大口徑調(diào)流閥應(yīng)用研究
長(zhǎng)距離引水中常設(shè)有調(diào)流消能閥。目前,小口徑調(diào)流閥應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟,大口徑的調(diào)流閥應(yīng)用較少。本文通過(guò)對(duì)錐形閥和活塞閥兩種形式調(diào)流閥的比較,以及對(duì)錐形閥結(jié)構(gòu)和消能效果的分析論證,證明大口徑調(diào)流閥采用錐形閥是完全可行的,這為在線式大口徑調(diào)流閥型式選擇提供了參考性建議。
1、概述
近幾年,隨著我國(guó)城市工業(yè)迅速發(fā)展,以及國(guó)家對(duì)水利基礎(chǔ)建設(shè)的重視,長(zhǎng)距離、跨流域、大規(guī)模調(diào)水工程陸續(xù)上馬。長(zhǎng)距離的調(diào)水工程都存在調(diào)水流量變化大或水源水庫(kù)水位變化大的特點(diǎn),由此造成輸水末端在小流量或水源水庫(kù)高水位時(shí),不但需要調(diào)流還需要消去富余水能,所以,在長(zhǎng)距離引水中都常設(shè)有調(diào)流消能閥。我國(guó)已建的南水北調(diào)、山西引黃、黑龍江磨盤(pán)山引水工程均設(shè)有調(diào)流閥,但在以上大型引水工程中使用的最大調(diào)流閥直徑為1800mm。直徑大于2000mm的調(diào)流閥在國(guó)內(nèi)大型引水工程中尚未有使用先例,真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認(rèn)為大口徑調(diào)流閥在大型引水工程中應(yīng)用的可靠性有待研究。
2、活塞式調(diào)流閥和錐形閥比較
目前,比較常用的調(diào)流消能閥主要有活塞式和固定錐形兩種。活塞式調(diào)流閥的運(yùn)動(dòng)部件為活塞,流量調(diào)節(jié)是通過(guò)活塞軸向運(yùn)動(dòng),改變活塞與外套筒間的過(guò)流面積實(shí)現(xiàn)的。錐形閥的運(yùn)動(dòng)部件為外套筒,流量調(diào)節(jié)是通過(guò)外套筒軸向運(yùn)動(dòng),改變固定錐與外套筒間的過(guò)流面積實(shí)現(xiàn)調(diào)流的。
錐形閥與活塞閥比較,具有以下優(yōu)缺點(diǎn):
a.消能型活塞式調(diào)流閥的節(jié)流部件為網(wǎng)狀或條形開(kāi)孔運(yùn)動(dòng)部件,輸送原水在小開(kāi)度運(yùn)行時(shí)易堵塞。錐形閥過(guò)流為環(huán)狀開(kāi)孔部分,輸送原水不易堵塞。
b.活塞閥消能部件與調(diào)流部件布置緊湊,閥體尺寸小。錐形閥的消能與調(diào)流分開(kāi)布置,閥體尺寸較長(zhǎng)。
c.活塞閥運(yùn)動(dòng)部件在閥體內(nèi),運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜。錐形閥的運(yùn)動(dòng)部件在閥體外,運(yùn)行維護(hù)方便。
d.錐形閥為雙軸驅(qū)動(dòng)外套筒結(jié)構(gòu),直徑大小對(duì)操作結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響小。活塞式調(diào)流閥為單軸驅(qū)動(dòng)內(nèi)部活塞,內(nèi)部的活塞直徑越大,單桿驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性越差,所以直徑大于2000mm的活塞式調(diào)流閥存在操作運(yùn)行穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。目前,在國(guó)內(nèi)投入使用的最大單軸驅(qū)動(dòng)的活塞式調(diào)流閥直徑為1.8m,而最大放空型錐形閥直徑為4m。
通過(guò)以上比較可以看出,兩種型式調(diào)流閥各有優(yōu)缺點(diǎn),直徑小于2m的在線式活塞式調(diào)流閥應(yīng)用較多,技術(shù)成熟。但大口徑活塞式調(diào)流閥存在操作穩(wěn)定性差的缺點(diǎn),所以從結(jié)構(gòu)上看,錐形閥更適合作為大口徑調(diào)流閥應(yīng)用。放空型錐形閥使用歷史悠久,技術(shù)成熟,已早被人們所熟知。但作為在線調(diào)流閥,在工程上應(yīng)用較少,其可行性也備受質(zhì)疑,下面對(duì)錐形閥用于在線調(diào)流消能的可靠性做詳細(xì)論證。
3、固定錐形閥消能效果論證
3.1、錐形消能閥技術(shù)性能
3.1.1、閥門(mén)的消能和抗氣蝕的能力
錐形消能閥作為在線式調(diào)流閥不但應(yīng)具有調(diào)流功能還應(yīng)具有良好的消能能力。在線式的錐形閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。從結(jié)構(gòu)圖上可以看出,在線式的錐形閥在出口加裝了速度導(dǎo)流器和能量導(dǎo)流裝置,保證消能閥具有良好的消能效果和抗氣蝕能力。
圖1 錐形閥結(jié)構(gòu)示意圖
錐形閥后設(shè)能量導(dǎo)流器,使出口高速水流與導(dǎo)流片碰撞,消減速度水頭,消減能量。未加裝能量導(dǎo)流器的錐形閥,消能率為60%,加裝能量導(dǎo)流器的錐形閥消能率達(dá)90%。
消能閥最大的問(wèn)題是在前后大壓差小開(kāi)度條件下運(yùn)行時(shí),出口高速出流,出口管壁易氣蝕。固定錐形閥后端為錐形結(jié)構(gòu),使氣蝕發(fā)生的部位不在噴管的管壁上,通過(guò)設(shè)在閥門(mén)后端的速度和能量導(dǎo)流器,使氣蝕區(qū)域與閥體的金屬壁分開(kāi),氣泡在閥體的內(nèi)部破裂,而非在閥體內(nèi)金屬壁破裂,同時(shí),能量導(dǎo)流器可以避免閥門(mén)后端管道受氣蝕的破壞。即使在出口壓力為負(fù)壓時(shí),仍保證良好的抗氣蝕特性。大壓差消能運(yùn)行時(shí),允許的噴管流速可達(dá)16m/s,抗氣蝕指數(shù)可達(dá)0.15,具有較好的抗氣蝕性能。
大壓差出口高速出流時(shí),通過(guò)導(dǎo)流裝置,使出口水流迅速混合,變成穩(wěn)定的層流,對(duì)閥后管道影響較小。加設(shè)速度導(dǎo)流器和能量導(dǎo)流裝置在線式調(diào)流錐形閥,允許的前后最大壓差為2MPa。
3.1.2、閥門(mén)的過(guò)流能力
消能閥在高水頭時(shí),盡可能消減水頭,而在低水頭時(shí),又需要過(guò)更大的流量。所以,既要有消能能力,又要有較好的過(guò)流能力。過(guò)流能力取決于最大開(kāi)度下的流阻系數(shù),消能型固定錐形閥最大開(kāi)度下的流阻系數(shù)為1.35~2。與活塞式消能閥的流阻系數(shù)基本一樣。
3.1.3、閥門(mén)的可靠性
固定錐形閥閥門(mén)上設(shè)有人孔,不用拆卸閥體,即可通過(guò)人孔進(jìn)入閥體進(jìn)行維修。固定錐形閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在閥體外部,維修方便。固定錐形閥的前端密封采用金屬硬密封,閥門(mén)的壽命期內(nèi)不需更換。
固定錐形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,整個(gè)結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng),運(yùn)行穩(wěn)定好,振動(dòng)小,磨損少,可靠性較高。
3.2、錐形閥模型試驗(yàn)
放空型錐形閥最早于1989年在美國(guó)Hartman公司進(jìn)行模型試驗(yàn)。在線式的錐形閥于1997年和1999年在美國(guó)猶他州水能實(shí)驗(yàn)室完成了在線式的錐形閥模型試驗(yàn),對(duì)DN150的在線式錐形閥的流量系數(shù)、阻力系數(shù)、消能率、氣蝕系數(shù)、補(bǔ)氣進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。主要試驗(yàn)結(jié)果如下:
a.出口最高流速達(dá)到16m/s,閥門(mén)無(wú)振動(dòng)。
b.帶速度導(dǎo)流器錐形閥全開(kāi)度下的流量系數(shù)為950,能量消除率達(dá)到55%~65%,全開(kāi)度阻力系數(shù)為1.2,10%開(kāi)度阻力系數(shù)為100。
c.帶速度和能量導(dǎo)流器錐形閥全開(kāi)度下的流量系數(shù)為910,能量消除率達(dá)到90%,全開(kāi)度阻力系數(shù)為1.5,10%開(kāi)度阻力系數(shù)為110(見(jiàn)圖2)。
圖2 帶能量導(dǎo)流器和速度導(dǎo)流器的錐形閥排放系數(shù)曲線
d.帶速度和能量導(dǎo)流器錐形閥的抗氣蝕系數(shù)達(dá)到3.5(見(jiàn)圖3)。
圖3 帶能量導(dǎo)流器和速度導(dǎo)流器的錐形閥氣蝕性能曲線
對(duì)錐形閥的結(jié)構(gòu)分析以及美國(guó)的模型試驗(yàn)報(bào)告證明帶速度和能量導(dǎo)流器的錐形閥具有較好的消能、抗氣蝕及流量調(diào)節(jié)性能,作為在線式調(diào)流閥是完全可行的。
4、工程實(shí)例
據(jù)相關(guān)資料介紹放空型的錐形閥早在1940年在美國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)并投入使用,在線式錐形閥于1997年開(kāi)始研發(fā)并投入使用。2003年建設(shè)的臺(tái)灣高雄引水工程采用的調(diào)流設(shè)備是DN2600的在線式錐形調(diào)流閥,該工程已運(yùn)行多年,至今運(yùn)行良好。
2008年,我院設(shè)計(jì)的越南達(dá)門(mén)采用DN3000錐形閥作為電站旁通消能設(shè)施,設(shè)備已成功投入運(yùn)行。經(jīng)過(guò)多方技術(shù)分析論證,觀音閣引水工程推薦采用DN2600的錐形閥作為在線式流量控制及消能閥。
5、結(jié)論
通過(guò)以上對(duì)在線式錐形閥的結(jié)構(gòu)和模型試驗(yàn)、技術(shù)性能參數(shù)分析研究以及國(guó)內(nèi)外已投入運(yùn)行工程的介紹,可以證明錐形閥作為在線式調(diào)流閥是完全可行的,可以在大型引水工程中推薦使用。