千岛湖配水工程调流调压阀的设计和应用

曹可凡，戴 斌，刘孝广，张泰忠，秦新木

（1.阀安格水处理系统（太仓）有限公司，江苏 太仓 215413；2.杭州市千岛湖原水股份有限公司，浙江 杭州 310009）

1 项目概况

杭州市第二水源千岛湖配水工程从千岛湖淳安县境内取水，并通过输水隧洞将水引至杭州市余杭区闲林水库，为下游原水输水工程提供优质千岛湖水，同时在输水线路途中向建德市、桐庐县及富阳区部分区域供水。全长113.22 km，其中输水隧洞混凝土衬砌段长约102.29 km，其余浅埋隧洞钢衬段及埋管段长约10.93 km，全线封闭，利用水位落差自流到闲林水库。项目取水口为新安江水库，正常蓄水位108.00 m，正常库容178.4亿m3，水库汛期限制水位106.50 m，死水位86.00 m。闲林水库为杭州市主城区应急供水备用水源水库，也是千岛湖配水工程的调节水库，正常水位为70.00 m，汛限水位为69.50 m，正常库容1 984万m3，供水库容1 794万m3。闲林水库汛限水位69.50 m，设计流量为38.8 m3/s。输水系统相关构筑物布置示意见图1。

图1 输水系统相关构筑物布置示意图

2 调流调压阀的设计和选型

2.1 调流调压阀的设计特点

本项目调流阀采用德国VAG活塞式调流调压阀，调流阀主要由阀体、活塞、导轨、曲柄机构等组成，通过曲柄机构带动活塞进行往复式运动（见图2）。调流阀具备在不同工况下稳定运行的功能[1]，阀门可以在阀前压力变化的情况下控制阀后的压力稳定，也可以在不同的水力工况下调节阀门开度来达到所需要的流量，因此，选择合适的调流阀可以满足各种工况下的调流调压功能。

图2 活塞式调流阀剖示图

调流调压阀的流道是环状，流体从四周流入，并在阀门出口的管道中心处汇集，水流相互碰撞消除一部分能量，使得气泡在管道中心处破灭，避免形成气蚀而产生影响。

VAG调流阀有多种出口部件形式，包括E型、SZ型、LH型、LHD型，通过VAG公司专业的UseCAD软件，可以选出适合于各种现场水力工况的出口部件，从而更加精确地进行调流调压。

2.2 调流调压阀的选型分析

千岛湖引水工程流量调节阀室共设置5台活塞式调流阀，采用“4用1备”方案，均为DN1 800电动流量调节阀，单台阀门设计流量9.7 m3/s，可通过阀门电动执行机构调节阀门开度，控制阀门过流量。此外，为了方便检修，考虑到调流阀前段相对水流稳定，要求在调流阀前3～5倍的管道直径设置检修阀，调流阀后面设置DN800的进人孔。

根据本项目实际工况，将所有运行工况分为以下6类，相关水力参数见表1。

表1 工况水力参数汇总表

由于流量调节阀在高压差、大流量工况下供水运行时，容易产生气蚀[2]，因此为了改善阀门工作状态，避免调流阀及阀后产生气蚀损坏，在调流阀下游须增设孔板。经过多个参数对比分析，将孔板的阻力系数定为11，为了可以清楚判断阀门在整个运行过程中的流量和气蚀状况，需要综合考虑整个系统，即阀前后静压值和上下游的管路水损系数，并利用如下计算模型进行选型[3]和计算（见图3）。

利用上游管路在各流量下的水头损失计算数据，可以计算出所需要的数据，小压差情况下，由5台阀门运行，大压差情况下，由4台阀门运行，最终的计算结果见表2。

图3 计算模型图

表2 不同压差运行工况表

2.3 调流阀计算流体动力学分析

通过CFD分析，可以得到整个系统中的速度分布、压力分布和气蚀状况，从而和前期的选型结果做一个对比分析，计算模型见图4。

图4 CFD计算模型图

计算软件采用Fluent19.0，湍流模型采用k-ωSST，此湍流模型[4]结合边界层的标准k-ω和高雷诺数下k-ε的优势，网格类型采用非结构四面体网格（见图5），计算精度为二阶。

图5 管路系统网格划分图

表3为通过UseCAD软件选型得出的阀门开度，表4为通过CFD软件计算出来不同工况下的阀门开度。

表3 UseCAD选型参数表

表4 CFD软件计算结果表

通过计算发现，Fluent软件计算出不同工况下阀门的开度与UseCAD软件计算出来的结果基本保持一致，验证了UseCAD选型结果的准确性。

3 调流调压阀的布置和运行

3.1 布置和运行概况

本工程流量调节阀的运行方式分为3种：①仅流量调节阀运行进行调流；②电站和调流阀同时运行进行调流；③仅依靠电站发电进行调流。

流量调节阀室设置的调流调压阀均为DN1 800PN10电动调流阀，单阀设计流量为9.7 m3/s，部分工况运行时考虑设置孔板增加下游的背压，本文对第一种运行方式进行分析，后2种运行方式不做深入讨论。

3.2 仅调流阀运行调流

（1）根据流量Q和上游水位H，可以计算得到阀前的水压H前，再通过该项目调流调压阀来控制目标水位，从而可以得到初定的下游目标水位及控制区间（见表5）。

表5 调流阀阀后水位表

由调流阀前后压差H差和目标总供水量Q值（见图6）可以查出调流阀的开启台数。在图6中，压差H差为纵坐标，总供水量Q为横坐标，该工况点所落的区域对应的阀门开启台数，即为调流阀的目标开启台数n，单台调流阀的目标流量q=Q/n。

图6 调流阀下游出水池水位控制

（2）流量调节阀为依次开启模式，流量调流阀运行时，对目标台数的调流阀依次发出开启指令，间隔的时间定为3 min，使调流阀基本同步开启，待各台调流阀均调整至目标开度后，适当调整阀门开度使下游出水池水位尽快达到目标水位控制区间内，每次4%（初定，开度增大4%，单台调流阀流量约增大1.0 m3/s）的开度调节，同时需要对阀门总过流量和目标总流量Q进行监控，之后调流阀开始进入水位控制模式，并读取在线监测系统流量调节阀前后压力传感器的压力差（或者压差传感器），根据支管上超声波流量计的数据，读取流量调节阀的流量，根据电动执行机构的开度指示可以得到流量调节阀的开度，从而对阀门进行全方位监测。

4 结 语

介绍VAG调流调压阀的特点和运行原理，对阀门在不同水力工况下进行详细的选型分析，此外，利用先进的流体仿真软件对整个运行系统的流场和压力差进行模拟，也验证VAG阀门选型的准确性，最后讨论阀门的布置和运行，为以后的运行提供较为详细的借鉴和指导。长距离输水工程是十分复杂的系统工程，在实际运行中需要根据具体工况进行分析，通过后期的实际运行数据和实践经验，不断完善模型计算数据，从而形成一套更加有效的运行方案。