烏 曉 明

重慶市涪陵龍?zhí)端こ淌且怨喔取⒊鞘泄┧疄橹?兼有農(nóng)村人畜飲水綜合效益的中型水利工程,是重慶市 “十五”澤渝重點(diǎn)水利建設(shè)項(xiàng)目。工程由桃子溝水庫及其灌區(qū)、調(diào)水建筑物和桃子溝水庫至涪陵城輸水管道等組成。桃子溝水庫正常蓄水位596.5 m,總庫容1 280萬m3,屬年調(diào)節(jié)水庫。工程設(shè)計(jì)灌溉面積0.282萬hm2(4.23萬畝),年灌溉用水量1 210萬m3；城市供水1 460萬m3,同時(shí)解決沿途5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村10萬人的生活用水和4.3萬頭牲畜飲水。干渠及管道總長(zhǎng)53.75 km,其中桃子溝水庫至涪陵城區(qū)的輸水線路總長(zhǎng)25 km。

1 水庫取水塔設(shè)計(jì)優(yōu)化

桃子溝水庫大壩取水建筑物原設(shè)計(jì)采用岸塔式取水塔(見圖1),經(jīng)進(jìn)一步研究,存在以下問題。

圖1 原取水塔設(shè)計(jì)方案(閘門放水)

(1)為滿足灌溉對(duì)水溫的要求,原方案取水塔分7層取表層水,設(shè)有7孔平面閘門,共有7個(gè)閘門門槽,進(jìn)水口水工建筑結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

(2)龍?zhí)豆こ坛鞘泄┧急壤^大,取水系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性要求很高。原設(shè)計(jì)方案采用閘門放水,供水流量?jī)H能通過閘門的開度來控制。由于供水流量較小,最大流量?jī)H2.0 m3/s,閘門在高水位時(shí)將長(zhǎng)期處于小開度運(yùn)行,閘門的振動(dòng)問題難以解決,使用壽命也將受到影響,而工作閘門損壞后,由于無檢修閘門,將難以檢修。

(3)從運(yùn)行管理角度,原方案很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行。由于水庫水位在不斷變化,因此,閘門的流量調(diào)節(jié)將很困難,也不可能根據(jù)用戶(水廠)用水情況進(jìn)行實(shí)時(shí)精確控制,這將給今后工程的管理帶來較大的困難,水庫的運(yùn)行管理成本高,工作效率低。

針對(duì)以上問題,在施工設(shè)計(jì)階段,從簡(jiǎn)化水工結(jié)構(gòu)、節(jié)省投資、方便運(yùn)行管理的角度,通過大量的調(diào)研和分析比較,同時(shí)吸取以往采用常規(guī)閥門放水方式的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),利用近年來我國(guó)引進(jìn)的先進(jìn)閥門技術(shù),確定采用新型閥門組合放水方案替代原閘門放水方案,對(duì)取水塔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行大幅調(diào)整和優(yōu)化。即在取水塔不同的高程上分別設(shè)置放水管,各放水管上設(shè)放水閥門,以實(shí)現(xiàn)分層取水和檢修需要；各放水管匯合成放水總管,在放水總管上設(shè)流量調(diào)節(jié)閥,用于調(diào)節(jié)流量。

為便于水庫的運(yùn)行管理,放水系統(tǒng)設(shè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)水庫的供水自動(dòng)運(yùn)行和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。在原設(shè)計(jì)中,共有7孔分層取水口,如按此實(shí)施,閥門設(shè)備投資較大。通過參考國(guó)內(nèi)10余座水庫的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行類比計(jì)算,如調(diào)整為3孔分層取水,則每孔之間的水溫差2～3℃,加上放水后沿程流經(jīng)管道和渠系后的溫升,進(jìn)行灌溉時(shí)完全可以達(dá)到要求。為簡(jiǎn)化設(shè)備布置和運(yùn)行維護(hù),節(jié)省工程投資,最終決定采用3孔分層取水方案。

為保證放水閥門檢修需要,在放水閥門前設(shè)檢修閘門1面,孔口尺寸1.2 m×1.2 m,閘門采用平面滑動(dòng)鋼閘門。檢修閘門門槽平常兼作攔污柵槽。

調(diào)整后的取水塔結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)后取水塔設(shè)計(jì)方案(閥門放水)

2 放水閥門設(shè)備選型和技術(shù)特點(diǎn)

2.1 放水閥門總體技術(shù)要求

我國(guó)許多水庫曾采用閥門放水的運(yùn)行方式,但大多運(yùn)行情況不理想,主要表現(xiàn)在閥門運(yùn)行條件差；閥門流量調(diào)節(jié)性能差；放水時(shí)閥門氣蝕和振動(dòng)嚴(yán)重；閥門易損壞,使用壽命短；閥門檢修困難等方面。因此,龍?zhí)豆こ趟畮旆潘到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵因素是放水閥門系統(tǒng)的可靠性。

在技施設(shè)計(jì)階段,在進(jìn)行大量調(diào)研的基礎(chǔ)上,對(duì)放水閥門設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能、材質(zhì)、控制、可靠性、使用壽命等方面提出了較高要求。

在過去,用于放水和調(diào)節(jié)流量的閥門一般為閘閥、蝶閥、錐型閥等常規(guī)閥種,使用可靠性低,易損壞,調(diào)流性能差。隨著國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn),市場(chǎng)上出現(xiàn)了偏心半球閥、偏心旋塞閥、環(huán)噴式流量調(diào)節(jié)閥、固定(多噴孔)錐型閥、活塞式多功能控制閥等先進(jìn)閥種。這些閥門的顯著特點(diǎn)就是在結(jié)構(gòu)上避免了閥門運(yùn)行不利工況,具有結(jié)構(gòu)合理、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、調(diào)流精度高的優(yōu)勢(shì),完全可以運(yùn)用到本工程。因此,在招標(biāo)文件中明確要求:用于放水的閥門,應(yīng)采用全流道的產(chǎn)品,即閥門開啟后,閥板及其密封面不在閥門流道中,流道完全暢通,水頭損失小,以保證其在高速含沙水流沖刷長(zhǎng)期運(yùn)行情況下,閥門不被損壞并保持密封良好,并不產(chǎn)生有害的振動(dòng)。為保證閥門關(guān)閉的嚴(yán)密性和密封面的使用壽命,閥門采用金屬硬密封(不銹鋼)。

用于調(diào)節(jié)流量的流量調(diào)節(jié)閥,應(yīng)具有良好的調(diào)節(jié)特征和抗氣蝕性能,在閥門進(jìn)出口大壓差的情況下,能長(zhǎng)期可靠運(yùn)行,不產(chǎn)生氣蝕破壞,不產(chǎn)生有害振動(dòng)；放水閥門和流量調(diào)節(jié)閥的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)應(yīng)有良好的控制、操作性能,適于進(jìn)行頻繁的調(diào)節(jié)；在正常運(yùn)行情況下,放水閥門和流量調(diào)節(jié)閥的使用壽命應(yīng)大于20年,大修周期應(yīng)大于5年。

2.2 新型閥門的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

通過公開招標(biāo)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,最終選擇偏心半球閥(采用金屬硬密封)作為放水閥門,型號(hào)為DYQ940H-0.6-600,閥門公稱通徑DN600 mm,壓力等級(jí)0.6 MPa。選擇活塞式多功能控制閥作為流量調(diào)節(jié)閥,型號(hào)為DYHS94X4-0.6-700,公稱通徑DN700 mm,壓力等級(jí)0.6 MPa。

2.2.1 偏心半球閥

偏心半球閥是我國(guó)引進(jìn)國(guó)外技術(shù)研制生產(chǎn)的一種新型閥門產(chǎn)品,有軟密封和硬密封兩種密封型式。硬密封采用將不銹鋼球冠固定在偏心曲軸上的結(jié)構(gòu),通過偏心曲軸旋轉(zhuǎn)90°,實(shí)現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉(如圖3)。

圖3 偏心半球閥結(jié)構(gòu)示意圖

偏心半球閥采用偏心曲軸⑤,使得球冠④中心線與閥門流道中心線偏離一個(gè)偏心距,在閥門開啟時(shí),曲軸轉(zhuǎn)過一個(gè)很小的角度,球冠就會(huì)離開閥座③,球冠和閥座不再接觸,曲軸和球冠藏在閥體內(nèi)不被水流沖刷；反之,在閥門關(guān)閉過程中,只有在關(guān)閉瞬間,球冠才和閥座接觸。同時(shí)在閥座上加入了獨(dú)特的凸臺(tái)設(shè)計(jì),有效地保護(hù)了閥座。這種結(jié)構(gòu)使得球冠和閥座得到充分的保護(hù),最大限度地減少了磨損,延長(zhǎng)了閥門的使用壽命。

偏心半球閥獨(dú)特、合理的結(jié)構(gòu),同其他閥種相比,具有結(jié)構(gòu)先進(jìn)、水頭損失小、密封可靠、過流能力強(qiáng)、耐泥沙磨損、啟閉迅速、使用壽命長(zhǎng)、造價(jià)低(與常規(guī)球閥比較)、易于檢修等突出特點(diǎn)。

為確保閥門的高可靠性和長(zhǎng)壽命,偏心半球閥的閥體②、閥蓋①和偏心軸⑤均采用QT450-10球墨鑄鐵；球冠④采用不銹鋼1Cr18Ni9；密封組件采用密封性好、耐高溫老化的丁腈橡膠；軸承采用鋁青銅；連接緊固件選用不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)件。

閥門的操作機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有良好的防潮性能,并能在潮濕環(huán)境下長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

2.2.2 活塞式多功能控制閥

活塞式多功能控制閥是我國(guó)引進(jìn)國(guó)外技術(shù)研制生產(chǎn)一種新型的調(diào)節(jié)閥類產(chǎn)品,根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同,可分為扇葉式和鼠籠式兩種。根據(jù)龍?zhí)豆こ痰氖褂脳l件,選擇扇葉式。主閥體為內(nèi)、外圓筒式結(jié)構(gòu)；調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)是曲柄②、滑塊機(jī)構(gòu),滑塊為圓筒形的活塞⑤；活塞前端連接扇葉圈⑥,可在內(nèi)圓筒里由導(dǎo)軌④引導(dǎo),沿管路做軸向位移,改變流道通過面積,以實(shí)現(xiàn)流量的控制調(diào)節(jié),具有線性調(diào)節(jié)性能。

水流進(jìn)入閥體后,被扇葉均分為許多股小流做螺旋運(yùn)動(dòng),閥體及鄰近管道的周邊水流被迫改變流向,這樣,空化產(chǎn)生的氣泡被限制在流道中央,即使氣泡破裂,也不會(huì)對(duì)管道和閥門內(nèi)壁產(chǎn)生氣蝕破壞(見圖4)。因水流在流線型閥體內(nèi)無紊流現(xiàn)象,故閥門運(yùn)行穩(wěn)定、振動(dòng)小。

圖4 活塞式多功能控制閥結(jié)構(gòu)示意圖

與傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥相比,活塞式多功能控制閥更符合水流控制特點(diǎn),整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)更先進(jìn)、功能更全面、控制特性更完善。具有流量調(diào)節(jié)性能好、運(yùn)行振動(dòng)小、抗氣蝕能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)的顯著優(yōu)點(diǎn),并有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

閥體①選用QT450-10球墨鑄鐵；所有的運(yùn)動(dòng)件、連接件如扇葉圈⑥、活塞⑤、曲柄②、連桿③等選用1Cr18Ni9不銹鋼；閥內(nèi)密封件為進(jìn)口專用橡膠密封件,密封性能好,耐磨損,壽命長(zhǎng)。

電氣控制部分的CPU采用進(jìn)口可編程控制器；執(zhí)行部分為進(jìn)口新一代智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),其工作電源為AC380V、50Hz,防護(hù)等級(jí)為IP68,該機(jī)構(gòu)采用固態(tài)繼電器控制電機(jī),適于頻繁調(diào)節(jié)(1 200次/h),并帶有慣性制動(dòng)功能,閥位輸出信號(hào)為DC 4～20 mA。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于采用了閥門放水方案,簡(jiǎn)化了設(shè)備運(yùn)行條件,為水庫采用 “無人值班,少人值守”的運(yùn)行方式創(chuàng)造了條件。只需增加簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)、控制設(shè)備和很少設(shè)備投資,即可極大地優(yōu)化運(yùn)行管理,降低運(yùn)行成本。

監(jiān)控系統(tǒng)主要是對(duì)壩前水庫水位、輸水前池水位、放水流量進(jìn)行監(jiān)測(cè),同時(shí)對(duì)各放水閥、流量調(diào)節(jié)閥、除濕風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制和監(jiān)視,可實(shí)現(xiàn)水庫放水自動(dòng)運(yùn)行,并自動(dòng)生成各種運(yùn)行和統(tǒng)計(jì)報(bào)表。監(jiān)控系統(tǒng)還可與今后水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行信息交換,接受水處理廠的遠(yuǎn)方調(diào)度指令。

監(jiān)控系統(tǒng)包括控制臺(tái)1面,A3打印機(jī)1臺(tái)。另外還包括完成上述功能要求所需配置的自動(dòng)化元件(包括流量變送器、水位變送器、壓力變送器、閥位開關(guān)、壓力表等),系統(tǒng)內(nèi)的控制電纜、信號(hào)傳輸電纜。

3 結(jié) 語

與常規(guī)閥門相比,新型閥門最大的優(yōu)勢(shì)在其從結(jié)構(gòu)上解決了常規(guī)閥門的不足,可滿足在高流速、含泥沙情況下的長(zhǎng)期運(yùn)行,具有較高的可靠性。龍?zhí)豆こ掏ㄟ^選用新型閥門放水系統(tǒng),簡(jiǎn)化了水工建筑結(jié)構(gòu),節(jié)省了工程投資近80萬元。同時(shí)大大提高了放水系統(tǒng)工作可靠性。采用監(jiān)控系統(tǒng)后,可實(shí)現(xiàn) “無人值班,少人值守”的運(yùn)行模式,優(yōu)化了運(yùn)行管理,節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。2008年10月,水庫蓄水后,放水系統(tǒng)進(jìn)行了多次充水調(diào)試和試運(yùn)行,閥門設(shè)備和控制系統(tǒng)運(yùn)行正常,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

實(shí)踐證明,新型閥門在龍?zhí)豆こ趟畮旆潘到y(tǒng)中的運(yùn)用是成功的,可以在其他類似工程中運(yùn)用。目前,偏心半球閥和活塞式多功能控制閥最高使用水壓可達(dá)到6.4 MPa,使用水頭越高,技術(shù)優(yōu)勢(shì)越明顯,具有較高的推廣價(jià)值和廣泛的運(yùn)用前景。