楊富超 馬韌韜 高普新 李浩亮

在大中型水利水電工程和長距離引、調水項目中，調流調壓閥得到了廣泛的應用。其主要功能是滿足管線系統(tǒng)中各種特殊的調節(jié)要求。如作為水庫放空的消能閥，水源存儲中的液位或壓力調節(jié)，管網(wǎng)輸水工程中可用作流量調節(jié)，水處理工程中水泵啟動保護或流量調節(jié)，供水工程中調節(jié)管網(wǎng)壓力平衡等。

由于流量調節(jié)閥的結構形式各有不同，決定了其應用范圍的差異，本文結合工程實例，介紹套筒式調流調壓閥在水利水電工程中的選擇和應用。

1 工程概況

Nadarivatu水電站位于南太平洋上的斐濟群島共和國，是一座引水式水力發(fā)電工程。電站裝機容量44 MW，裝設2臺22 MW立軸沖擊式水輪發(fā)電機組。工程的主要建筑物包括最大壩高41.5 m的重力壩，一條2 km的有壓隧洞，一條1.4 km的壓力鋼管，廠房及開關站等。該項目由中國電建集團實施，中水北方勘測設計研究有限責任公司為工程設計方，是我國在大洋洲實施的第一個水電站工程。

根據(jù)引水系統(tǒng)安全要求，在引水系統(tǒng)放空時，應設置控制閥對系統(tǒng)放空流速進行限制，根據(jù)管路系統(tǒng)布置，確定限制值為270 L/s。該系統(tǒng)閥前最大壓力為330 m，閥后壓力為0或很小的背壓。由于系統(tǒng)不是經(jīng)常使用，該系統(tǒng)不考慮采用自動控制。

2 調流調壓閥選型

2.1 工程對閥門的要求

結構型式是調流調壓閥選型的關鍵，因為通常一種結構型式的閥門由于其固有的結構特點，決定了其應用范圍。

首先應根據(jù)工程的實際要求和閥門的特性，綜合考慮是用于流量調節(jié)還是壓力調節(jié)或綜合調節(jié)、調節(jié)范圍、調節(jié)精度等；其次選用調流調壓閥時最重要的一個因素就是使閥門實際運行時，在各種工況下不發(fā)生有害的氣蝕。但是閥門的基本特性曲線對閥門在什么時候發(fā)生氣蝕是無法顯示的，更無法指出在哪個點上達到操作極限。而各種閥門由于構造不同，允許的氣蝕系數(shù)δ也不同。

根據(jù)相關理論，合理的設計/選型應該滿足工程計算的氣蝕系數(shù)（按閥門工作時開度和流量控制范圍取閥前與閥后壓差最大值算）大于閥門允許的汽蝕系數(shù)，則說明可用，不會發(fā)生氣蝕。

如蝶閥的允許氣蝕系數(shù)為2.5，當δ＞2.5時，則不會發(fā)生氣蝕。δ＜2.5會發(fā)生氣蝕、振動、噪音，嚴重時會影響閥門和下游配管使用壽命。

根據(jù)相關理論，用戶工況的δ計算公式為：

式中 H1——閥后（出口）壓力，m；

H2——大氣壓與其溫度相對應的飽和蒸汽壓力之差，m；

ΔP——閥前、閥后的壓差，m；

v——過閥流速/m/s。

本工程最惡劣工況氣蝕系數(shù)計算見表1。

表1 氣蝕系數(shù)計算表

根據(jù)上表計算結果，所選擇的調流調壓閥的允許氣蝕必須小于0.055，滿足這種要求的調流調壓閥，才能在本工程大的壓差條件下保證長期運行過程中不會發(fā)生氣蝕破壞。

2.2 幾類水用調流調壓閥的比較與選擇

水用調流調壓閥的種類很多，常用的有閘閥、球閥、蝶閥、隔膜閥，活塞閥、針形閥、套筒式調節(jié)閥等多種。

2.2.1 閘閥、球閥、蝶閥等傳統(tǒng)閥門的調流方式

傳統(tǒng)閥門如閘閥、蝶閥、球閥、旋塞閥和截止閥等閥門的流量開度曲線為非線性的，調節(jié)精度低，為滿足調流或調壓的要求，一般要通過比較復雜的控制程序來控制閥門的開度，從而實現(xiàn)管線流量或壓力的調節(jié)；而且當傳統(tǒng)閥門在較高的壓差或較大的流量等工況進行調節(jié)時，會發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，閥門及鄰近管道發(fā)生較嚴重的振動和噪音等，振動的后果會造成閥門零件脫落。漏水，閥門的疲勞斷裂等，噪音會損害人體的健康；當實際工況要求氣蝕系數(shù)低時，既壓差較大時，會發(fā)生嚴重氣蝕，造成密閉件閥體的破壞，嚴重時閥門甚至不能使用一個月。

更換閥門會造成運行成本大大增加。更換閥門的費用有時會超過閥門的價格。

當閥門處于小開度時，閥門的出口端有嚴重的紊流產(chǎn)生，會產(chǎn)生振動，高壓差時會產(chǎn)生氣蝕。

2.2.2 常用的調流調壓閥的比較

常用的調流調壓閥如套筒式調節(jié)閥、隔膜式水力控制閥、活塞閥、針形閥等，這幾種調節(jié)閥的比較見表2。

表2 常用的調流調壓閥特性表

2.3 兩級消能要求

由上述討論可知，由于本工程減壓比超過30∶1，僅靠一個減壓閥難以實現(xiàn)；另外從氣蝕系數(shù)考慮，本工程的氣蝕系數(shù)僅為0.055，遠小于任何一種單個閥門的氣蝕系數(shù)，因此考慮采用兩級減壓的方式實現(xiàn)。

結合工程布置，在第二級閥門出口設置簡易出口豎井，為閥門提供約10 m的出口背壓。同時為簡化系統(tǒng)及閥門設計，第二級閥門采用固定布置方式，系統(tǒng)的流量控制及調節(jié)僅靠第一級調流閥實現(xiàn)。

2.4 過流能力選擇

閥門流量系數(shù)反映閥門的過流能力，同時也體現(xiàn)了某一流量下的閥門前后壓差。在應用前后兩個閥門來共同對系統(tǒng)減壓的工況，應通過調整閥門的流量系數(shù)來分配兩個閥門的減壓比，并保證兩個閥門的裝置氣蝕系數(shù)大于閥門氣蝕系數(shù)。

根據(jù)本工程的工況參數(shù)，所應用調流調壓閥的過流要求見表3，并根據(jù)相關理論，安裝于本工程的調流調壓閥在全開時（最大流量為270 L/s）的流量系數(shù)Cv值及擬選閥門的流量系數(shù)Cv值見表3。

表3 調流調壓流量系數(shù)表

2.5 套筒式調流調壓閥的選擇及特點

通過上述計算和對多種調流調壓閥的比較，選擇一個DN200 mm、PN4.0 MPa的B05系列（可調式）、一個DN200 mm、PN4.0 MPa的B06（固定式）套筒式調節(jié)閥作為本工程的調流調壓閥，該類閥門允許的氣蝕系數(shù)δ=0.15，確保閥門在實際各種工況運行時不發(fā)生氣蝕，保證工程的長期安全運行。

套筒式調節(jié)閥的內部有一個開有特殊設計圓錐形孔（美國Polyjet專利技術）的不銹鋼套筒，這些圓錐孔不同于普通的直噴孔結構，經(jīng)特殊設計和加工的孔可以使氣蝕發(fā)生時產(chǎn)生的氣泡在遠離閥壁的地方破裂，這就減少了類似應用條件下其他結構類型閥門所常見的因氣蝕產(chǎn)生的噪聲、磨損和振動。

噴孔結構如圖1所示。

圖1 噴孔結構示意圖

該調節(jié)閥有如下特點：

（1）閥門減壓比可達到20∶1。

（2）在小流量，高壓差或大流量的工況下，閥門振動、噪音依然很小。

（3）閥門口徑和行程可以實現(xiàn)1∶1，比短行程閥門抗氣蝕能力更強。

（4）通過眾多數(shù)量的噴孔設計，分散能量的消耗，比短行程閥門振動更小，適應范圍更大。

（5）閥門開度和流量成線性關系，不會出現(xiàn)壓力突變情況，不會產(chǎn)生關閥水錘。

（6）套筒匝滑動表面，硬度高，耐磨，能有效避免高速水流對套筒匝的沖蝕，同時可以剪斷堵塞錐孔的雜物。

3 調流調壓閥運行

Nadarivatu水電站在引水系統(tǒng)調試期間，根據(jù)引水工程質量檢測的要求，實施了多次引水系統(tǒng)的放空操作，均通過所安裝的套筒式調節(jié)閥來實現(xiàn)。

套筒式調流調壓閥運行時很平穩(wěn)，沒有發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，閥門及附近管道、設備均沒有發(fā)現(xiàn)振動現(xiàn)象，運行時噪音很小，一般在60～70 dB（A）。

經(jīng)過實際運行的檢驗，證明所選用的B05及B06系列套筒式調流調壓閥均可靠實現(xiàn)設計的要求，閥門能自動根據(jù)閥前壓力變化和閥后用水量變化，實時調整閥門的開度，改變閥門內部過流部位面積，控制了閥后壓力和管線流量，完全滿足設計和工程運行的要求。

4 應用前景

經(jīng)過工程在調試階段的實際運行，證明本工程設計選型正確，工程建設質量優(yōu)良，所選擇的B05、B06系列套筒式調流調壓閥運行是可靠的，完全滿足工程設計和工況運行的要求。

隨著社會經(jīng)濟，尤其是工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展、城市化進程的推進，一大批長距離輸水或調水工程的建設，解決用水矛盾問題及備用水源的建設項目也越來越多，長距離輸水工程投資大、距離長，研究其安全問題并采取技術措施對此類工程的順利實施、安全運行以及節(jié)省工程造價、管理費用無疑具有十分重要的意義。

無振動、無噪音、無氣蝕、對管路無損傷的情況下，對系統(tǒng)進行線性調流或穩(wěn)定減壓是保護調流閥長壽命工作的基本要求。本文從調流調壓閥的結構選型計算及布置等方面進行探討，除可用于高水頭水電站引水系統(tǒng)的放空設計，亦可為類似的長距離輸水項目提供借鑒。