李鳳濱

(遼寧省大伙房水庫(kù)輸水工程建設(shè)局， 遼寧 沈陽(yáng) 110166)

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長(zhǎng)距離輸水工程調(diào)流閥過(guò)流特性研究

李鳳濱

(遼寧省大伙房水庫(kù)輸水工程建設(shè)局， 遼寧 沈陽(yáng) 110166)

長(zhǎng)距離輸水工程中調(diào)流閥承擔(dān)著控制和調(diào)節(jié)流量的重要責(zé)任，因此過(guò)流特性對(duì)準(zhǔn)確操作調(diào)流閥非常重要。本文根據(jù)自動(dòng)化系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)，運(yùn)用閥門的壓力流量關(guān)系理論，經(jīng)分析計(jì)算得到調(diào)流閥過(guò)流特性曲線簇，并研究定壓輸水時(shí)，調(diào)流閥閥門開度與流量的關(guān)系。結(jié)果表明：當(dāng)壓差固定時(shí)，調(diào)流閥閥門開度越大，阻力系數(shù)越小，過(guò)流量越大；但閥門開度與過(guò)流量并非線性關(guān)系，而是存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)閥門開度大于這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，閥門開度與過(guò)流量接近線性關(guān)系。本文為長(zhǎng)距離輸水工程流量控制的運(yùn)行管理提供了準(zhǔn)確有效的理論基礎(chǔ)。

長(zhǎng)距離輸水工程； 過(guò)流特性； 調(diào)流閥； 壓力差

1 引 言

遼寧省大伙房水庫(kù)輸水(二期)工程管線長(zhǎng)度約154.4km，一期工程輸水規(guī)模327萬(wàn)m3/d，承擔(dān)遼寧中部六大城市(撫順、沈陽(yáng)、遼陽(yáng)、鞍山、營(yíng)口、盤錦)的供水任務(wù)，供水保證率95%，具有輸水距離長(zhǎng)、供水目標(biāo)多、供水量大的特點(diǎn)。整個(gè)干線上安裝有23個(gè)調(diào)流閥，各支線及進(jìn)水廠前分別安裝一到多個(gè)調(diào)流閥。這些調(diào)流閥承擔(dān)著重要任務(wù)：消能調(diào)壓、控制日常進(jìn)入水廠的流量、對(duì)進(jìn)入水廠的流量按照計(jì)劃進(jìn)行增量(減量)調(diào)整，以及突發(fā)事故緊急情況下停水[1]。由于各個(gè)凈水廠能夠容納的水量不同，需要干支線上的調(diào)流閥準(zhǔn)確控制供水量，否則易造成溢出甚至淹沒(méi)廠區(qū)等情況，這就要求準(zhǔn)確掌握各個(gè)調(diào)流閥的過(guò)流特性[2-3]。

由于氣蝕、長(zhǎng)時(shí)間淤積等原因，易造成調(diào)流閥運(yùn)行過(guò)程中過(guò)流特性曲線與出廠時(shí)的特性曲線有所偏差，這就造成水利工程調(diào)流過(guò)程中不能準(zhǔn)確有效地操控調(diào)流閥，不能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)流量。此時(shí)，為達(dá)到計(jì)劃供水量，需來(lái)回變動(dòng)調(diào)流閥開度，如此將對(duì)工程不利，易存在隱患。

本文在自動(dòng)化系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析整理，得到調(diào)流閥的流量系數(shù)，畫出閥門過(guò)流特性曲線，并采用插值法得到較為準(zhǔn)確值，便于工程執(zhí)行調(diào)度操作。

2 調(diào)流閥過(guò)流特性理論的提出

a.調(diào)流閥的工作原理。調(diào)流閥通過(guò)帶有許多小孔內(nèi)套筒的軸向伸縮調(diào)節(jié)過(guò)流面積，以達(dá)到節(jié)流調(diào)壓的目的。在輸水管道中用來(lái)調(diào)節(jié)壓力，消除多余能量。在定壓輸水時(shí)，可用來(lái)調(diào)節(jié)流量。閥門的流量與水壓差之間存在如下關(guān)系[4]：

(1)

(2)

式中Q——通過(guò)閥門的流量,m3/s；

KV——流量系數(shù)，無(wú)量綱；

ΔP——調(diào)流閥前后壓力差,100kPa;

γ——水的重度,N/m；

A——閥門的公稱面積；

A*為參數(shù)值，可通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出；

ζ——閥門的阻力系數(shù)。

閥門阻力系數(shù)ζ與閥門的開度及制造工藝等因素有關(guān)，當(dāng)閥門投入運(yùn)行后，閥門的淤積情況也會(huì)影響阻力系數(shù)ζ的大小。

b.閥門開度的確定。在定壓輸水時(shí)，需要得知準(zhǔn)確的閥門開度才能有效地調(diào)節(jié)流量。實(shí)際工程中，由于用水單位的計(jì)劃需要增加水量，而該水量增量從瞬時(shí)流量角度看往往很小，能達(dá)到0.1m3/s級(jí)別，在閥門過(guò)流特性曲線簇中是查不到對(duì)應(yīng)的閥門開度增量的。這是由于廠家所提供的閥門過(guò)流特性曲線簇是通過(guò)試驗(yàn)得到，不夠詳細(xì)。而通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)的提取得到的閥門過(guò)流特性曲線簇，也是由特定的幾個(gè)固定開度(工程運(yùn)行中閥門開度往往盡量保持不變)所對(duì)應(yīng)的曲線組成，這就導(dǎo)致過(guò)流特性曲線簇不夠細(xì)膩。出現(xiàn)此種情況可以通過(guò)插值的方法得到。這里給出在固定水壓差時(shí)，線性插值公式：

(3)

式中n1——當(dāng)前的開度；

Δn——開度增量；

n2——與n1鄰近的開度；

Q1——當(dāng)前的流量值；

ΔQ——計(jì)劃的流量增量；

Q2——n2所對(duì)應(yīng)的流量(在固定的壓差下)。

3 工程實(shí)例

以大伙房水庫(kù)輸水(二期)工程中遼陽(yáng)支線調(diào)流閥為例，進(jìn)行閥門過(guò)流特性的研究。該支線調(diào)流閥的前后都安裝有壓力傳感器，閥門前裝有超聲波流量計(jì)，采用自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。所采集的數(shù)據(jù)正適合用于研究該閥門的過(guò)流特性。

a.調(diào)流閥流量系數(shù)KV的求取。選取實(shí)際運(yùn)行情況下的壓力、流量等水力參數(shù)進(jìn)行分析，從而得到流量系數(shù)KV。數(shù)據(jù)選取要求：整個(gè)輸水工程無(wú)操作，尤其是該閥門無(wú)操作的條件下，保證壓力、流量、開度都較為平穩(wěn)，從而選取數(shù)據(jù)。圖1、圖2給出調(diào)流閥在九種不同工況下的前后壓力差、流量變化情況，每一組都為時(shí)間上連續(xù)的20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。 根據(jù)式(1)能夠求得調(diào)流閥流量系數(shù)KV。不同工況下20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所計(jì)算出的KV值很相近，它具有一般工程的正態(tài)分布性質(zhì)，離散度較低。例如：工況一的標(biāo)準(zhǔn)差才0.04(如下頁(yè)表所列)，因此每組KV的平均值，很具有參考性。表中給出不同工況下的計(jì)算結(jié)果，n為調(diào)流閥的開度值。根據(jù)式(1)可畫出該調(diào)流閥實(shí)際的過(guò)流特性曲線簇，結(jié)果如圖3所示。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況得到的流量系數(shù)KV更貼近當(dāng)前調(diào)流閥的過(guò)流特性，對(duì)輸水工程運(yùn)行管理有較高的參考價(jià)值。

圖1 各個(gè)工況下的流量Q

圖2 各個(gè)工況下的調(diào)流閥前后壓力差ΔP計(jì)算結(jié)果表

n/%KV平均值KV標(biāo)準(zhǔn)差工況一13.190.3150.004工況二10.390.2580.005工況三14.640.3600.004工況四21.820.6080.016工況五23.010.6520.006工況六23.830.6730.013工況七33.190.9980.007工況八41.611.2980.012工況九56.211.7700.010

從圖3可知，當(dāng)調(diào)流閥前后壓力差固定時(shí)，閥門開度越大，流量越大；閥門開度越小，阻力系數(shù)越大，過(guò)流量越小。圖4給出在該調(diào)流閥前后壓力差固定為100kPa時(shí)，閥門開度與過(guò)流量的關(guān)系。該圖表明閥門開度與過(guò)流量并不是線性關(guān)系，在閥門較小時(shí)，過(guò)流量變化不大，流量曲線坡度較小，當(dāng)閥門開度大于15后，閥門的過(guò)流量?jī)A斜度變大，流量曲線坡度變大。這個(gè)過(guò)程表明，調(diào)流閥閥門開度與流量存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)大于轉(zhuǎn)折點(diǎn)后閥門開度與流量接近線性關(guān)系，這種現(xiàn)象對(duì)輸水工程中準(zhǔn)確調(diào)節(jié)流量非常重要。

圖3 該支線調(diào)流閥的過(guò)流特性曲線簇

圖4 在壓力差不變時(shí)調(diào)流閥開度與流量的關(guān)系

b.在已知流量增量時(shí)求取閥門開度。當(dāng)閥門在某個(gè)運(yùn)行狀態(tài)下，需要通過(guò)操作閥門開度來(lái)達(dá)到流量增量的目的，即在固定壓差下，已知流量增量，要求知道閥門開度，可以通過(guò)查詢圖3的曲線圖，運(yùn)用式(3)得到需要操作的閥門開度，以達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。

4 結(jié) 論

基于自動(dòng)化系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，運(yùn)用閥門的壓力流量關(guān)系理論，經(jīng)計(jì)算可率定調(diào)流閥的過(guò)流特性曲線簇，為輸水工程流量控制提供準(zhǔn)確有效的理論基礎(chǔ)。結(jié)果表明：?當(dāng)壓差固定時(shí)，調(diào)流閥閥門開度越大,阻力系數(shù)越小,流量越大；?存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)大于轉(zhuǎn)折點(diǎn)后,閥門開度與流量接近線性關(guān)系，這種現(xiàn)象對(duì)輸水工作中準(zhǔn)確調(diào)節(jié)流量非常重要。

[1] 曲興輝,周林虎.大伙房水庫(kù)輸水(二期)工程全線調(diào)度規(guī)程[R].沈陽(yáng)：遼寧省大伙房水庫(kù)輸水工程建設(shè)局，2011.

[2] 劉曉俊.水庫(kù)水文無(wú)線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].水利建設(shè)與管理，2014(12):66-68.

[3] 王金華.計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造在觀音閣水庫(kù)電廠的應(yīng)用[J].中國(guó)水能及電氣化，2014(7):55-57.

[4] 范建強(qiáng).VAG調(diào)流閥的設(shè)計(jì)選型[J].水利建設(shè)與管理，2015,9(1):28-30.

Study on flow regulating valve overflow characteristics in long-distance water conveyance project

LI Fengbin

(LiaoningDahuofangReservoirWaterConveyanceEngineeringConstructionBureau,Shenyang110166,China)

Flow regulating valve in long-distance water conveyance project has important liability of controlling and regulating flow capacity. Therefore, overflow characteristics are very important to accurately operate the flow regulating valve. In the paper, valve pressure flow relation theory is applied for obtaining overflow characteristic curve family through analysis and calculation according to the data collected by automation system. The relationship between flow regulating valve openness and flow capacity during water conveyance under fixed pressure is studied. The results show that when the pressure difference is fixed, the flow regulating valve openness is larger, resistance coefficient is smaller, and overflow is larger. However, the valve openness and overflow do not form linear relationship. There is a turning point. When the valve openness is larger than the turning point, valve openness and overflow are closer to the linear relationship. The paper provides accurate and effective theory basis for the operation and management of long-distance water conveyance project flow control.

long distance water conveyance project; overflow characteristics; flow regulating valve; pressure difference

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.11.010

TV672

A

1005-4774(2016)11- 0038- 03