淺談活塞式調(diào)流閥在調(diào)水工程中的應(yīng)用

高學(xué)臣

（水利部機(jī)電研究所，天津 301900）

活塞式調(diào)流閥主要用于對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行線性調(diào)流或穩(wěn)定減壓，且調(diào)節(jié)過程順暢、穩(wěn)定，可自動(dòng)調(diào)節(jié)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)值，使之在一定精度內(nèi)保持恒定。具有良好的耐汽蝕特性，閥體內(nèi)壁的筋板兼有整流板的作用，可以分散水流防止汽蝕，也減小了閥門的噪音和活塞的振動(dòng)。被廣泛應(yīng)用于水廠、電廠、引調(diào)水工程[1]。

1 調(diào)流閥的結(jié)構(gòu)

活塞式調(diào)流閥主要由閥體、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、密封圈和其他附件組成。

1.1 閥體

活塞式調(diào)流閥的閥體分為內(nèi)、外兩層，介質(zhì)在閥體內(nèi)外兩層間的閥腔內(nèi)流動(dòng)。

1.2 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊, 閥門運(yùn)行時(shí)，通過齒輪箱驅(qū)動(dòng)閥軸轉(zhuǎn)動(dòng)，閥軸經(jīng)曲柄機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)活塞沿水流方向前后移動(dòng)，通過活塞前后移動(dòng)改變流道面積，達(dá)到流量和壓力調(diào)節(jié)的目的。閥內(nèi)的流道為軸對(duì)稱形，避免流體通過閥腔時(shí)產(chǎn)生紊流。無論活塞在何位置，閥腔內(nèi)的水流斷面始終為環(huán)狀。活塞閥開度要與流量成線性關(guān)系，調(diào)節(jié)過程要順暢、穩(wěn)定，避免流量在某一范圍內(nèi)陡然增加。活塞可在閥體內(nèi)圓筒里由導(dǎo)軌引導(dǎo)沿管路作軸向運(yùn)動(dòng)，因而改變流道面積，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量及減壓功能。

1.3 驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置保證閥門在最大允許工作壓差和最大流速工況下正常操作，驅(qū)動(dòng)裝置的輸出扭矩不小于閥門最大壓差工況下操作扭矩的 1.25 倍，可通過手動(dòng)、電動(dòng)（現(xiàn)地、遠(yuǎn)程）操作閥門。電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置具有良好的防水性能，動(dòng)作靈活、安全可靠。調(diào)流閥的電動(dòng)裝置包括電機(jī)、減速蝸輪、機(jī)械限位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、力矩控制機(jī)構(gòu)、行程控制機(jī)構(gòu)、開度指示機(jī)構(gòu)和手動(dòng)電動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置等。

1.4 密封圈

閥門的密封為軟、硬雙重密封，實(shí)現(xiàn)雙向氣泡級(jí)密封、零泄漏；閥門完全關(guān)閉時(shí)，密封良好，無滲漏升壓現(xiàn)象。調(diào)流閥的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 活塞式調(diào)流閥結(jié)構(gòu)

2 調(diào)流閥的工作原理

活塞式調(diào)流閥與只用作管線切斷的蝶閥和閘閥不同，其調(diào)節(jié)功能主要是通過改變活塞與閥座密封面之間的介質(zhì)流通面積，從而達(dá)到調(diào)節(jié)流量或壓力的目的，活塞的行程與管內(nèi)水流方向是一致的。水流從軸向弧狀進(jìn)入外殼，閥內(nèi)的流道為軸對(duì)稱形，流體流過時(shí)不會(huì)產(chǎn)生紊流。閥腔內(nèi)的水無論活塞運(yùn)動(dòng)到任何位置水流斷面均為環(huán)狀，在閥的出口處水流向軸心收縮，從而達(dá)到最佳防汽蝕，避免因節(jié)流而可能產(chǎn)生的汽蝕對(duì)閥體和管道的破壞。調(diào)流閥關(guān)閉時(shí)先快后慢，因而不產(chǎn)生任何水錘。活塞式調(diào)流閥出流效果見圖2。

圖2 活塞式調(diào)流閥出流效果

3 應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 工程概況

山東省膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程是緩解煙臺(tái)、威海供水危機(jī)的重要民生工程。該工程自黃河打漁張引黃閘引取黃河水，經(jīng)新建沉沙池沉沙后，利用現(xiàn)有的引黃濟(jì)青工程輸水至宋莊分水閘分水，沿萊州灣新辟輸水明渠至龍口市，再經(jīng)壓力管道、隧洞及暗渠輸水至煙臺(tái)市門樓水庫、威海市米山水庫。2013年，膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程實(shí)現(xiàn)主體工程全線貫通，并完成綜合調(diào)試及試通水。

黃水河泵站～米山水庫段輸水工程是整個(gè)膠東引黃調(diào)水工程的重要組成部分，主要采用管道、暗渠和隧洞結(jié)合輸水，全部位于地下，而且為有壓流和無壓流交替輸水模式，輸水系統(tǒng)復(fù)雜。輸水線路有壓重力輸水管道段主要分布在高疃泵站～米山水庫輸水線路。根據(jù)不同工況對(duì)有壓重力輸水管道段進(jìn)行水力過渡過程計(jì)算分析，有壓重力輸水管道在較低流量工況下會(huì)產(chǎn)生富裕水頭；并且管道起伏較大，管道沿線都要承受較大靜壓。有壓重力輸水管道沿線調(diào)流調(diào)壓設(shè)施的運(yùn)行控制，是保證管道的安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

3.2 調(diào)流閥的布置

根據(jù)各處調(diào)流閥控制管段的不同，將有壓重力輸水管道段分為4段。

3.2.1 高位水池～無壓調(diào)節(jié)水池管道段

（1）調(diào)流閥布置

該段管道在桂山隧洞進(jìn)口處布置2臺(tái)調(diào)流閥進(jìn)行控制。保證在任何工況下，避免出現(xiàn)高位水池水位超過最高水位，或低于最低水位；下游無壓調(diào)節(jié)水池水位超過最高水位，或低于最低水位的情況，保證管道流量滿足各工況要求。

（2）調(diào)節(jié)水池

在桂山隧洞出口處設(shè) 1 座無壓調(diào)節(jié)水池。

（3）附屬設(shè)施

在調(diào)流閥上游處設(shè)流量傳感器，安裝在流量計(jì)井內(nèi)，并將信號(hào)傳輸?shù)秸{(diào)流閥處進(jìn)行檢測(cè)。

3.2.2 無壓調(diào)節(jié)水池～孟良口子隧洞進(jìn)口

（1）調(diào)流閥布置

該段管道在孟良口子隧洞進(jìn)口處布置1臺(tái)調(diào)流閥進(jìn)行控制。保證在任何工況下，避免出現(xiàn)上游無壓調(diào)節(jié)水池水位超過最高，或低于最低水位；下游孟良口子隧洞進(jìn)口豎井水位超過最高水位，或低于最低水位的情況，保證管道流量滿足各工況要求。

（2）調(diào)節(jié)水池

在孟良口子隧洞出口設(shè)1座豎井。

（3）附屬設(shè)施

在調(diào)流閥上游處設(shè)流量傳感器，安裝在流量計(jì)井內(nèi)，并將信號(hào)傳輸?shù)秸{(diào)流閥處進(jìn)行檢測(cè)。

3.2.3 孟良口子隧洞出口~星石泊泵站前池進(jìn)口管道段

（1）調(diào)流閥布置

該段管道在星石泊泵站前池進(jìn)口處布置1臺(tái)調(diào)流閥進(jìn)行控制。保證在任何工況下，避免出現(xiàn)上游孟良口子隧洞出口豎井水位超過最高水位，或低于最低水位；下游星石泊泵站前池水位超過最高水位，或低于最低水位的情況，保證管道流量滿足各工況要求。

（2）調(diào)節(jié)水池

星石泊泵站前池。

（3）附屬設(shè)施

在調(diào)流閥上游處設(shè)流量傳感器，安裝在流量計(jì)井內(nèi)，并將信號(hào)傳輸?shù)秸{(diào)流閥處進(jìn)行檢測(cè)。

3.2.4 臥龍隧洞出口～米山水庫管道段

（1）調(diào)流閥布置

該段管道在界石鎮(zhèn)處布置1臺(tái)調(diào)流閥進(jìn)行控制。保證在任何工況下，避免出現(xiàn)上游臥龍隧洞出口豎井水位超過最高水位，或低于最低水位的情況，保證管道流量滿足各工況要求。

（2）附屬設(shè)施

在調(diào)流閥上游處設(shè)流量傳感器，并將信號(hào)傳輸?shù)秸{(diào)流閥處進(jìn)行檢測(cè)；在調(diào)流閥處還需設(shè)壓力傳感器進(jìn)行檢測(cè)。

3.3 主要技術(shù)性能指標(biāo)

（1）調(diào)流閥的調(diào)節(jié)過程順暢、穩(wěn)定。

（2）調(diào)流閥既可流量調(diào)節(jié)也可以壓力調(diào)節(jié)，通過控制系統(tǒng)，可對(duì)控制閥進(jìn)行閥后壓力控制或閥前的流量控制。

（3）調(diào)流閥根據(jù)上游水池最高、最低水位相應(yīng)調(diào)整開度，避免出現(xiàn)調(diào)節(jié)水池溢流或非淹沒出流的情況。

（4）調(diào)流閥全開狀態(tài)下具有高流通能力，并具有一定的自清潔性能。

（5）調(diào)流閥內(nèi)的流道為軸對(duì)稱形，具有過流量大、重量輕、抗汽蝕破壞和磨蝕性能的流線型結(jié)構(gòu)，流體流過時(shí)不會(huì)產(chǎn)生紊流。

（6）調(diào)流閥采用壓力平衡驅(qū)動(dòng)，減小了大流量或高壓差下閥門的操作力。

（7）調(diào)流閥閥體采用球墨鑄鐵一體化整體澆鑄，活塞、曲柄機(jī)構(gòu)、出口部件等采用不銹鋼材質(zhì)。

3.4 控制系統(tǒng)

3.4.1 調(diào)流閥控制方式

（1）自動(dòng)控制

根據(jù)閥前、閥后的流量、壓力傳感器信號(hào)，自動(dòng)調(diào)整調(diào)流閥的開度；也可遠(yuǎn)程下達(dá)閥門操作指令，控制閥門開關(guān)狀態(tài)，同時(shí)閥門各種狀態(tài)信息上傳至調(diào)度系統(tǒng)。

（2）人工控制

通過人工設(shè)定閥門開度值，改變閥門開度調(diào)節(jié)流量及壓力。

3.4.2 調(diào)流閥開、關(guān)控制

（1）開閥

1）最低水位以下：泵站根據(jù)不同工況流量要求開啟泵站機(jī)組運(yùn)行，調(diào)節(jié)水池水位上升，水位達(dá)到最低水位時(shí)，閥門自動(dòng)開啟。

2）最低水位至設(shè)計(jì)水位之間：閥門初步開啟后，調(diào)節(jié)水池水位持續(xù)升高，則調(diào)流閥持續(xù)加大開度。當(dāng)水位超過設(shè)計(jì)水位后，按步驟3）運(yùn)行。

3）設(shè)計(jì)水位至最高水位之間：水池水位超過設(shè)計(jì)水位，則閥門加大開度；當(dāng)水池水位降低，則閥門根據(jù)水位變化情況，適時(shí)減小開度，開度調(diào)整至調(diào)節(jié)水池進(jìn)出流量平衡，水池水位穩(wěn)定在設(shè)計(jì)水位。

4）最高水位以上：水池(豎井)水位超過最高水位，則調(diào)流閥加大開度直至完全開啟；當(dāng)水池水位降至最高水位之下，按步驟3）運(yùn)行。

（2）關(guān)閥

調(diào)節(jié)水池水位穩(wěn)定在設(shè)計(jì)水位，閥門開度為工況流量開度。

1）先啟動(dòng)調(diào)流閥閥門，減小開度，調(diào)節(jié)水池水位上升超過設(shè)計(jì)水位，適時(shí)減小開度，開度調(diào)整至調(diào)節(jié)水池進(jìn)出流量平衡。

2）當(dāng)泵站各機(jī)組正常停機(jī)，致使調(diào)節(jié)水池水位降低，此時(shí)調(diào)流閥根據(jù)水位變化情況，自動(dòng)減小開度，開度調(diào)整至進(jìn)出流量平衡，當(dāng)調(diào)節(jié)水池水位降至最低水位之下，閥門完全關(guān)閉。

3.5 運(yùn)行效果

通過實(shí)際運(yùn)行情況來看，調(diào)流閥能夠起到調(diào)節(jié)流量、消能排空以及減壓、調(diào)壓等作用，對(duì)高壓力和大壓差工況具備優(yōu)越的調(diào)節(jié)和控制功能，具有消能、降噪、減振及防汽蝕的作用。調(diào)流閥在小流量工況時(shí)閥門對(duì)流體具有良好的消能效果，減小了閥門的噪音和活塞的振動(dòng)，有效避免汽蝕、震動(dòng)對(duì)管線的破壞；當(dāng)大流量工況時(shí)，閥門可消減流體部分能量，并對(duì)流體的部分能量有所保留，保證閥門具有足夠的過流能力。能有效提高系統(tǒng)安全可靠性，滿足系統(tǒng)自動(dòng)化控制要求。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：實(shí)現(xiàn)流量的精確控制，可以保持恒定流量；實(shí)現(xiàn)大壓差范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，保持閥后壓力穩(wěn)定；操作方式可以選擇手動(dòng)和電動(dòng)兩種控制方式，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心遠(yuǎn)程控制，操作人員無需到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，即可根據(jù)需要進(jìn)行高精度調(diào)節(jié)。使各控制點(diǎn)流量、壓力維持在相對(duì)穩(wěn)定和合理的區(qū)間，保證了調(diào)水工作正常有序運(yùn)行[1]。

4 調(diào)流閥的未來發(fā)展趨勢(shì)

調(diào)流閥是一種重要的流體控制裝置，廣泛應(yīng)用于石油、化工、水利、電力、冶金等工業(yè)領(lǐng)域。未來，隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，調(diào)流閥將朝著以下幾個(gè)方面發(fā)展：

智能化：隨著智能制造和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，調(diào)流閥將越來越智能化，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)流量和壓力。

低噪音：調(diào)流閥在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪音，未來的調(diào)流閥將會(huì)采用新材料、新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)來減少噪音產(chǎn)生。

節(jié)能環(huán)保：調(diào)流閥未來的發(fā)展將更加注重節(jié)能環(huán)保，采用新材料、新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)，減少能耗和廢氣排放。

多功能化：未來的調(diào)流閥能夠?qū)崿F(xiàn)多種流體控制功能，如流量計(jì)量、流量調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)等。

高可靠性：未來的調(diào)流閥將會(huì)更加注重高可靠性，采用新材料、新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，減少故障率和維修成本。