新型阀门在水库放水系统中的应用

乌 晓 明

重庆市涪陵龙潭水利工程是以灌溉、城市供水为主,兼有农村人畜饮水综合效益的中型水利工程,是重庆市 “十五”泽渝重点水利建设项目。工程由桃子沟水库及其灌区、调水建筑物和桃子沟水库至涪陵城输水管道等组成。桃子沟水库正常蓄水位596.5 m,总库容1 280万m3,属年调节水库。工程设计灌溉面积0.282万hm2(4.23万亩),年灌溉用水量1 210万m3；城市供水1 460万m3,同时解决沿途5个乡镇农村10万人的生活用水和4.3万头牲畜饮水。干渠及管道总长53.75 km,其中桃子沟水库至涪陵城区的输水线路总长25 km。

1 水库取水塔设计优化

桃子沟水库大坝取水建筑物原设计采用岸塔式取水塔(见图1),经进一步研究,存在以下问题。

图1 原取水塔设计方案(闸门放水)

(1)为满足灌溉对水温的要求,原方案取水塔分7层取表层水,设有7孔平面闸门,共有7个闸门门槽,进水口水工建筑结构较复杂。

(2)龙潭工程城市供水所占比例较大,取水系统运行的可靠性要求很高。原设计方案采用闸门放水,供水流量仅能通过闸门的开度来控制。由于供水流量较小,最大流量仅2.0 m3/s,闸门在高水位时将长期处于小开度运行,闸门的振动问题难以解决,使用寿命也将受到影响,而工作闸门损坏后,由于无检修闸门,将难以检修。

(3)从运行管理角度,原方案很难实现自动运行。由于水库水位在不断变化,因此,闸门的流量调节将很困难,也不可能根据用户(水厂)用水情况进行实时精确控制,这将给今后工程的管理带来较大的困难,水库的运行管理成本高,工作效率低。

针对以上问题,在施工设计阶段,从简化水工结构、节省投资、方便运行管理的角度,通过大量的调研和分析比较,同时吸取以往采用常规阀门放水方式的经验教训,利用近年来我国引进的先进阀门技术,确定采用新型阀门组合放水方案替代原闸门放水方案,对取水塔的结构进行大幅调整和优化。即在取水塔不同的高程上分别设置放水管,各放水管上设放水阀门,以实现分层取水和检修需要；各放水管汇合成放水总管,在放水总管上设流量调节阀,用于调节流量。

为便于水库的运行管理,放水系统设自动监测和控制系统,以实现水库的供水自动运行和远程监控管理。在原设计中,共有7孔分层取水口,如按此实施,阀门设备投资较大。通过参考国内10余座水库的实测资料进行类比计算,如调整为3孔分层取水,则每孔之间的水温差2～3℃,加上放水后沿程流经管道和渠系后的温升,进行灌溉时完全可以达到要求。为简化设备布置和运行维护,节省工程投资,最终决定采用3孔分层取水方案。

为保证放水阀门检修需要,在放水阀门前设检修闸门1面,孔口尺寸1.2 m×1.2 m,闸门采用平面滑动钢闸门。检修闸门门槽平常兼作拦污栅槽。

调整后的取水塔结构见图2。

图2 优化设计后取水塔设计方案(阀门放水)

2 放水阀门设备选型和技术特点

2.1 放水阀门总体技术要求

我国许多水库曾采用阀门放水的运行方式,但大多运行情况不理想,主要表现在阀门运行条件差；阀门流量调节性能差；放水时阀门气蚀和振动严重；阀门易损坏,使用寿命短；阀门检修困难等方面。因此,龙潭工程水库放水系统优化设计成败的关键因素是放水阀门系统的可靠性。

在技施设计阶段,在进行大量调研的基础上,对放水阀门设备的结构、性能、材质、控制、可靠性、使用寿命等方面提出了较高要求。

在过去,用于放水和调节流量的阀门一般为闸阀、蝶阀、锥型阀等常规阀种,使用可靠性低,易损坏,调流性能差。随着国外先进技术的引进,市场上出现了偏心半球阀、偏心旋塞阀、环喷式流量调节阀、固定(多喷孔)锥型阀、活塞式多功能控制阀等先进阀种。这些阀门的显著特点就是在结构上避免了阀门运行不利工况,具有结构合理、可靠性高、使用寿命长、调流精度高的优势,完全可以运用到本工程。因此,在招标文件中明确要求:用于放水的阀门,应采用全流道的产品,即阀门开启后,阀板及其密封面不在阀门流道中,流道完全畅通,水头损失小,以保证其在高速含沙水流冲刷长期运行情况下,阀门不被损坏并保持密封良好,并不产生有害的振动。为保证阀门关闭的严密性和密封面的使用寿命,阀门采用金属硬密封(不锈钢)。

用于调节流量的流量调节阀,应具有良好的调节特征和抗气蚀性能,在阀门进出口大压差的情况下,能长期可靠运行,不产生气蚀破坏,不产生有害振动；放水阀门和流量调节阀的电动执行机构和控制系统应有良好的控制、操作性能,适于进行频繁的调节；在正常运行情况下,放水阀门和流量调节阀的使用寿命应大于20年,大修周期应大于5年。

2.2 新型阀门的主要结构特点

通过公开招标和技术经济比较,最终选择偏心半球阀(采用金属硬密封)作为放水阀门,型号为DYQ940H-0.6-600,阀门公称通径DN600 mm,压力等级0.6 MPa。选择活塞式多功能控制阀作为流量调节阀,型号为DYHS94X4-0.6-700,公称通径DN700 mm,压力等级0.6 MPa。

2.2.1 偏心半球阀

偏心半球阀是我国引进国外技术研制生产的一种新型阀门产品,有软密封和硬密封两种密封型式。硬密封采用将不锈钢球冠固定在偏心曲轴上的结构,通过偏心曲轴旋转90°,实现阀门的开启和关闭(如图3)。

图3 偏心半球阀结构示意图

偏心半球阀采用偏心曲轴⑤,使得球冠④中心线与阀门流道中心线偏离一个偏心距,在阀门开启时,曲轴转过一个很小的角度,球冠就会离开阀座③,球冠和阀座不再接触,曲轴和球冠藏在阀体内不被水流冲刷；反之,在阀门关闭过程中,只有在关闭瞬间,球冠才和阀座接触。同时在阀座上加入了独特的凸台设计,有效地保护了阀座。这种结构使得球冠和阀座得到充分的保护,最大限度地减少了磨损,延长了阀门的使用寿命。

偏心半球阀独特、合理的结构,同其他阀种相比,具有结构先进、水头损失小、密封可靠、过流能力强、耐泥沙磨损、启闭迅速、使用寿命长、造价低(与常规球阀比较)、易于检修等突出特点。

为确保阀门的高可靠性和长寿命,偏心半球阀的阀体②、阀盖①和偏心轴⑤均采用QT450-10球墨铸铁；球冠④采用不锈钢1Cr18Ni9；密封组件采用密封性好、耐高温老化的丁腈橡胶；轴承采用铝青铜；连接紧固件选用不锈钢标准件。

阀门的操作机构和驱动电机具有良好的防潮性能,并能在潮湿环境下长期可靠运行。

2.2.2 活塞式多功能控制阀

活塞式多功能控制阀是我国引进国外技术研制生产一种新型的调节阀类产品,根据其结构不同,可分为扇叶式和鼠笼式两种。根据龙潭工程的使用条件,选择扇叶式。主阀体为内、外圆筒式结构；调节结构是曲柄②、滑块机构,滑块为圆筒形的活塞⑤；活塞前端连接扇叶圈⑥,可在内圆筒里由导轨④引导,沿管路做轴向位移,改变流道通过面积,以实现流量的控制调节,具有线性调节性能。

水流进入阀体后,被扇叶均分为许多股小流做螺旋运动,阀体及邻近管道的周边水流被迫改变流向,这样,空化产生的气泡被限制在流道中央,即使气泡破裂,也不会对管道和阀门内壁产生气蚀破坏(见图4)。因水流在流线型阀体内无紊流现象,故阀门运行稳定、振动小。

图4 活塞式多功能控制阀结构示意图

与传统调节阀相比,活塞式多功能控制阀更符合水流控制特点,整体结构设计技术更先进、功能更全面、控制特性更完善。具有流量调节性能好、运行振动小、抗气蚀能力强、使用寿命长的显著优点,并有利于实现自动控制。

阀体①选用QT450-10球墨铸铁；所有的运动件、连接件如扇叶圈⑥、活塞⑤、曲柄②、连杆③等选用1Cr18Ni9不锈钢；阀内密封件为进口专用橡胶密封件,密封性能好,耐磨损,寿命长。

电气控制部分的CPU采用进口可编程控制器；执行部分为进口新一代智能型电动执行机构,其工作电源为AC380V、50Hz,防护等级为IP68,该机构采用固态继电器控制电机,适于频繁调节(1 200次/h),并带有惯性制动功能,阀位输出信号为DC 4～20 mA。

2.3 控制系统设计

由于采用了阀门放水方案,简化了设备运行条件,为水库采用 “无人值班,少人值守”的运行方式创造了条件。只需增加简单的监测、控制设备和很少设备投资,即可极大地优化运行管理,降低运行成本。

监控系统主要是对坝前水库水位、输水前池水位、放水流量进行监测,同时对各放水阀、流量调节阀、除湿风机的运行状态进行自动控制和监视,可实现水库放水自动运行,并自动生成各种运行和统计报表。监控系统还可与今后水处理厂监控系统进行信息交换,接受水处理厂的远方调度指令。

监控系统包括控制台1面,A3打印机1台。另外还包括完成上述功能要求所需配置的自动化元件(包括流量变送器、水位变送器、压力变送器、阀位开关、压力表等),系统内的控制电缆、信号传输电缆。

3 结 语

与常规阀门相比,新型阀门最大的优势在其从结构上解决了常规阀门的不足,可满足在高流速、含泥沙情况下的长期运行,具有较高的可靠性。龙潭工程通过选用新型阀门放水系统,简化了水工建筑结构,节省了工程投资近80万元。同时大大提高了放水系统工作可靠性。采用监控系统后,可实现 “无人值班,少人值守”的运行模式,优化了运行管理,节省了运行费用。2008年10月,水库蓄水后,放水系统进行了多次充水调试和试运行,阀门设备和控制系统运行正常,达到了设计要求。

实践证明,新型阀门在龙潭工程水库放水系统中的运用是成功的,可以在其他类似工程中运用。目前,偏心半球阀和活塞式多功能控制阀最高使用水压可达到6.4 MPa,使用水头越高,技术优势越明显,具有较高的推广价值和广泛的运用前景。