水力減壓閥在壓力控制中的應(yīng)用

張 蕊， 王志軍， 高 偉， 史澤森

(水聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)中心(北京)有限公司， 北京 100160)

《水污染防治行動計劃》(“水十條”)明確要求2017年漏損率控制在12%，2020年控制在10%的地方政府責任目標。供水企業(yè)對供水管網(wǎng)漏損管理的重視程度日益提高，尤其是水資源匱乏的城市，解決管網(wǎng)漏損和節(jié)約水資源等問題迫在眉睫。為了加快達成“水十條”要求的目標，快速實現(xiàn)節(jié)水，降低漏損率，采用壓力控制手段是解決問題的有效途徑之一。

與使用閘閥或蝶閥進行壓力控制相比，水力減壓閥具有更強的快速節(jié)水效果、平衡管網(wǎng)壓力、減少爆管、延長管網(wǎng)使用壽命等優(yōu)勢，能穩(wěn)定、精準調(diào)壓，降低漏失率。水力減壓閥控制閥后的壓力波動越小，說明減壓閥的性能越好。水力減壓閥使用卷簾式隔膜，能夠在低流量下精準調(diào)壓，使管網(wǎng)正常運行。市場上的減壓閥品牌眾多，良莠不齊，節(jié)水效果也不同。筆者研究了適合供水管網(wǎng)實施壓力控制的減壓閥應(yīng)該具備的性能，并分析了水力減壓閥性能對壓力控制的影響。

1 水力減壓閥的節(jié)水效果與管網(wǎng)運行

某區(qū)域有2個DN600入水口，其上游管道為同一條DN1200的管道。該區(qū)域供水服務(wù)面積約為10 km2，供水服務(wù)人口約為26.8萬，用水戶約為10萬，管線總長為215 km，以球墨鑄鐵管為主。該區(qū)域在水廠附近，管網(wǎng)壓力較高，有冗余水頭。為實現(xiàn)區(qū)域精細化壓力管理，平衡區(qū)域壓力，延長管網(wǎng)資產(chǎn)壽命，采取壓力控制策略。由于管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)和水力工況復(fù)雜，2個入水口直線距離相距2 km，增加了壓力控制的難度。選擇品牌X水力減壓閥，圖1中圓點表示減壓閥的安裝位置，三角形表示壓力監(jiān)測關(guān)鍵節(jié)點。

圖1 減壓閥安裝示意Fig.1 Schematic diagram of installation of PRV operation curve

圖2所示為實施壓力控制前管網(wǎng)的運行情況，水司調(diào)整了2個入水口管道上的閘閥開啟度，以控制水壓。在高峰用水階段管網(wǎng)水頭損失較大，管網(wǎng)平均壓力波動在16.93%，管網(wǎng)壓力不均衡。

圖2 壓力控制前管網(wǎng)運行情況Fig.2 Operation of the pipe network before pressure control

從圖3可以看出，利用減壓閥控制后，管網(wǎng)平均壓力波動為1.8%，實現(xiàn)了管網(wǎng)壓力平衡。

圖3 壓力控制后管網(wǎng)運行情況Fig.3 Operation of the pipe network after pressure control

從表1可以看出，PRV1和PRV2閥后壓力波動分別為0.63%和0.42%。安裝減壓閥前，利用閘閥控制區(qū)域的壓力，年節(jié)水量為20×104m3。安裝水力減壓閥后，采取固定輸出壓力控制法，年節(jié)水量為115×104m3。

表1 壓力控制分析Tab.1 Analysis of pressure control

2 水力減壓閥在低流量下的穩(wěn)定性

某市城中村A村的供水管道老化，腐蝕嚴重。供水管道私拉亂接、隨意占公共管道情況嚴重，巡查難度大，漏點定位困難，爆管事件較多，檢修難以及時有效進行，影響管網(wǎng)壓力。管網(wǎng)改造資金短缺、房屋老舊、住房密集等因素，導(dǎo)致改造難度加大。通過投入產(chǎn)出比的分析，采用壓力控制手段解決問題。

最初投入品牌A水力減壓閥，根據(jù)該村用戶的用水習慣和臨時壓力監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)夜間22時以后用戶的合理用水量大幅度減少。因此，制定壓力控制策略為5:01—22:00，閥后壓力設(shè)定為20 mH2O；22:01—次日5:00，閥后壓力設(shè)定為5 mH2O。由于夜間處于低流量狀態(tài)，水力減壓閥常產(chǎn)生震動，或出現(xiàn)無法啟動工作的情況，不能滿足用戶的用水需求，用戶滿意度下降。使用數(shù)月后，更換為品牌X水力減壓閥，壓力控制前后水量和管網(wǎng)壓力見圖5。減壓前、后平均日間水量分別為84和51 m3/h；平均夜間水量分別為77和12 m3/h。減壓前管網(wǎng)壓力為27 mH2O，減壓后日間和夜間管網(wǎng)壓力分別為17和3 mH2O。

圖4 壓力控制前后管網(wǎng)運行情況Fig.4 Operation of the pipe network before and after pressure control

品牌X減壓閥運行至今已有4年，未發(fā)生故障。尤其在低流量時段，水力減壓閥仍能夠保證閥后壓力穩(wěn)定，調(diào)壓精確，未出現(xiàn)因減壓閥無法啟動造成的停水事件。平均日節(jié)水量為1 000 m3，年節(jié)水量為136×104m3，投資回收期為3個月。壓力控制前后所對應(yīng)的半年維修量分別為239和21處，減少了爆管事件和維修工單，提高了用戶滿意度。

3 水力減壓閥在未調(diào)壓狀態(tài)下的水頭損失

水力減壓閥安裝后，會讓其穩(wěn)定一段時間再進行調(diào)壓工作，以排除設(shè)備本身引起的管網(wǎng)運行異常。在這段期間，減壓閥處于未調(diào)壓工作狀態(tài)，即全開狀態(tài)。以甲DMA為例，該DMA最高日用水量為530 m3/d，最高時用水量為36.56 m3/h，入口安裝DN200的品牌B水力減壓閥，采取固定輸出壓力控制法，壓力策略制定為30 mH2O。圖5所示為減壓閥在全開狀態(tài)下的水頭損失情況。

圖5 減壓閥A全開狀態(tài)下的流量Fig.5 Flow quality of RV A at fully open state

由圖5可以看出，由于減壓閥未進行調(diào)整，所以閥后壓力即是設(shè)備本身的水頭損失后的壓力。該品牌的減壓閥在此管網(wǎng)水力工況下，水頭損失平均為5.13 mH2O。

乙DMA的管網(wǎng)水力工況與甲DMA相似，該DMA最高日用水量為542 m3/d，最高時用水量為35.98 m3/h，入口安裝DN200的品牌X水力減壓閥，采取固定輸出壓力控制法，壓力策略制定為30 mH2O。減壓閥全開狀態(tài)下的運行情況如圖6所示，該設(shè)備的平均水頭損失為2.01 mH2O。

圖6 減壓閥X全開狀態(tài)下的運行情況Fig.6 Operation of PRV X at fully open state

4 水力減壓閥的設(shè)備故障分析

以丙DMA為例，該DMA最高日用水量為950 m3/d，最高時用水量為68.56 m3/h，入口安裝DN200的品牌C水力減壓閥，采取固定輸出壓力控制法，壓力策略制定為30 mH2O。減壓閥從2014年3月安裝調(diào)試運行至今，對2014—2017年的運行數(shù)據(jù)進行分析研究，如表2所示。

表2 丙DMA水力減壓閥運行情況Tab.2 Operation of PRV in DMA Ⅲ

續(xù)表2 (Continue)

2014年3月開始，平均每隔1個月減壓閥會出現(xiàn)故障。維修正常后，閥后壓力波動也隨著時間幅度不斷增大。2015年12月重新更換減壓閥主要部件后運行至今，壓力波動穩(wěn)定。

品牌X已在200個區(qū)域或DMA投入使用，穩(wěn)定運行最長時間為5年，僅發(fā)生1例減壓閥故障維修事件：DN400管道供水的區(qū)域?qū)嵤毫刂疲捎陂y前后壓差比較大(2 ∶1)，導(dǎo)致該區(qū)域更換了運行3.5 a后的隔膜。

5 結(jié)論

① 從供水管網(wǎng)最大流量到接近于零流量的工況下，水力減壓閥調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)，壓力穩(wěn)定，調(diào)壓精確。

② 采用閘閥或蝶閥進行壓力控制時，在高峰用水階段管網(wǎng)水頭損失較大，管網(wǎng)壓力不平衡。水力減壓閥能夠穩(wěn)定控制閥后壓力并平衡管網(wǎng)的壓力，調(diào)節(jié)精度高，快速實現(xiàn)顯著的節(jié)水效果。同時，投入產(chǎn)出的性價比較高。

③ 水力減壓閥能夠保證調(diào)壓過程的穩(wěn)定性，尤其是在低流量下的穩(wěn)定性。水力減壓閥在低流量時不會因開度太小而產(chǎn)生震動，或出現(xiàn)無法啟動的情況，避免了管道因長期震動產(chǎn)生滲漏、損壞等情況。對于性能比較差的水力減壓閥，需要在主管道旁安裝低流量旁通調(diào)節(jié)閥，以保障低峰時段的用水需求，但壓力調(diào)控效果較差，安裝空間要求大，土建和設(shè)備成本高。

④ 水力減壓閥的閥體、導(dǎo)向閥軸、閥體、導(dǎo)閥、閥座、密封件等主要部件選擇的安全材質(zhì)和設(shè)計理念，以及選擇的涂層涂料等，都會影響減壓閥的工作性能和使用壽命。

⑤ 水力減壓閥具備操作簡便、可靠性高、提供現(xiàn)場便捷的維修性能，降低了維護成本費用以及減壓閥損壞帶來的直接或間接經(jīng)濟損失。