浅议王圪堵水库输水工程末端调节阀的选型

张爱玲

（陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西 西安 710001）

1 工程概况

王圪堵水库输水工程位于榆林市榆阳区和横山县境内,地处陕北黄土高原北部，毛乌素沙漠南缘。取水水源为横山县城关镇境内的王圪堵水库，用户为榆横工业园区。

输水工程起点接王圪堵水库坝后电站尾水池，在尾水池处设2道进水闸取水，输水线路跨越无定河后，沿无定河左岸向下游行进5.62km，到达曹家沟沟口下游的加压泵站；泵站厂区内布置有6台水泵电动机组，经加压泵站加压后，输水线路从无定河漫滩爬坡上升至沙梁梁顶，从G5点开始输水线路转向东北方向，穿越硬地梁沟、付鲍公路后到达输水线路最高点BG7-1（归化桩号8+739.24，设有高位水池），该段输水线路长度8.92km；高点之后输水线路继续向东北方向行进，沿途穿越沙界沟、二石磕沟、沙河沟、铁路等交叉建筑物后，终点到达榆横工业园区水厂，该段输水线路长度14.09km。输水线路总长度28.64km。

本供水工程为Ⅱ等大（2）型工程，主要建筑物级别为2级，设计流量4.90m3/s。工程由取水口进水闸、重力流引水管线、加压泵站、加压输水管线、高位水池、交叉建筑物、运行维护道路等附属设施组成。为了提高输水工程的安全性，本工程输水线路为双管道输水；管径高位水池以前为DN1600，高位水池以后为DN1400，末端变为DN1000；管道材料高位水池以前有预应力钢筒混凝土管、钢管、球磨铸铁管，高位水池以后除过沙界沟和沙河沟2处较大过沟段为钢管，其余基本为预应力钢筒混凝土管。

输水方式为压力输水，其中前段和后段为有压重力输水、中段为加压输水。

2 工程运行工况及水力计算

2.1 工程运行工况

根据工业园区发展情况，工程运行分为正常运行工况、初期运行工况和事故运行工况三种。

（1）正常运行工况：4台大泵同时抽水，两条管道同时输水，设计规模40万m3/d；

（2）初期运行工况；1台小泵抽水，一条管道输水，最小设计规模5万m3/d；

事故运行工况：3台大泵抽水，一条管道由连通阀分隔的某区间发生事故不能输水，其余区间两条管道同时输水,设计规模不小于28万m3/d。

经选型方案比较，加压泵站机组选型采用5大1小共6台单机双吸卧式离心泵机组方案，具体到经常实用的运行工况主要有：（1）单机单管小机组流量运行工况；（2）单机单管大机组流量运行工况；（3）双机单管大机组流量运行工况。各工况下水泵参数见下表。

2.2 水力计算

取水口至水厂设计纵断面如上图，工程特征水位如下表。输水工程和水厂分界点为水厂围墙外1m，该处管道中心线高程1122.12m，进厂前管路上安装有流量计、调流调压阀，阀门后管道出水送至厂内配水井。输水工程特征水位如下表2。

水力损失计算计算公式采用《室外给水设计规范》（GB50013-2006）推荐公式

式中：i——管道单位长度的水头损失（水力坡降）；

q——设计流量（m3/s）；

dj——管道计算内径（m）；

Ch——海曾—威廉系数，本设计取120。

经计算，不同流量工况下末端阀门前后的损失水头、剩余水头见下表3。

由水力计算结果可以看出，由于输水线路较长，在机组流量变化情况下，输水线路水力损失差异较大，小流量下末端阀门剩余水头较多，若不采取流量调节措施，将会导致实际过流量大而引起高位水池水位波动，继而引起水泵机组运行不稳定、管道局部压力流和无压流交替出现等现象，这是工程安全所不能允许的，因此必须设置末端调节阀门。

3 末端阀门选型要求

末端阀门必须具有如下功能：

（1）调流

在机组高效区运行范围内，输水流量尽量与用户用水接近，当来流量大时，阀门应具有调流作用。

输水管线纵断面示意图

表1 水泵工作点计算成果表

表2 输水工程特征水位

表3 末端阀门前后水头特性表

（2）调压

无论阀前压力如何变化，阀后压力基本稳定，阀门应具有调压作用。

（3）启闭灵活

通过信号的反馈达到全开、全关、任意开度的多阶段关闭方式，并且反应灵敏，水力损失小。

（4）结构平滑顺畅，避免因流道结构变化造成的水流紊乱而产生振动、噪声和气蚀。

（5）运行管理方便，安全可靠。

4 初步选型方案

4.1 常用调节阀特性

具有调节作用的阀门有蝶阀、活塞式调节阀、套筒式调节阀等，它们各有其结构功能和特点。

（1）蝶阀

蝶阀通过阀杆转动控制其开度，可以适当的调节流量。用于调流调压的蝶阀通常在普通阀板上安装整流片以分散水流，其开度范围一般控制在30%以上。该阀门由于控制精度不高，仅适用于调节效果要求不高的场合，生产厂家较多。

（2）活塞式调节阀

该阀也叫针阀，通过类似活塞状的圆柱体在阀腔内做轴向移动来实现对水流的调节。无论活塞在任何位置，阀腔内水流的断面均为环状，并在出口处向轴心

收缩，从而避免因节流而可能产生的气蚀对阀体和管道的破坏。生产厂家有德国VAG公司、德国Erhard公司、我国铁岭阀门厂等。

（3）套筒式调节阀

也称网孔式调节阀，该阀内部过流部件是四周布有锥孔的喷管，外部是可以前后移动的套筒，通过套筒的轴向前后移动，喷管上锥孔露出的多少随之改变，随着过流面积的增加或减少，达到调节目的。由于水是通过喷管四周均匀向内喷射并碰撞后流出阀外，因此消能效果好，但喷管材质以及锥孔的加工要求较高、对水质的要求也较高。生产厂家有美国CMB Industries公司、美国Watts公司、美国亨利普安公司、日本栗本铁工所、我国上海冠龙阀门公司、长沙阀门厂等。

4.2 适用本工程的调节阀

任何一种形式、规格的阀门都不是万能的，它只能适应一定的工况，而且调节精度越高的阀门其造价越高，对于每一个工程，选择最适宜的阀门是我们的设计宗旨。阀门选型时，从节省资金的角度出发，首先应考虑普通阀，其次再考虑特制阀。判定阀门是否适用的首要判据是汽蚀性能，其次还有振动、噪音等。

（1）汽蚀性能

判定阀门在管路中的汽蚀性能如何，一般根据汽蚀系数判定，若汽蚀系数大于所选阀门的允许汽蚀系数δκ，表明阀门不会产生汽蚀；相反，则可能产生汽蚀。汽蚀计算公式 δ=（H1+H）/△P

其中H——大气压与其温度相对应的饱和蒸汽压力之差，10m；

H1——阀后压力，m；

△P——阀门前后压力差，m。

单台小泵、单台大泵、双台大泵运行工况下，计算得到汽蚀系数分别为0.7、0.9、12.5。而一般公认的蝶阀、活塞阀、套筒阀的允许汽蚀系数分别为2.5、0.21、0.19。

可以看出，若采用蝶阀，只有在双泵并联运行（正常运行）工况下，不会产生汽蚀，而其他工况下汽蚀系数远小于蝶阀允许汽蚀系数，换句话说会产生严重汽蚀。因此，蝶阀不能用于本工程，而活塞阀和套筒阀均可选用。

（2）振动情况

从活塞式和套筒式调节阀的结构特点可以看出，2种阀门在过流时都是径向荷载均匀分布，所以受力是平衡的，不会产生大的震动或噪声。

5 进一步分析及选型结论

无论是活塞阀还是套筒阀，在整个运行过程中，其调节特性为线性调节，即流量与阀门开度成线性比例关系，两者均是性能优良的高精度调节阀门，价格差别不大。详细比较，活塞式阀具有多种出口形式，还可根据结构的长短和开孔的疏密，集各种出口形式的结合，进而创造出多种出口形式，满足多种特殊条件下的工况要求，而套筒阀只有一种出口形式，而且特别适用于高压差的消能型出口；再之，套筒阀的锥孔相对密而小，容易被杂质堵塞，所以它对水质的要求比较高，而本工程输送的是水库原水，虽然前面设有拦污栅，也难免有污物带入；第三，进一步对比DN1000口径的活塞阀、套筒阀外形尺寸（活塞阀外形尺寸为1500mm×1700mm，套筒阀为2540mm×1990mm），活塞阀体积相对较小，占用空间小。因此，综合分析本工程选用活塞式调节阀。

6 结语

该工程实施中，通过招标竞标程序，采购了德国VAG公司生产的活塞式调流调压阀，工程已经于2013年试通水运行，阀门的各种指标满足设计要求。

具有调流作用又有调压作用的调节阀是一种技术先进、价格较高的调节阀，通过本工程的选型可以看出，工程的运用要求是设计的基本依据，掌握各种阀门的功能特性是必要条件，详细的参数分析是选型关键。陕西水利

[1]杨纪伟.管路流量的阀调节特性分析[J].水道港口.1994。

[2]杨源泉.阀门设计手册[M].机械工业出版社.1992。