套筒式调流调压阀在水利水电工程中的应用

杨富超 马韧韬 高普新 李浩亮

在大中型水利水电工程和长距离引、调水项目中，调流调压阀得到了广泛的应用。其主要功能是满足管线系统中各种特殊的调节要求。如作为水库放空的消能阀，水源存储中的液位或压力调节，管网输水工程中可用作流量调节，水处理工程中水泵启动保护或流量调节，供水工程中调节管网压力平衡等。

由于流量调节阀的结构形式各有不同，决定了其应用范围的差异，本文结合工程实例，介绍套筒式调流调压阀在水利水电工程中的选择和应用。

1 工程概况

Nadarivatu水电站位于南太平洋上的斐济群岛共和国，是一座引水式水力发电工程。电站装机容量44 MW，装设2台22 MW立轴冲击式水轮发电机组。工程的主要建筑物包括最大坝高41.5 m的重力坝，一条2 km的有压隧洞，一条1.4 km的压力钢管，厂房及开关站等。该项目由中国电建集团实施，中水北方勘测设计研究有限责任公司为工程设计方，是我国在大洋洲实施的第一个水电站工程。

根据引水系统安全要求，在引水系统放空时，应设置控制阀对系统放空流速进行限制，根据管路系统布置，确定限制值为270 L/s。该系统阀前最大压力为330 m，阀后压力为0或很小的背压。由于系统不是经常使用，该系统不考虑采用自动控制。

2 调流调压阀选型

2.1 工程对阀门的要求

结构型式是调流调压阀选型的关键，因为通常一种结构型式的阀门由于其固有的结构特点，决定了其应用范围。

首先应根据工程的实际要求和阀门的特性，综合考虑是用于流量调节还是压力调节或综合调节、调节范围、调节精度等；其次选用调流调压阀时最重要的一个因素就是使阀门实际运行时，在各种工况下不发生有害的气蚀。但是阀门的基本特性曲线对阀门在什么时候发生气蚀是无法显示的，更无法指出在哪个点上达到操作极限。而各种阀门由于构造不同，允许的气蚀系数δ也不同。

根据相关理论，合理的设计/选型应该满足工程计算的气蚀系数（按阀门工作时开度和流量控制范围取阀前与阀后压差最大值算）大于阀门允许的汽蚀系数，则说明可用，不会发生气蚀。

如蝶阀的允许气蚀系数为2.5，当δ＞2.5时，则不会发生气蚀。δ＜2.5会发生气蚀、振动、噪音，严重时会影响阀门和下游配管使用寿命。

根据相关理论，用户工况的δ计算公式为：

式中 H1——阀后（出口）压力，m；

H2——大气压与其温度相对应的饱和蒸汽压力之差，m；

ΔP——阀前、阀后的压差，m；

v——过阀流速/m/s。

本工程最恶劣工况气蚀系数计算见表1。

表1 气蚀系数计算表

根据上表计算结果，所选择的调流调压阀的允许气蚀必须小于0.055，满足这种要求的调流调压阀，才能在本工程大的压差条件下保证长期运行过程中不会发生气蚀破坏。

2.2 几类水用调流调压阀的比较与选择

水用调流调压阀的种类很多，常用的有闸阀、球阀、蝶阀、隔膜阀，活塞阀、针形阀、套筒式调节阀等多种。

2.2.1 闸阀、球阀、蝶阀等传统阀门的调流方式

传统阀门如闸阀、蝶阀、球阀、旋塞阀和截止阀等阀门的流量开度曲线为非线性的，调节精度低，为满足调流或调压的要求，一般要通过比较复杂的控制程序来控制阀门的开度，从而实现管线流量或压力的调节；而且当传统阀门在较高的压差或较大的流量等工况进行调节时，会发生气蚀现象，阀门及邻近管道发生较严重的振动和噪音等，振动的后果会造成阀门零件脱落。漏水，阀门的疲劳断裂等，噪音会损害人体的健康；当实际工况要求气蚀系数低时，既压差较大时，会发生严重气蚀，造成密闭件阀体的破坏，严重时阀门甚至不能使用一个月。

更换阀门会造成运行成本大大增加。更换阀门的费用有时会超过阀门的价格。

当阀门处于小开度时，阀门的出口端有严重的紊流产生，会产生振动，高压差时会产生气蚀。

2.2.2 常用的调流调压阀的比较

常用的调流调压阀如套筒式调节阀、隔膜式水力控制阀、活塞阀、针形阀等，这几种调节阀的比较见表2。

表2 常用的调流调压阀特性表

2.3 两级消能要求

由上述讨论可知，由于本工程减压比超过30∶1，仅靠一个减压阀难以实现；另外从气蚀系数考虑，本工程的气蚀系数仅为0.055，远小于任何一种单个阀门的气蚀系数，因此考虑采用两级减压的方式实现。

结合工程布置，在第二级阀门出口设置简易出口竖井，为阀门提供约10 m的出口背压。同时为简化系统及阀门设计，第二级阀门采用固定布置方式，系统的流量控制及调节仅靠第一级调流阀实现。

2.4 过流能力选择

阀门流量系数反映阀门的过流能力，同时也体现了某一流量下的阀门前后压差。在应用前后两个阀门来共同对系统减压的工况，应通过调整阀门的流量系数来分配两个阀门的减压比，并保证两个阀门的装置气蚀系数大于阀门气蚀系数。

根据本工程的工况参数，所应用调流调压阀的过流要求见表3，并根据相关理论，安装于本工程的调流调压阀在全开时（最大流量为270 L/s）的流量系数Cv值及拟选阀门的流量系数Cv值见表3。

表3 调流调压流量系数表

2.5 套筒式调流调压阀的选择及特点

通过上述计算和对多种调流调压阀的比较，选择一个DN200 mm、PN4.0 MPa的B05系列（可调式）、一个DN200 mm、PN4.0 MPa的B06（固定式）套筒式调节阀作为本工程的调流调压阀，该类阀门允许的气蚀系数δ=0.15，确保阀门在实际各种工况运行时不发生气蚀，保证工程的长期安全运行。

套筒式调节阀的内部有一个开有特殊设计圆锥形孔（美国Polyjet专利技术）的不锈钢套筒，这些圆锥孔不同于普通的直喷孔结构，经特殊设计和加工的孔可以使气蚀发生时产生的气泡在远离阀壁的地方破裂，这就减少了类似应用条件下其他结构类型阀门所常见的因气蚀产生的噪声、磨损和振动。

喷孔结构如图1所示。

图1 喷孔结构示意图

该调节阀有如下特点：

（1）阀门减压比可达到20∶1。

（2）在小流量，高压差或大流量的工况下，阀门振动、噪音依然很小。

（3）阀门口径和行程可以实现1∶1，比短行程阀门抗气蚀能力更强。

（4）通过众多数量的喷孔设计，分散能量的消耗，比短行程阀门振动更小，适应范围更大。

（5）阀门开度和流量成线性关系，不会出现压力突变情况，不会产生关阀水锤。

（6）套筒匝滑动表面，硬度高，耐磨，能有效避免高速水流对套筒匝的冲蚀，同时可以剪断堵塞锥孔的杂物。

3 调流调压阀运行

Nadarivatu水电站在引水系统调试期间，根据引水工程质量检测的要求，实施了多次引水系统的放空操作，均通过所安装的套筒式调节阀来实现。

套筒式调流调压阀运行时很平稳，没有发现产生气蚀现象，阀门及附近管道、设备均没有发现振动现象，运行时噪音很小，一般在60～70 dB（A）。

经过实际运行的检验，证明所选用的B05及B06系列套筒式调流调压阀均可靠实现设计的要求，阀门能自动根据阀前压力变化和阀后用水量变化，实时调整阀门的开度，改变阀门内部过流部位面积，控制了阀后压力和管线流量，完全满足设计和工程运行的要求。

4 应用前景

经过工程在调试阶段的实际运行，证明本工程设计选型正确，工程建设质量优良，所选择的B05、B06系列套筒式调流调压阀运行是可靠的，完全满足工程设计和工况运行的要求。

随着社会经济，尤其是工业经济的发展、城市化进程的推进，一大批长距离输水或调水工程的建设，解决用水矛盾问题及备用水源的建设项目也越来越多，长距离输水工程投资大、距离长，研究其安全问题并采取技术措施对此类工程的顺利实施、安全运行以及节省工程造价、管理费用无疑具有十分重要的意义。

无振动、无噪音、无气蚀、对管路无损伤的情况下，对系统进行线性调流或稳定减压是保护调流阀长寿命工作的基本要求。本文从调流调压阀的结构选型计算及布置等方面进行探讨，除可用于高水头水电站引水系统的放空设计，亦可为类似的长距离输水项目提供借鉴。