浅谈活塞式调流阀在调水工程中的应用

高学臣

（水利部机电研究所，天津 301900）

活塞式调流阀主要用于对管道系统进行线性调流或稳定减压，且调节过程顺畅、稳定，可自动调节预先设定的参数值，使之在一定精度内保持恒定。具有良好的耐汽蚀特性，阀体内壁的筋板兼有整流板的作用，可以分散水流防止汽蚀，也减小了阀门的噪音和活塞的振动。被广泛应用于水厂、电厂、引调水工程[1]。

1 调流阀的结构

活塞式调流阀主要由阀体、调节机构、驱动装置、密封圈和其他附件组成。

1.1 阀体

活塞式调流阀的阀体分为内、外两层，介质在阀体内外两层间的阀腔内流动。

1.2 调节机构

调节机构为曲柄滑块, 阀门运行时，通过齿轮箱驱动阀轴转动，阀轴经曲柄机构，带动活塞沿水流方向前后移动，通过活塞前后移动改变流道面积，达到流量和压力调节的目的。阀内的流道为轴对称形，避免流体通过阀腔时产生紊流。无论活塞在何位置，阀腔内的水流断面始终为环状。活塞阀开度要与流量成线性关系，调节过程要顺畅、稳定，避免流量在某一范围内陡然增加。活塞可在阀体内圆筒里由导轨引导沿管路作轴向运动，因而改变流道面积，以实现调节流量及减压功能。

1.3 驱动装置

驱动装置保证阀门在最大允许工作压差和最大流速工况下正常操作，驱动装置的输出扭矩不小于阀门最大压差工况下操作扭矩的 1.25 倍，可通过手动、电动（现地、远程）操作阀门。电机驱动装置具有良好的防水性能，动作灵活、安全可靠。调流阀的电动装置包括电机、减速蜗轮、机械限位调节机构、力矩控制机构、行程控制机构、开度指示机构和手动电动转换装置等。

1.4 密封圈

阀门的密封为软、硬双重密封，实现双向气泡级密封、零泄漏；阀门完全关闭时，密封良好，无渗漏升压现象。调流阀的结构见图1。

图1 活塞式调流阀结构

2 调流阀的工作原理

活塞式调流阀与只用作管线切断的蝶阀和闸阀不同，其调节功能主要是通过改变活塞与阀座密封面之间的介质流通面积，从而达到调节流量或压力的目的，活塞的行程与管内水流方向是一致的。水流从轴向弧状进入外壳，阀内的流道为轴对称形，流体流过时不会产生紊流。阀腔内的水无论活塞运动到任何位置水流断面均为环状，在阀的出口处水流向轴心收缩，从而达到最佳防汽蚀，避免因节流而可能产生的汽蚀对阀体和管道的破坏。调流阀关闭时先快后慢，因而不产生任何水锤。活塞式调流阀出流效果见图2。

图2 活塞式调流阀出流效果

3 应用现状

3.1 工程概况

山东省胶东地区引黄调水工程是缓解烟台、威海供水危机的重要民生工程。该工程自黄河打渔张引黄闸引取黄河水，经新建沉沙池沉沙后，利用现有的引黄济青工程输水至宋庄分水闸分水，沿莱州湾新辟输水明渠至龙口市，再经压力管道、隧洞及暗渠输水至烟台市门楼水库、威海市米山水库。2013年，胶东地区引黄调水工程实现主体工程全线贯通，并完成综合调试及试通水。

黄水河泵站～米山水库段输水工程是整个胶东引黄调水工程的重要组成部分，主要采用管道、暗渠和隧洞结合输水，全部位于地下，而且为有压流和无压流交替输水模式，输水系统复杂。输水线路有压重力输水管道段主要分布在高疃泵站～米山水库输水线路。根据不同工况对有压重力输水管道段进行水力过渡过程计算分析，有压重力输水管道在较低流量工况下会产生富裕水头；并且管道起伏较大，管道沿线都要承受较大静压。有压重力输水管道沿线调流调压设施的运行控制，是保证管道的安全、稳定运行的关键。

3.2 调流阀的布置

根据各处调流阀控制管段的不同，将有压重力输水管道段分为4段。

3.2.1 高位水池～无压调节水池管道段

（1）调流阀布置

该段管道在桂山隧洞进口处布置2台调流阀进行控制。保证在任何工况下，避免出现高位水池水位超过最高水位，或低于最低水位；下游无压调节水池水位超过最高水位，或低于最低水位的情况，保证管道流量满足各工况要求。

（2）调节水池

在桂山隧洞出口处设 1 座无压调节水池。

（3）附属设施

在调流阀上游处设流量传感器，安装在流量计井内，并将信号传输到调流阀处进行检测。

3.2.2 无压调节水池～孟良口子隧洞进口

（1）调流阀布置

该段管道在孟良口子隧洞进口处布置1台调流阀进行控制。保证在任何工况下，避免出现上游无压调节水池水位超过最高，或低于最低水位；下游孟良口子隧洞进口竖井水位超过最高水位，或低于最低水位的情况，保证管道流量满足各工况要求。

（2）调节水池

在孟良口子隧洞出口设1座竖井。

（3）附属设施

在调流阀上游处设流量传感器，安装在流量计井内，并将信号传输到调流阀处进行检测。

3.2.3 孟良口子隧洞出口~星石泊泵站前池进口管道段

（1）调流阀布置

该段管道在星石泊泵站前池进口处布置1台调流阀进行控制。保证在任何工况下，避免出现上游孟良口子隧洞出口竖井水位超过最高水位，或低于最低水位；下游星石泊泵站前池水位超过最高水位，或低于最低水位的情况，保证管道流量满足各工况要求。

（2）调节水池

星石泊泵站前池。

（3）附属设施

在调流阀上游处设流量传感器，安装在流量计井内，并将信号传输到调流阀处进行检测。

3.2.4 卧龙隧洞出口～米山水库管道段

（1）调流阀布置

该段管道在界石镇处布置1台调流阀进行控制。保证在任何工况下，避免出现上游卧龙隧洞出口竖井水位超过最高水位，或低于最低水位的情况，保证管道流量满足各工况要求。

（2）附属设施

在调流阀上游处设流量传感器，并将信号传输到调流阀处进行检测；在调流阀处还需设压力传感器进行检测。

3.3 主要技术性能指标

（1）调流阀的调节过程顺畅、稳定。

（2）调流阀既可流量调节也可以压力调节，通过控制系统，可对控制阀进行阀后压力控制或阀前的流量控制。

（3）调流阀根据上游水池最高、最低水位相应调整开度，避免出现调节水池溢流或非淹没出流的情况。

（4）调流阀全开状态下具有高流通能力，并具有一定的自清洁性能。

（5）调流阀内的流道为轴对称形，具有过流量大、重量轻、抗汽蚀破坏和磨蚀性能的流线型结构，流体流过时不会产生紊流。

（6）调流阀采用压力平衡驱动，减小了大流量或高压差下阀门的操作力。

（7）调流阀阀体采用球墨铸铁一体化整体浇铸，活塞、曲柄机构、出口部件等采用不锈钢材质。

3.4 控制系统

3.4.1 调流阀控制方式

（1）自动控制

根据阀前、阀后的流量、压力传感器信号，自动调整调流阀的开度；也可远程下达阀门操作指令，控制阀门开关状态，同时阀门各种状态信息上传至调度系统。

（2）人工控制

通过人工设定阀门开度值，改变阀门开度调节流量及压力。

3.4.2 调流阀开、关控制

（1）开阀

1）最低水位以下：泵站根据不同工况流量要求开启泵站机组运行，调节水池水位上升，水位达到最低水位时，阀门自动开启。

2）最低水位至设计水位之间：阀门初步开启后，调节水池水位持续升高，则调流阀持续加大开度。当水位超过设计水位后，按步骤3）运行。

3）设计水位至最高水位之间：水池水位超过设计水位，则阀门加大开度；当水池水位降低，则阀门根据水位变化情况，适时减小开度，开度调整至调节水池进出流量平衡，水池水位稳定在设计水位。

4）最高水位以上：水池(竖井)水位超过最高水位，则调流阀加大开度直至完全开启；当水池水位降至最高水位之下，按步骤3）运行。

（2）关阀

调节水池水位稳定在设计水位，阀门开度为工况流量开度。

1）先启动调流阀阀门，减小开度，调节水池水位上升超过设计水位，适时减小开度，开度调整至调节水池进出流量平衡。

2）当泵站各机组正常停机，致使调节水池水位降低，此时调流阀根据水位变化情况，自动减小开度，开度调整至进出流量平衡，当调节水池水位降至最低水位之下，阀门完全关闭。

3.5 运行效果

通过实际运行情况来看，调流阀能够起到调节流量、消能排空以及减压、调压等作用，对高压力和大压差工况具备优越的调节和控制功能，具有消能、降噪、减振及防汽蚀的作用。调流阀在小流量工况时阀门对流体具有良好的消能效果，减小了阀门的噪音和活塞的振动，有效避免汽蚀、震动对管线的破坏；当大流量工况时，阀门可消减流体部分能量，并对流体的部分能量有所保留，保证阀门具有足够的过流能力。能有效提高系统安全可靠性，满足系统自动化控制要求。其主要优点如下：实现流量的精确控制，可以保持恒定流量；实现大压差范围内的调节，保持阀后压力稳定；操作方式可以选择手动和电动两种控制方式，可以实现调度中心远程控制，操作人员无需到达现场，即可根据需要进行高精度调节。使各控制点流量、压力维持在相对稳定和合理的区间，保证了调水工作正常有序运行[1]。

4 调流阀的未来发展趋势

调流阀是一种重要的流体控制装置，广泛应用于石油、化工、水利、电力、冶金等工业领域。未来，随着工业自动化程度的不断提高，调流阀将朝着以下几个方面发展：

智能化：随着智能制造和物联网技术的发展，调流阀将越来越智能化，能够实现远程监控和控制，自动调节流量和压力。

低噪音：调流阀在运行时会产生噪音，未来的调流阀将会采用新材料、新结构和新技术来减少噪音产生。

节能环保：调流阀未来的发展将更加注重节能环保，采用新材料、新技术和新结构，减少能耗和废气排放。

多功能化：未来的调流阀能够实现多种流体控制功能，如流量计量、流量调节、压力调节等。

高可靠性：未来的调流阀将会更加注重高可靠性，采用新材料、新技术和新结构，提高产品质量和可靠性，减少故障率和维修成本。