重力流長輸管道利用蝶閥開度調流調壓的規律研究

2013-09-03 李東艷秦皇島市引青管理局

　　對于沒有調流減壓設施的重力流輸水工程，利用蝶閥開度增加局部水頭損失可降低管道壓力和調節管道流量。以引青濟秦管道為例，對4種直徑(DN1000~1600)，流量在0.7~2m3/s，閥門旋轉角度在40°~70°的水頭損失進行計算，對蝶閥調流調壓的規律進行研究和總結。

　　蝶閥結構簡單，所需安裝空間小，操作便捷，具有良好的調節特性，可以實現快速啟閉以及全開時流阻損失小，因此應用廣泛。安裝在管道上的蝶閥不僅可用于控制管路的通斷，而且也可以用于流量和管道壓力的調節。

1、工程概況

　　對重力輸水管道設計^[1]，在設計流量下按公式計算得到的水壓線與實際情況相符，而小流量情況下計算的水壓線存在較大的剩余水頭。以引青濟秦管道為例，長距離輸水管道部分根據城市用水需求分期完成，一期取水位48m，二期取水位76m，設計運行壓力為0.4MPa^[3]，上游設計流量是5.36m³/s，下游管道設計流量為3.95m³/s，即日供水34.13萬m³/d。工程建成后日供水量最高為27.97萬m³/d，最少只有9萬m³/d，遠沒有達到設計供水流量，為保證管道安全，需要減壓運行。一期工程沒有減壓設施，在水量調度沒有更好的運行方法之前，只能依靠調整蝶閥群的開度來調節管道的壓力，控制管道的流量。雖然閥門開度的變化對不同管徑的影響規律是相同的，但是幅度差即調節曲線相差很大，為保證管道運行安全，必須掌握閥門開度消能規律。

2、蝶閥調壓調流的計算

　　重力流長輸管道的輸水能力，與管道上游的水位、輸水管道的斷面面積和管道的長度等特征有關。在輸水過程中水的能量損失分為兩種：沿程損失和局部損失^[2]。蝶閥開度引起的水頭損失屬于局部水頭損失。

　　以一段管道為例(見圖1)，閥門軸線與管道水平線的夾角α為蝶閥閥板旋轉角度，υ為管道內流速(m/s)，則由閥門開度引起的局部水頭損失為：

(1)

　　式中 Q——管道過水流量，m³/s;

　　A——管道過水斷面面積，m²;

　　ξ——水頭損失系數;

　　ξ的數值基本上不受溫度、壓力和流量變化的影響與閥門開度有關。ξ取值見表1。

表1 不同開度ξ取值

　　對DN1600、DN1400、DN1200和DN1000四種管徑進行研究，單管流量0.7~2.0m³/s，閥門開度從40°~70°計算水頭損失，將結果繪制了多條調壓曲線，見圖2。

圖2 各管徑管道不同蝶閥開度時水頭損失

3、規律分析與操作經驗探討

　　(1)對于同一條管道，在同一流量下，閥門開度越小(α越大)，引起的水頭損失越大;閥門開度越大(α越小)，引起的局部水頭損失越小;同一條管道，開度相同，流量越大，引起的水頭損失越大。

　　(2)相同開度，管道直徑越小，消能曲線越陡，減壓效果越明顯。以α=50°為例，在流量1.5m3/s，DN1600消能0.9m，DN1000消能5.90m。

　　(3)α<40°時，對所有管道的壓力影響不大，即消能效果不明顯，此時只對流量影響較大。

　　(4)管道內大流量的情形下，開度不能過小(α不能過大)。重力流管道通常為低壓管道，水頭損失過大，對管道運行不利。

　　(5)α≥60°還需要減壓時宜半度操作，不論是哪種管徑，α從60°~65°消能效果非�？�;65°~70°消能曲線很陡，在實際操作中要格外引起注意。

　　(6)利用閥門開度計算消能幅度時，注意α值增加使壓力減小的同時，流量也會減小;計算減壓效果時，要綜合考慮，這也是利用閥門開度消能和調節流量的復雜所在。

　　(7)避免α大角度運行。利用蝶閥開度消能和調節流量雖然在工程上應用廣泛，但是實際操作起來卻相當復雜。操作時應謹慎選擇α值較大的運行狀態。部分開啟的閥門，水流邊界條件改變，過水斷面急劇收縮，水流對閥門的沖刷力很大;閥門開度越小，沖擊力越大，同時水流不穩，容易裹挾氣體，因此對管道的整體運行安全非常不利，會造成閥門振動，地面振動，噪聲非常大，對于閥門本身有損害，對工程運行也會埋下隱患。在調度上，對復雜管道，應綜合考慮管道運行方案，盡量避免閥門小開度運行。

　　(8)由于計算過程中近似處理、實際操作中的開度誤差等因素影響，實際上，利用蝶閥群控制流量、水壓存在一定的近似性，精確程度不是非常高。

　　(9)擇機安裝調流調壓閥。調流調壓閥能有效調節長輸管道的壓力和流量，近年來的大型引水工程中有應用案例。本工程在條件允許時宜增設此裝置。