大口徑調流閥應用研究

調節閥 閻秋霞 遼寧省水利水電設計研究院

  長距離引水中常設有調流消能閥。目前,小口徑調流閥應用廣泛、技術成熟,大口徑的調流閥應用較少。本文通過對錐形閥活塞閥兩種形式調流閥的比較,以及對錐形閥結構和消能效果的分析論證,證明大口徑調流閥采用錐形閥是完全可行的,這為在線式大口徑調流閥型式選擇提供了參考性建議。

1、概述

  近幾年,隨著我國城市工業迅速發展,以及國家對水利基礎建設的重視,長距離、跨流域、大規模調水工程陸續上馬。長距離的調水工程都存在調水流量變化大或水源水庫水位變化大的特點,由此造成輸水末端在小流量或水源水庫高水位時,不但需要調流還需要消去富余水能,所以,在長距離引水中都常設有調流消能閥。我國已建的南水北調、山西引黃、黑龍江磨盤山引水工程均設有調流閥,但在以上大型引水工程中使用的最大調流閥直徑為1800mm。直徑大于2000mm的調流閥在國內大型引水工程中尚未有使用先例,真空技術網(http://www.bdfwqmh.cn/)認為大口徑調流閥在大型引水工程中應用的可靠性有待研究。

2、活塞式調流閥和錐形閥比較

  目前,比較常用的調流消能閥主要有活塞式和固定錐形兩種。活塞式調流閥的運動部件為活塞,流量調節是通過活塞軸向運動,改變活塞與外套筒間的過流面積實現的。錐形閥的運動部件為外套筒,流量調節是通過外套筒軸向運動,改變固定錐與外套筒間的過流面積實現調流的。

  錐形閥與活塞閥比較,具有以下優缺點:

  a.消能型活塞式調流閥的節流部件為網狀或條形開孔運動部件,輸送原水在小開度運行時易堵塞。錐形閥過流為環狀開孔部分,輸送原水不易堵塞。

  b.活塞閥消能部件與調流部件布置緊湊,閥體尺寸小。錐形閥的消能與調流分開布置,閥體尺寸較長。

  c.活塞閥運動部件在閥體內,運行維護復雜。錐形閥的運動部件在閥體外,運行維護方便。

  d.錐形閥為雙軸驅動外套筒結構,直徑大小對操作結構穩定性影響小。活塞式調流閥為單軸驅動內部活塞,內部的活塞直徑越大,單桿驅動的穩定性越差,所以直徑大于2000mm的活塞式調流閥存在操作運行穩定性差的缺點。目前,在國內投入使用的最大單軸驅動的活塞式調流閥直徑為1.8m,而最大放空型錐形閥直徑為4m。

  通過以上比較可以看出,兩種型式調流閥各有優缺點,直徑小于2m的在線式活塞式調流閥應用較多,技術成熟。但大口徑活塞式調流閥存在操作穩定性差的缺點,所以從結構上看,錐形閥更適合作為大口徑調流閥應用。放空型錐形閥使用歷史悠久,技術成熟,已早被人們所熟知。但作為在線調流閥,在工程上應用較少,其可行性也備受質疑,下面對錐形閥用于在線調流消能的可靠性做詳細論證。

3、固定錐形閥消能效果論證

3.1、錐形消能閥技術性能

  3.1.1、閥門的消能和抗氣蝕的能力

  錐形消能閥作為在線式調流閥不但應具有調流功能還應具有良好的消能能力。在線式的錐形閥內部結構見圖1。從結構圖上可以看出,在線式的錐形閥在出口加裝了速度導流器和能量導流裝置,保證消能閥具有良好的消能效果和抗氣蝕能力。

大口徑調流閥應用研究

圖1 錐形閥結構示意圖

  錐形閥后設能量導流器,使出口高速水流與導流片碰撞,消減速度水頭,消減能量。未加裝能量導流器的錐形閥,消能率為60%,加裝能量導流器的錐形閥消能率達90%。

  消能閥最大的問題是在前后大壓差小開度條件下運行時,出口高速出流,出口管壁易氣蝕。固定錐形閥后端為錐形結構,使氣蝕發生的部位不在噴管的管壁上,通過設在閥門后端的速度和能量導流器,使氣蝕區域與閥體的金屬壁分開,氣泡在閥體的內部破裂,而非在閥體內金屬壁破裂,同時,能量導流器可以避免閥門后端管道受氣蝕的破壞。即使在出口壓力為負壓時,仍保證良好的抗氣蝕特性。大壓差消能運行時,允許的噴管流速可達16m/s,抗氣蝕指數可達0.15,具有較好的抗氣蝕性能。

  大壓差出口高速出流時,通過導流裝置,使出口水流迅速混合,變成穩定的層流,對閥后管道影響較小。加設速度導流器和能量導流裝置在線式調流錐形閥,允許的前后最大壓差為2MPa。

  3.1.2、閥門的過流能力

  消能閥在高水頭時,盡可能消減水頭,而在低水頭時,又需要過更大的流量。所以,既要有消能能力,又要有較好的過流能力。過流能力取決于最大開度下的流阻系數,消能型固定錐形閥最大開度下的流阻系數為1.35~2。與活塞式消能閥的流阻系數基本一樣。

  3.1.3、閥門的可靠性

  固定錐形閥閥門上設有人孔,不用拆卸閥體,即可通過人孔進入閥體進行維修。固定錐形閥驅動機構在閥體外部,維修方便。固定錐形閥的前端密封采用金屬硬密封,閥門的壽命期內不需更換。

  固定錐形結構簡單,整個結構完全對稱,運行穩定好,振動小,磨損少,可靠性較高。

3.2、錐形閥模型試驗

  放空型錐形閥最早于1989年在美國Hartman公司進行模型試驗。在線式的錐形閥于1997年和1999年在美國猶他州水能實驗室完成了在線式的錐形閥模型試驗,對DN150的在線式錐形閥的流量系數、阻力系數、消能率、氣蝕系數、補氣進行試驗測定。主要試驗結果如下:

  a.出口最高流速達到16m/s,閥門無振動。

  b.帶速度導流器錐形閥全開度下的流量系數為950,能量消除率達到55%~65%,全開度阻力系數為1.2,10%開度阻力系數為100。

  c.帶速度和能量導流器錐形閥全開度下的流量系數為910,能量消除率達到90%,全開度阻力系數為1.5,10%開度阻力系數為110(見圖2)。

大口徑調流閥應用研究

圖2 帶能量導流器和速度導流器的錐形閥排放系數曲線

  d.帶速度和能量導流器錐形閥的抗氣蝕系數達到3.5(見圖3)。

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圖3 帶能量導流器和速度導流器的錐形閥氣蝕性能曲線

  對錐形閥的結構分析以及美國的模型試驗報告證明帶速度和能量導流器的錐形閥具有較好的消能、抗氣蝕及流量調節性能,作為在線式調流閥是完全可行的。

4、工程實例

  據相關資料介紹放空型的錐形閥早在1940年在美國開始生產并投入使用,在線式錐形閥于1997年開始研發并投入使用。2003年建設的臺灣高雄引水工程采用的調流設備是DN2600的在線式錐形調流閥,該工程已運行多年,至今運行良好。

  2008年,我院設計的越南達門采用DN3000錐形閥作為電站旁通消能設施,設備已成功投入運行。經過多方技術分析論證,觀音閣引水工程推薦采用DN2600的錐形閥作為在線式流量控制及消能閥。

5、結論

  通過以上對在線式錐形閥的結構和模型試驗、技術性能參數分析研究以及國內外已投入運行工程的介紹,可以證明錐形閥作為在線式調流閥是完全可行的,可以在大型引水工程中推薦使用。