水神堂泉域保护工程调流调压阀选型分析

杨 帆

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原030024）

调流调压阀的主要功能是满足管线系统中各种调节要求。近年来，调流调压阀作为水库的消能阀，以显著的流量调节性能、较高的运行稳定性，在大中型水利水电工程和长距离重力流管道输水工程、调水项目中得到广泛应用。

结构型式相异的调流调压阀，在应用范围上各有不同。本文结合工程实例，对水利水电工程中调流调压阀的选型和应用作出分析计算。

1 工程概况

水神堂泉域保护工程位于山西省广灵县。在广灵县农业机井工程基础上，建设水源工程、重力流输水管线工程和泵流供水管线工程，引水390 万m3至广灵县城区，置换城区工业、生活地下水，以缓解水资源供需矛盾，保护水神堂泉域地下水资源。

水源工程自广灵县加斗乡7 口水源井提水后，采用泵流供水至加斗乡南山500 m3高位水池。重力流输水管线工程长度13.36 km，从南加斗村2.2 km 南山坡脚处500 m3高位水池重力流至肉联厂10 000 m3蓄水池；泵流供水管线工程自蓄水池后经泵站加压后，采用DN400 涂塑复合钢管双管向北穿越壶流河，提水至西河洼水厂供水前池，管线长度692.39 m。

2 调流调压阀类型选择

2.1 调流调压阀选型原则

调流调压阀的工作原理，是通过控制信号的方向和大小改变阀芯行程，进而改变阀门的开度，通过开度和阻力系数的变化达到调节阀后压力和流量的目的。本工程调流调压阀选型，主要遵循“四在”原则：

1）在各种输水流量下，调流调压阀运行时能够在消能减压后达到压力设计要求，消除上游水头能量、稳定水流。

2）在任何开度状态下，调流调压阀能够保持无汽蚀运行。

3）在流量范围内，调流调压阀能够随用户需水量变化同步调节输水流量。

4）在一定过阀流速范围内，调流调压阀不发生有害振动和卡阻现象。

2.2 工程对阀门的要求

本工程采用双管供水。正常工况时双阀过流，单台阀门流量255 m3/h，阀前压力44 m，阀后压力5 m；事故工况时单阀过流，过阀流量510 m3/h，阀前压力29 m，阀后压力5 m。在汇水池至肉联厂调蓄水池重力流管线末端，需设置调节阀室保证整个系统流量、水压平衡。

该工程的主要难点是：正常工况最大压差为39 m时，所选调流调压阀需满足阀门及管道系统的抗汽蚀损坏问题；事故工况最大设计流量510 m3/h 时，还需满足汽蚀和过流要求。阀后流量的设定值恒定在规定范围内，即使阀前压力发生变化，均不发生汽蚀振动和噪音[1]。根据过阀流量及水头参数，确定调节阀主要设计基本参数：阀门过阀流量0.071～0.142 m3/s，阀前水头29～44 m，阀后压力5 m，公称压力1.0 MPa。

2.3 调流调压阀的型式比较

不同结构型式的阀门，工作特点不同，应用范围也不尽相同。

目前国内使用的闸阀、球阀、蝶阀等传统阀门，流量开度曲线为非线性，调节精度低，在较高压差或较大流量等工况进行调节时，易发生汽蚀现象，导致阀门零件脱落、疲劳断裂、漏水等。比如，蝶阀或闸阀可用于控制流量，但使用过程中往往受到汽蚀限制，且不能满足消能和精确调流的要求；电动半球阀全开时流阻系数小、密封可靠、耐磨损，可以做局部开启调流，但调流特性不好、控制比较复杂、调流精度低。

国内工程调节流量主要使用活塞式调流调压阀和多喷孔套筒式调流调压阀[2]。二者调流功能强、调流特性稳定，流阻系数小、过流能力大。二者差异对比见表1。

表1 多喷孔套筒式与活塞式调流调压阀对比表

本工程阀门减压比小，选择活塞式调流调压阀结构尺寸小，且更具经济性，根据工程布置及地形要求，阀门采用卧式安装。

3 活塞式调流调压阀的参数计算

活塞式调流调压阀参数选择是否合理，不仅关系到供水的可靠性，也影响工程建设的经济性。根据工程项目有关参数分析计算，提出基本参数，是设备采购的重要依据。

3.1 流通能力

调流调压阀的流通能力直接反映调节阀的容量，是选用调流调压阀的主要参数之一。当调流调压阀全开时，阀两端压差为0.1 MPa，流体密度为1 g/cm3时，每小时流经调流调压阀的流量数，称为流通能力，以Kv 表示[3]。Kv 的计算公式为：

式中:q——流量，m3/h；

ρ——流体密度，kg/m3；

ρw——水的密度，kg/m3；

ΔH——阀两端压差，105Pa。

当处于正常工况时，阀门的压差为39 m，过阀流量为255 m3/h，通过计算确定阀门的Kv 值为129.1；处于事故工况时，阀门的压差为24 m，过阀流量为510 m3/h，通过计算确定阀门的Kv 值为329.2。根据工况需要的压差，结合计算结果，初步选定工况流量系数为329.2，阀门公称通径DN200。

3.2 流量特性

调流调压阀的流量特性，是介质流经调流调压阀相对流量与它的开度之间的关系。阀门开度与调流调压阀的流量特性有关，阀门开度与阀门流量系数的关系近似一次函数（见图1）。阀门的开度选择一般介于10%至90%之间。阀门开度过小会对阀芯和阀座产生较严重的冲蚀，开度过大则导致可调比变小，影响调节性能。本工程所选阀门工况对应的开度为46%～80%，运行处于线性区间，可调节性好。

图1 调节阀开度-流量-流阻曲线图

3.3 汽蚀性能

作为节流部件，调流调压阀的核心是可移动的阀瓣与固定的阀座之间形成的节流窗口，改变阀瓣位置就能够改变阀门的阻力特性，进而改变整个系统的阻力特性。调流调压阀的调节过程就是阻力的突变过程。这个过程中，因设备结构设计、安装或工艺参数设计不当等原因，水流通过渐缩断面时部分液体气化，产生的气泡在阀后开阔断面炸裂，导致调流调压阀产生汽蚀。汽蚀易对调流调压阀内件造成严重损伤，同时引起整个系统的振动及噪声，严重影响调节阀的使用寿命及控制系统的精确性。因此，在阀门选择时需要通过计算容许汽蚀系数σ，复核初选调流调压阀的汽蚀性能是否能满足工程要求。其计算公式为：

式中：σ——容许汽蚀系数；

H1——阀前压力，m；

H2——阀后压力，m；

ΔH——阀前、阀后的压差，m；

Hat——大气压（1.013 25×105Pa）；

Hd——指定温度相对应的饱和蒸汽压力，m；

V——过阀流速，m/s；

g——重力加速度9.81 m/s2。

上述公式中，调流调压阀的消能能力主要取决于汽蚀系数σ 和出口绝对压力，压差越大，阀门的汽蚀系数越小。在工程设计阶段，应优先选用较小汽蚀系数的活塞式调流调压阀。本工程最大压差运行时，汽蚀系数为0.38，根据选用的调流调压阀汽蚀性能曲线（见图2），该工况阀门开度为46%，对应汽蚀系数为0.17，小于0.38，在运行工况内不会发生汽蚀、振动和噪声现象。

图2 调节阀开度-汽蚀曲线图

3.4 不同工况下阀门运行参数

基于数值计算，DN200 活塞式调流调压阀具有线性流量特性，流量系数线性随开度增加而逐渐增加，可以实现流量和压力调节，满足工程设计和各工况运行要求。

各工况运行参数见表2。

表2 调流调压阀运行参数

4 结语

随着城市化进程不断加快，统筹城市用水和水源保护、缓解水资源供需矛盾日趋重要，县域水资源置换项目也日渐增多。在输水调水工程中，通过技术措施推进工程安全运行具有重要意义。阀门直接关系到供水的可靠性，为工程选择更符合运行工况的阀门，能够提高运行效率、节约能源和运行成本。

本文将无振动、无汽蚀、无管道损伤作为线性调流和稳定减压的基本要求，系统展现了调流调压阀选型及活塞式调流调压阀计算的全过程，为今后阀门选型计算提供了基本思路。