万家寨引黄北干线输水工程调流调压阀应用技术

李 明

（山西省水利水电勘测设计研究院山西太原030024）

1 万家寨引黄北干线工程概况

万家寨引黄北干线工程是一项大型引水工程，主要是用于解决大同市、朔州市工业及居民生活用水。

北干线起点从下土寨分水闸开始至大同的墙框堡水库，全长154km。中间主要建筑有：无压输水隧洞、1#输水线路、金沙滩水库、2#输水线路。北干输水线路布置如图1所示。74.25km。采用内径2.2m的PCCP有压输水，设计流量在9.9～7.7m3/s之间。

图1 北干输水线路纵断示意图

1#输水线路从无压隧洞出口竖井起至金沙滩水库止，全长2#输水线路从金沙滩放水工作阀起至墙框堡水库末端式调流调压阀，线路全长38.53km。采用内径2.2m的PCCP有压输水，设计流量在7.3～6.0 m3/s之间。

引黄北干线1#、2#输水线路特点是：线路长，地形变化大；供水流量变幅大、在小流量供水时1#、2#输水线路都需要消能处理。当调节供水流量时，管道内产生的水击比较复杂，对管线影响比较大，管线流量调节装置直接影响到了管线设计和投资，也直接影响输水安全和可靠性。

调节控制阀的选型设计中，主要问题是：何种型式的调流减压设备能满足输水线路运行要求，并使工程造价最低；根据调流减压设备的特性选择合理安装位置，节省管线造价；然后是根据输水线路的特性指标选择调流减压设备的运行方式，以达到输水线路的安全。

图2 多喷孔淹没式套筒阀

2 调流调压阀类型选择

目前国内使用在输水线路上的既能调流又减压的设备主要有调流调压阀（简称调节阀），其结构型式有两种，一是活塞式，二是多喷孔套筒式，如图2。这两种调节阀在减压及调节方式上基本相同，不同点主要在结构方面。多喷孔套筒阀还分为在线式和淹没式，在线式是串在输水线上安装，淹没式是安装在输水线末端。多喷孔套筒阀其结构比活塞式要长很多，阀行程比较大，消能喷孔是以螺旋梅花状布置，流量调节变化连续性好，全行程流量调节为线性变化，调节精度高。活塞式是小开度时线性变化较好，大开度时流量变化较大，开度线上翘。根据北干线工程布置及运行调节要求，选择调节精度高的多喷孔套筒阀比较合适。1#输水线因进、出口压差比较大，选择在线式调节阀，使管线分为两段，降低管道设计压力。2#输水线进、出口压差比较小，可选择末端淹没式调节阀。

3 调流调压阀特性优化

3.1 调节阀安装位置确定

对于1#输水线路，如果将调节阀安装在出口，调节阀关闭状态，阀前管道静水压可达到216m水头，1#输水线PCCP管道后半部分设计的压力等级应按220 m水头选取，这样PCCP管道造价很高，显然不合理。如在1#输水线路，桩号56+430 m处设置在线式调节阀，安装处高程比管道出口低9m，可保证阀后管道满管状态运行，并保证调节阀装置气蚀性能要求。当调节阀在关闭状态，调节阀上、下游管道最大静水压力约为137m和82.75m水头；当调节阀在额定流量运行状态下，调节阀上、下游管道最大水压约为107m和150 m水头。PCCP管道的最大设计压力等级按阀前后最大水压选取，可取140 m和160 m水头。这样可以大大降低PCCP管的压力等级，从而大大节省管道投资。

对于2#输水线路，管道基本是下降趋势，进、出口压差不大，不宜在中部设在线式调节阀，应在管道末端设淹没式调节阀，这样可保证管道满管状态运行。

3.2 调节阀特性优化

由于1#、2#输水线路较长，当调节阀启闭过程中，将在管道中产生水击压力波动，为了将水击压力限制在管道设计最大容许压力（公称压力+0.4MPa)的范围内，调节阀的性能及关闭规律就非常重要。

工程项目前期阶段，我们收集到了三种调节阀流量系数与阀门相对开度的关系曲线，见图3所示。特性线基本为线性变化趋势。经全开、全闭过渡过程计算分析，在满足管道设计水压控制要求的前提下，在线调节阀和末端淹没调节阀一段全行程关闭时间分别为1500 s和2500 s。目前，国际上的执行机构是无法满足这一关闭时间要求。考虑到本工程的运行特点及调节要求，采用其它阀门无法满足工程要求。因此必须改变原有的关闭规律或调节阀特性，使调节阀能适应管道水击压力控制要求。

在管线过渡过程分析成果的基础上，提出新的设计理念和方法。一是改变控制方式采用快、慢两阶段关闭规律；二是将原有的调节阀特性改变。采用第一种方法要增加一套液压操作系统，占地面积较大，检修维护不方便，并且，由于慢关阶段时间较长，节流阀开孔较小，容易发生堵塞。第二种方法是改变调节阀喷孔特性，投入较少，不增加任何辅助设备。上述方法比较第二种方法投入少，比较合理。原调节阀特性见图3，在图3中调节阀TS810E1000-16和TS810E1500-16型结构特点是喷孔按螺旋梅花状均匀分布，大小相同，开度与流量关系线基本是线性，无法满足管线过渡过程分析要求。

改变调节阀特性就是调整喷孔的数量、大小、布置方式，使调节阀在匀速关闭的流量—开度关系线与液压操作两阶段关闭调节阀的流量—开度关系线相同，达到快速关闭70%的过流面积，剩余面积缓慢关闭，实现了匀速关闭情况下的实质两阶段关闭。经过改进设计后的调节阀特性见表1和图4，[1][2]新型调节阀TS810E1200-16和TS811E1200-10代替原来的TS810E1000-16和TS810E1000-16，新型调节阀的结构特点是沿轴线分布的喷孔大小不一，前部（小开度时）孔径小，后部（大开度时）孔径大，喷孔数量调整为210个，喷孔直径分别为Φ28mm、Φ34mm、Φ49mm、Φ94mm,见图5。新型调节阀的阀前后管道压力控制值见表2。经过渡过程计算分析在满足管道设计水压控制要求的前提下，在线调节阀和末端淹没调节阀一段全行程关闭时间分别缩短为400 s和600 s。保证了管线运行安全[1][2]。

图3 初始调节阀特性曲线

表1 调整后损失系数与开度关系

图4 调整后调节阀特性曲线

图5 调整后的喷孔布置

表2 新型调节阀运行参数

4 结束语

引黄北干线输水工程地形复杂，输水线路长，调节产生的水击过渡过程复杂，但采取合理调节技术和方法可大大减少工程投资，提高工程运行安全性。

根据1#、2#输水线路地形变化较大的特点，分别选择调节阀合理的设置位置，使输水管线的管道设计压力等级大幅度的减小，大大降低了管道的造价。为了使调节产生水击过渡过程满足管道设计水压要求，提出了改进调节阀的设计理念，使调节阀的特性满足工程设计安全要求。

本文也为长距离输水管线设计及防护提供一个新的理念及解决方法，为今后选择调节阀提供一个新的思路。

［1］杨开林，李 明.适应水击控制的多喷孔套筒式调流阀研究［J］.水利水电技术，2009，40（12）:43-46.

［2］杨开林.适应水击控制多喷孔套筒式调流阀设计原理［J］.水利水电技术，2010，41（7）:36-39.