流量控制阀在供水系统中的应用

赵文喜

（中国葛洲坝集团国际工程有限公司，北京，100025）

0 前言

科威特苏比亚配水工程C1标是科威特苏比亚配水工程四个标段中最大、最复杂的核心项目，主要包括3座（共6座）25万m3水池、布置6台（共9台）1 650 kW清水泵的加压泵站、布置2台4 500 kW发电机的备用发电机房以及加氯间、混合间等项目，是中国葛洲坝集团在科威特承接的第一项工程，也是当时中国公司在科威特承建的最大的EPC合同项目，主要合同内容为C1标工程合同项目的供货、设计和施工等。国内类似项目进行分期建设时一般采用各阶段相对独立的设计理念，阶段工程可独立运行，阶段项目间只是有限的连通和互补，基本不会采用配置流量控制阀的方法来保证各阶段项目的实施和运行操作。

1 项目主要供水设备的布置和要求

1.1 流量控制阀

泵站的流量控制阀将分别安装在4条压力输水管上的11A阀室内。为保证泵出水端压力的稳定，要求流量控制阀能控制和稳定管道内的水流流速，调节输出水流的流量和压力，并要求所选用的流量控制阀门在最不利的条件下无气蚀发生。

图1 科威特Subiya供水系统（C1标）示意图Fig.1 C1 section of Subiya water distribution system in Kuwait

流量控制阀应具备要求的流量控制特征，供水系统在全部或部分运行的情况下，通过流量控制阀的调节可以保证系统持续稳定运转而不造成振动或气蚀损伤。规范要求对所安装的流量控制阀都要列出包括水头损失和阀孔的气蚀特征等在内的详细资料，列出流量控制阀孔全波段的临界气蚀指数，并通过水力计算，验证所选的流量控制阀适应运行条件，满足系统运行要求。

1.2 水泵机组

1.2.1 功能要求

一期项目合同中规定安装的水泵机组为6台套，正常运行状况下为4用2备，从Subiya泵站送出来的水将由两条（一期）54 km长的DN1200球墨铸铁管道将水送入139.15 masl（海拔高程）的Mutla High配水系统的蓄水池；项目二期安装9台套水泵机组，正常运行状况下为6用3备，3条输水管线（一期2条，二期1条）运行。在特殊情况下，7台水泵运行，将水送入3条输水管道，最大流量达6.46 m3/s。

1.2.2 水泵运行工况点基本要求

规范要求承包商提供的每台泵机必须符合以下的工况点要求：170 m扬程时对应流量0.95 m3/s，122 m扬程时对应流量1.33 m3/s。

以上所给出的水泵工况点水头不包括泵站损失和流量控制阀的损失等，承包商在选择水泵机组时，应充分考虑并计算这些损失。

1.2.3 对水泵机组有效气蚀余量NPSHa的要求

规范要求承包商应计算各种操作环境下可能出现的NPSHa，NPSHa计算应按照吸水管道的Ks（摩擦系数）最小值0.03，最大值0.15，水温50℃，只有一个供水主管供水的情况。计算的NPSHa必须大于必需汽蚀余量NPSHr至少2.0 m。

1.3 设备选择情况

经过反复的经济技术比较和提交沟通，最终选择了日本EABRA的CDM700×400型水泵和英国GLENFIELD的Fig1400 系列DN1000流量控制阀，获得了业主和工程师的认可。

2 水泵选型计算

2.1 水泵气蚀余量计算

为保证规范要求的水泵工况点要求，首先对泵供水管路的水头损失和有效气蚀余量NPSHa进行计算校核。根据项目供水设备初步选型，计算采用日本EABRA水泵厂家的CDM700×400型水泵的技术数据，结合规范要求的最不利的水力条件，也是水池的出口至泵站水泵进口之间的泵供水管的最不利条件：

（1）系统供水流量为6.46 m3/s；

（2）泵供水管：一条DN1600吸水管线满载运行，另外一条DN1600吸水管线关闭；

（3）水池水位：取水池最低水位海拔高程67 m；

（4）吸水管路的摩擦系数Ks均取0.15。

水头损失计算公式为：水头损失hf2＝hf1×(Q2/Q1)2，其中：Q1、hf1与Q2、hf2分别为不同流量及其对应的水头损失。

气蚀余量的计算公式为：NPSHa=(当地大气压-蒸汽压力)+(水池水位-泵轴高程)-水头损失。

计算结果详见表1及图2、图3，其中NPSHr为EABRA水泵厂家提供的数据，水温为50℃，蒸汽压力为1.257m，水池水位67m，泵轴高程59m。

表1 系统运行有效气蚀余量点计算Table 1 Hydraulic calculation of NPSHa

图2 系统气蚀余量（NPSHa）Fig.2 NPSHa of the system

图3 各工况下的NPSHa和NPSHrFig.3 NPSHa and NPSHr under each condition

从表1和图3可以看出，当系统只运行两台水泵时，NPSHr远小于NPSHa，水泵在正常工况范围内运行不会发生气蚀；当系统的7台水泵全部运行时，系统气蚀发生的临界点为单台泵流量1.18 m3/s，NPSHa比NPSHr大2 m的情况下，单台水泵流量为1.10 m3/s；系统设计最大流量为6.46m3/s，即单台水泵流量为0.923m3/s，小于1.10m3/s，故无气蚀发生。

2.2 水泵工况点水力计算

项目规范要求的水泵工况范围为：170 m水头、0.95 m3/s和122 m水头、1.33 m3/s，没有系统的水头损失，在水力计算中主要考虑的是泵站损失和流量控制阀的水头损失。

根据分析，水泵工况点的水力计算是按照以下方式进行：（1）水力计算同时考虑二期工程管线的运行状况，即分别考虑1条输水管运行、2条输水管运行及3条输水管运行（二期）；（2）分别计算每种状况的最不利点；（3）水力计算考虑流量控制阀、三通、异径管等局部水头损失；（4）管道光滑状态下摩擦系数取Ks＝0.03，粗糙状态下摩擦系数取Ks=0.15。

水泵工况点水力计算结果详见表2、表3。从表中计算结果可以确定：当单泵流量为0.95 m3/s时，最大泵站水头损失为1.248 m，流量控制阀（全部开启）水头损失为2.019 m，流量控制阀连接大小头水头的损失为0.087 m。水泵的工况范围为：流量Q为0.95 m3/s时，扬程H为170+1.248+2.019+0.087＝173.35 m。当单泵流量为1.33 m3/s时，最大泵站水头损失为2.196 m，流量控制阀（全部开启）水头损失为3.956m，流量控制阀连接大小头水头损失为0.170 m。水泵的工况范围为：流量Q为1.33 m3/s时，扬程H为122+2.196+3.956+0.170＝128.32 m。

考虑富裕水头和水泵的实际工效后，最终确定水泵的运行工况点为：当流量Q为0.95 m3/s时，扬程H为176 m；当流量Q为1.33 m3/s时，扬程H为132 m。

3 流量控制阀运行控制分析

根据泵厂家资料要求，单台水泵的最大流量不能超过Q=1.39m3/s，流量控制阀的作用主要是为了限制泵送入输水管道系统的最大流量不超过1.39m3/s。

流量控制阀水力计算详见表4及图4。根据图4的系统曲线和水泵曲线显示，在1台泵输送水、1条输水管线运行的条件下，流量控制阀的最小水头损失为38 m，即：当单泵流量为1.39 m3/s时，流量控制阀水头损失应达到38 m；在1台泵输送水、2条输水管线运行的条件下，流量控制阀的最小水头损失为60 m，即：当单泵流量为1.39 m3/s时，流量控制阀的水头损失应达到60 m。参照阀门厂家提供的资料，可以确定对应的流量控制阀的阀板行程分别为29%和23%。再结合阀门厂家提供的Fig1400 系列

流量控制阀的气蚀曲线，可以校核流量控制阀在上述条件下运行是否会发生气蚀。

表2 泵站水力计算(Q=1.9 m3/s)Table 2 Hydraulic calculation of pumping station(Q=1.9 m3/s)

表3 泵站水力计算(Q=2.66 m3/s)Table 3 Hydraulic calculation of pumping station(Q=2.66 m3/s)

表4 流量控制阀水力计算Table 4 Hydraulic calculation of flow control valve

图4 系统曲线示水泵曲线Fig.4 Curve of the system and the pump

流量控制阀上游水头为:水泵提升水头132 m（流量为1.33 m3/s），流量控制阀下游水头为Mut⁃la高位水池水位（139.15 m）与流量控制阀高程（59 m）的差值，即80.15 m，大于60 m，对照厂家提供的气蚀曲线也可以看出，在该工况点运行时不会发生气蚀。

4 结语

系统设备选型的水力计算表明，一期供水系统正常运行时，即2台水泵结合1条输水管线或4台水泵结合2条输水管线运行，水泵在正常工况点运行，对应管线上的流量控制阀的闸板是全部开启的，流量控制阀的系统损失也是在闸板全部开启时的水头损失，对系统的影响也是有限的。但在非正常运行环境下，流量控制阀对保证水泵正常运转、控制系统稳定运行起了非常关键的作用。