰，龔應安，邱相玉.調節閥在長距離輸水工程消能調流中的應用[J].水利水電技術，2015(11)：101-105.

[2] 陳慶華.長距離輸水管道調流調壓閥設置探討[J].水利科技，2011(3)：37-38，43.

[3] 閻秋霞.大口徑調流閥應用研究[J].水利建設與管理，2012(5)：20-22.

On application of regulation valve in long-distance water conveyance pipeline project

WANG Xiaodong

(ShandongJiaodongWaterDiversionBureau,Ji’nan250013,China)

The conclusion indicates that the regulating valve can reduce excessive pressure of water in the pipeline effectively, realize precise regulation on flow capacity, handle emergency events timely, and avoid pipeline water hammer and negative pressure by introducing the layout of regulating valves in Yellow River Water Diversion Project for Jiaodong region of Shandong Province, summarizing successful application experience, analyzing the advantages of the regulating valve, and explaining the practical application and achieved effect. The controllability and safety for pipeline operation can be ensured in practice.

regulating valve; pipeline project; Yellow River water diversion

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.02.021

TV672+.2

A

1005-4774(2017)02- 0077- 03