白萬軍

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

活塞式調(diào)節(jié)閥，又稱針閥，最早由國外引進(jìn)，主要應(yīng)用于有較大消能要求的管道供水項(xiàng)目中。因其顯著的消能能力、較好的抗氣蝕性能、良好的運(yùn)行穩(wěn)定性及較高的控制精度，在近年來興建的許多長距離重力流管道輸水工程、水利樞紐等項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用[1- 4]。目前，我國有許多廠家已開始設(shè)計(jì)、制造活塞式調(diào)節(jié)閥。

活塞式調(diào)節(jié)閥具有優(yōu)良的調(diào)節(jié)性能，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，價(jià)格也較高，因此，其參數(shù)選擇是否合理不僅關(guān)系到供水的可靠性，也影響工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。目前，有許多學(xué)者對活塞式調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了研究，認(rèn)為調(diào)節(jié)閥正常調(diào)節(jié)范圍應(yīng)為其開度的10%～90%；虞之日等[5]認(rèn)為長距離重力流管道輸水工程末端閥選用活塞式調(diào)節(jié)閥可有效降低水錘壓力；李鳳濱[6]認(rèn)為當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度大于某一拐點(diǎn)時(shí)，流量系數(shù)Kv～開度τ之間關(guān)系線性度較好；在活塞式調(diào)節(jié)閥控制方面，金輝等[7]采用了PLC控制器，按PID閉環(huán)控制方式，實(shí)現(xiàn)了南水北調(diào)中線配套工程中管道流量、壓力的自動(dòng)控制。這些研究對工程設(shè)計(jì)階段的選型關(guān)注較少，目前相關(guān)規(guī)范、導(dǎo)則或標(biāo)準(zhǔn)也欠缺，由此引起的調(diào)節(jié)閥選型問題日益突出，如：有些項(xiàng)目管路進(jìn)口水壓很低，但也設(shè)置了活塞式調(diào)節(jié)閥；不經(jīng)計(jì)算，將活塞式調(diào)節(jié)閥公稱直徑簡單等同于管徑的情況較為普遍；不考慮供水可靠性要求，單管配單調(diào)節(jié)閥的情況也較為普遍；未經(jīng)空蝕保證計(jì)算，直接將活塞式調(diào)節(jié)閥安裝于管路的某一位置等等。

本文在總結(jié)甘肅境內(nèi)有關(guān)項(xiàng)目應(yīng)用情況基礎(chǔ)上，通過分析活塞式調(diào)節(jié)閥的相關(guān)特性，提出活塞式調(diào)節(jié)閥參數(shù)選擇的基本思路，以期對相關(guān)工程建設(shè)提供有益的參考和建議。

1 結(jié)構(gòu)、工作原理及參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

活塞式調(diào)節(jié)閥主要由閥體、活塞、活塞導(dǎo)軌、曲柄、連桿、傳動(dòng)支架、閥桿、活塞連結(jié)架、密封、潤滑銅套、出口部件、操作機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)等部分組成。其工作原理是：操作機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥桿旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)曲柄、連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使活塞在導(dǎo)軌上沿軸向移動(dòng)，對稱地改變閥門的過流面積，達(dá)到調(diào)節(jié)流量和壓力的目的。出口部件可使閥門出流具有特定形態(tài)，不同的出流形態(tài)水力損失顯著不同，對應(yīng)調(diào)節(jié)閥不同的消能能力?？刂葡到y(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)、遠(yuǎn)動(dòng)操作，并可將出口壓力或流量自動(dòng)控制在整定范圍之內(nèi)。

1.2 基本參數(shù)

活塞式調(diào)節(jié)閥選型就是根據(jù)工程項(xiàng)目有關(guān)參數(shù)，通過必要的分析、計(jì)算，提出其基本參數(shù)，為下階段設(shè)備采購提供依據(jù)?；緟?shù)主要包括公稱壓力、公稱直徑、安裝高程、出口型式、氣蝕系數(shù)σ～開度τ特性曲線、流量系數(shù)Kv～開度τ特性曲線、驅(qū)動(dòng)方式、控制方式及主要零部件結(jié)構(gòu)和材質(zhì)說明等。

2 調(diào)節(jié)閥選型

2.1 選型依據(jù)

活塞式調(diào)節(jié)閥應(yīng)緊密結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)并依據(jù)以下參數(shù)進(jìn)行選型：

①安裝位置(管線、管路出口、壩底等)。②使用目的(流量調(diào)節(jié)、消能、底部放空等)。③管道公稱壓力、公稱直徑。④調(diào)節(jié)閥特征工作壓力及壓差范圍。⑤調(diào)節(jié)閥特征過閥流量；⑥調(diào)節(jié)閥裝置氣蝕系數(shù)。

2.2 公稱壓力選擇

活塞式調(diào)節(jié)閥安裝于輸水管道，其承壓能力應(yīng)大于該處最大內(nèi)水壓力，并有適度安全余量[8]。對于重力流管道輸水項(xiàng)目，調(diào)節(jié)閥承受穩(wěn)態(tài)動(dòng)水壓力總是小于靜水壓力，但由于閥門操作等引起的動(dòng)水壓力可能會(huì)大于靜水壓力[9]。一般認(rèn)為，公稱壓力安全余量不低于20%～30%最大內(nèi)水壓力(高壓取低值)，或不低于0.2～0.5MPa。

2.3 公稱直徑選擇

公稱直徑是反映調(diào)節(jié)閥過流能力的主要參數(shù)，也與其造價(jià)密切相關(guān)，因此，公稱直徑選擇應(yīng)在保證安全、可靠供水的前提下，使調(diào)節(jié)閥具有較小的公稱直徑。當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度一定時(shí)，其前后壓差與流量關(guān)系符合孔口出流規(guī)律[10]，因此，活塞式調(diào)節(jié)閥的流量Q由下式計(jì)算：

(1)

式中，Kv—流量系數(shù)[11]，表示在某一開度、水溫在5～30℃時(shí)調(diào)節(jié)閥進(jìn)、出口壓差為1bar時(shí)的過閥流量，m3/h；ΔP—調(diào)節(jié)閥進(jìn)、出口壓差，bar。

調(diào)節(jié)閥選型是在制造廠提供的流量系數(shù)Kv～開度τ、氣蝕系數(shù)σ～開度τ等特性曲線基礎(chǔ)上進(jìn)行的。Kv、σ均與τ正相關(guān)，即在調(diào)節(jié)閥全開時(shí)有最大值。根據(jù)式(1)可知，對于一臺(tái)確定的活塞式調(diào)節(jié)閥，其流量Q與其開度τ、進(jìn)、出口壓差ΔP正相關(guān)。開度τ可通過操作機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，而壓差ΔP則由運(yùn)行工況決定。在最小壓差ΔPmin工況下，調(diào)節(jié)閥全開時(shí)的過流量為保證最大過流量，該工況往往用以選擇公稱直徑；在最大壓差ΔPmax工況下，當(dāng)調(diào)節(jié)閥通過項(xiàng)目需要的最小流量時(shí)，調(diào)節(jié)閥將運(yùn)行于最小開度，該工況往往用以校核公稱直徑。

對于以供水消能、調(diào)流為主的活塞式調(diào)節(jié)閥，公稱直徑可按以下步驟進(jìn)行選擇：

(1)根據(jù)調(diào)節(jié)閥上、下游水位及流量過程等實(shí)際運(yùn)行工況，計(jì)算得到最小壓差ΔPmin，結(jié)合項(xiàng)目明確的必需流量Qx，按式(1)計(jì)算出Kv值。

(2)根據(jù)制造廠提供的公稱直徑與全開狀態(tài)流量系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，在臨近檔內(nèi)選取大于Kv計(jì)算值對應(yīng)的幾個(gè)公稱直徑作為初選值。

(3)經(jīng)復(fù)核計(jì)算，滿足以下要求的較小直徑為應(yīng)選公稱直徑：

①調(diào)節(jié)閥在最大壓差ΔPmax、最小流量Qmin時(shí)其開度不低于10%。②調(diào)節(jié)閥在平均壓差ΔPj、平均流量Qj時(shí)其開度宜在70%～90%間。③調(diào)節(jié)閥在最小壓差ΔPmin、過閥必需流量Qx時(shí)其開度不大于90%。④調(diào)節(jié)閥在其前、后壓力及相應(yīng)壓差范圍內(nèi)能安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行及調(diào)節(jié)。

2.4 臺(tái)數(shù)選擇

隨著技術(shù)進(jìn)步和制造水平的提高，單臺(tái)活塞式調(diào)節(jié)閥的過流量(直徑)或消能能力會(huì)逐步增大，但一般不會(huì)超過某一限度，如目前生產(chǎn)的活塞式調(diào)節(jié)閥公稱直徑普遍小于3m，消能幅度一般不超過2.0MPa。另外，活塞式調(diào)節(jié)閥極易被污物堵塞，在水質(zhì)不好時(shí)應(yīng)考慮其清污、檢修等對供水可靠性的影響[12]。因此，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，可根據(jù)項(xiàng)目規(guī)?；蛳芊却笮〔⒔Y(jié)合供水可靠性要求選擇并聯(lián)或串聯(lián)運(yùn)行臺(tái)數(shù)。

(1)并聯(lián)運(yùn)行臺(tái)數(shù)選擇

活塞式調(diào)節(jié)閥具有優(yōu)良的調(diào)節(jié)性能，除在較小開度(小于10%)有死區(qū)外，在較大開度范圍(10%以上)內(nèi)均可穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。因此，對調(diào)節(jié)閥可靠性要求不高、滿足制造、運(yùn)輸及檢修等條件時(shí)可設(shè)置一臺(tái)。重要的供水項(xiàng)目對調(diào)節(jié)閥可靠性要求較高，應(yīng)采用多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行。

①對于單根管道供水工程可設(shè)兩臺(tái)，單臺(tái)調(diào)節(jié)閥在最小壓差時(shí)過閥流量不應(yīng)低于管道設(shè)計(jì)流量的70%，采用同時(shí)工作，部分備用(熱備用)的運(yùn)行方式。②對于雙管道供水工程可設(shè)三臺(tái)，單臺(tái)調(diào)節(jié)閥在最小壓差時(shí)過閥流量不應(yīng)低于項(xiàng)目設(shè)計(jì)流量的70%，采用同時(shí)工作，完全備用(熱備用)的運(yùn)行方式；③對于大流量管道供水工程，或供水流量較大的水庫項(xiàng)目，應(yīng)根據(jù)制造、運(yùn)輸、檢修等條件選擇四臺(tái)或四臺(tái)以上并聯(lián)運(yùn)行。基于活塞式調(diào)節(jié)閥優(yōu)良的調(diào)節(jié)性能，多臺(tái)調(diào)節(jié)閥并聯(lián)于一根管道工作時(shí)，當(dāng)其中一臺(tái)或幾臺(tái)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時(shí)，管路系統(tǒng)損失減小，調(diào)節(jié)閥工作水頭(壓差)加大，其余工作的調(diào)節(jié)閥流量會(huì)加大甚至?xí)^設(shè)計(jì)流量，可能會(huì)使調(diào)節(jié)閥震動(dòng)、氣蝕、噪聲加大，因此一般不專設(shè)備用調(diào)節(jié)閥，而是正常運(yùn)行時(shí)各調(diào)節(jié)閥均參與工作，處于部分開度，即采用暗備用方式。

(2)串聯(lián)運(yùn)行臺(tái)數(shù)選擇

當(dāng)項(xiàng)目有較大消能要求、選用一臺(tái)調(diào)節(jié)閥難以滿足消能要求時(shí)，可選擇多臺(tái)串聯(lián)運(yùn)行，以降低每臺(tái)調(diào)節(jié)閥實(shí)際承擔(dān)的消能幅度。串聯(lián)運(yùn)行臺(tái)數(shù)應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目總消能幅度、單臺(tái)消能能力、管線布置、運(yùn)行要求等因素選擇。

活塞式調(diào)節(jié)閥消能能力主要與其氣蝕狀況有關(guān)[13- 14]，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度一定時(shí)，氣蝕系數(shù)σ相應(yīng)確定。調(diào)節(jié)閥裝置氣蝕系數(shù)σp由下式確定：

σp=(H2+HAT-Hd)/[(H1-H2)+V2/2g]

(2)

式中，H1—調(diào)節(jié)閥進(jìn)口壓力，m；H2—調(diào)節(jié)閥出口壓力，m；HAT—當(dāng)?shù)卮髿鈮?，m；Hd=0.23m，為20°時(shí)水氣化壓力；V—管道介質(zhì)流速，m/s；g=9.81m/s2，為重力加速度。

上式中分母反映活塞式調(diào)節(jié)閥的消能能力?？梢?，活塞式調(diào)節(jié)閥的消能能力主要取決于其氣蝕系數(shù)σ和出口絕對壓力。當(dāng)安裝位置確定即出口絕對壓力一定時(shí)，選用較小氣蝕系數(shù)的調(diào)節(jié)閥可提高其消能幅度，而對一臺(tái)確定的調(diào)節(jié)閥即氣蝕系數(shù)σ一定時(shí)，加大其出口壓力可提高其消能幅度。

在工程設(shè)計(jì)階段，應(yīng)優(yōu)先選用具有較小氣蝕系數(shù)σ的活塞式調(diào)節(jié)閥，以提高其消能能力，減少串聯(lián)運(yùn)行臺(tái)數(shù)；當(dāng)調(diào)節(jié)閥選定時(shí)，氣蝕系數(shù)σ相應(yīng)確定，若降低調(diào)節(jié)閥安裝高程，即加大其出口淹沒深度，可加大其出口絕對壓力，相應(yīng)會(huì)增加其消能幅度。

考慮到活塞式調(diào)節(jié)閥一般僅能削減動(dòng)壓，而不能削減靜壓(密封不能做到零泄露)，即其不能有效降低后續(xù)管道的設(shè)計(jì)壓力，因此，串聯(lián)運(yùn)行的調(diào)節(jié)閥臺(tái)數(shù)應(yīng)盡可能少，并應(yīng)分段布置在輸水管道上。具體位置應(yīng)通過計(jì)算確定，以確保調(diào)節(jié)閥出口工作壓力大于氣蝕允許值。

2.5 安裝高程(位置)選擇

就具體項(xiàng)目而言，活塞式調(diào)節(jié)閥安裝高程影響其出口壓力，從而影響調(diào)節(jié)閥氣蝕狀況?；钊秸{(diào)節(jié)閥安裝位置應(yīng)保證其出口壓力大于空蝕允許值，以保證在各種運(yùn)行工況時(shí)不能產(chǎn)生超過容許的空蝕破壞。

對安裝于管線末端淹沒出流的活塞式調(diào)節(jié)閥，應(yīng)分析調(diào)節(jié)閥開度(與σ對應(yīng))、壓差及閥后水位最不利組合工況，并利用式(2)計(jì)算相應(yīng)裝置氣蝕系數(shù)σp。當(dāng)σp>σ時(shí)活塞式調(diào)節(jié)閥安裝高程滿足要求，否則應(yīng)降低安裝高程，以增加其出口壓力，使σp>σ。

對安裝于管線中間的活塞式調(diào)節(jié)閥，應(yīng)分析調(diào)節(jié)閥開度(與σ對應(yīng))、壓差及調(diào)節(jié)閥出口管道內(nèi)水壓力最不利組合工況，并利用式(2)計(jì)算相應(yīng)裝置氣蝕系數(shù)σp。當(dāng)σp>σ時(shí)調(diào)節(jié)閥后水壓控制合理、可行，否則應(yīng)減小后續(xù)管道設(shè)置的控制閥開度，或采取其它措施，以增加其出口管道內(nèi)水壓力，滿足σp>σ。

當(dāng)然，σp>σ是基本要求，在工程實(shí)踐中，必須要有適度的安全余量。根據(jù)水質(zhì)情況，氣蝕安全系數(shù)一般可在1.1～1.3內(nèi)選取。

2.6 出口型式選擇

各類型活塞式調(diào)節(jié)閥總體結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別主要在于其出口型式不同，即出口部件不同。不同的出口部件具有不同的出流形態(tài)，其水力損失顯著不同，即消能能力顯著不同。目前，比較典型的出口型式有扇葉圈式、鼠籠式及網(wǎng)孔式等。

扇葉圈式出口型式就是在閥座環(huán)上均勻布置許多導(dǎo)流葉片，將水流均勻分成許多股小水流，導(dǎo)入不同路徑，并引導(dǎo)其做螺旋運(yùn)動(dòng)，使空化氣泡產(chǎn)生乃至向下游流動(dòng)過程中的破裂一直被限制在管道中央，完全被水包圍，一般不會(huì)對閥或管道產(chǎn)生氣蝕破壞。由于導(dǎo)流葉片間距相對較大，水力損失主要產(chǎn)生于螺旋運(yùn)動(dòng)過程中，因而這種出口型式的消能幅度較小。

鼠籠式出口型式就是在調(diào)節(jié)閥出口安裝條形節(jié)流孔部件，使鼠籠外圍水流對稱地通過條形節(jié)流孔向其圓周中心高速噴射，相互撞擊，產(chǎn)生水力損失。這種出口型式也能使空化氣泡的產(chǎn)生和破裂均處于水流中，一般不會(huì)對閥或管道產(chǎn)生氣蝕破壞。由于高速水流相互撞擊產(chǎn)生的水力損失較大，因而這種出口型式的消能幅度較大。

網(wǎng)孔式出口型式與鼠籠式類似，不同的是網(wǎng)孔式節(jié)流孔孔徑更小，水力損失更大，因而這種出口型式的消能幅度更大。

除上述3種典型的出口型式外，生產(chǎn)廠家可根據(jù)消能幅度、過閥流量及抗氣蝕性能等要求研發(fā)制造節(jié)流孔型式和孔徑各不相同的多系列出口部件，以適應(yīng)參數(shù)不同的各種項(xiàng)目。

2.7 操作及控制方式選擇

(1)操作方式選擇

活塞式調(diào)節(jié)閥操作方式，即驅(qū)動(dòng)方式主要有手動(dòng)、電動(dòng)、液控、氣動(dòng)等。操作方式選擇主要考慮操作力矩、調(diào)節(jié)的頻繁程度、安裝位置與環(huán)境、對自動(dòng)調(diào)節(jié)的要求及開、關(guān)閥時(shí)間等因素。對公稱直徑小、工作水頭(壓差)和過閥流量較穩(wěn)定的調(diào)節(jié)閥，宜選手動(dòng)操作；對需自動(dòng)控制、遠(yuǎn)動(dòng)操作或操作力矩較大的調(diào)節(jié)閥，應(yīng)根據(jù)安裝位置、環(huán)境及電源等情況選用電動(dòng)、液動(dòng)或氣動(dòng)等操作方式。

(2)控制方式選擇

控制方式分為開環(huán)控制與閉環(huán)控制。開環(huán)控制主要有現(xiàn)地手動(dòng)操作、現(xiàn)地電手動(dòng)控制及遠(yuǎn)動(dòng)控制等，是一種階段式調(diào)節(jié)方式，其調(diào)節(jié)頻率不高；而閉環(huán)控制則由控制器、操作機(jī)構(gòu)、自動(dòng)化元件(流量、壓力)等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，可將過閥流量或閥后壓力自動(dòng)控制在整定范圍之內(nèi)，是一種持續(xù)性調(diào)節(jié)方式，其調(diào)節(jié)頻率很高。

對公稱直徑小、工作水頭(壓差)和過閥流量較穩(wěn)定的調(diào)節(jié)閥，采用手動(dòng)操作即可滿足要求；對公稱直徑較大但工作水頭(壓差)和過閥流量較穩(wěn)定的調(diào)節(jié)閥，根據(jù)其操作力矩大但調(diào)節(jié)頻率不高的特點(diǎn)，可選用現(xiàn)地電手動(dòng)或遠(yuǎn)方手動(dòng)控制操作機(jī)構(gòu)(電動(dòng)或液動(dòng)等)；當(dāng)需將過閥流量或閥后壓力自動(dòng)控制在整定范圍之內(nèi)時(shí)，應(yīng)選閉環(huán)控制方式。

3 結(jié)語

活塞式調(diào)節(jié)閥的主要功能是消除富余水能及準(zhǔn)確控制流量，要使其在項(xiàng)目中充分發(fā)揮該功能，必須合理選擇其參數(shù)。公稱壓力應(yīng)按靜態(tài)或動(dòng)態(tài)最大壓力選擇；公稱直徑應(yīng)根據(jù)制造廠提供的Kv、σ等參數(shù)經(jīng)計(jì)算確定，并應(yīng)在保證安全、可靠供水前提下，使調(diào)節(jié)閥具有較小的公稱直徑；并聯(lián)或串聯(lián)臺(tái)數(shù)應(yīng)根據(jù)工程規(guī)?；騿闻_(tái)調(diào)節(jié)閥消能能力并結(jié)合供水可靠性要求選擇；出口型式由消能幅度決定，并可根據(jù)項(xiàng)目具體參數(shù)進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)、制造；操作與控制方式應(yīng)根據(jù)操作力矩、調(diào)節(jié)頻率、安裝位置與環(huán)境等因素確定；安裝位置應(yīng)保證其出口壓力大于空蝕允許值。