活塞式调节阀参数选择研究

白万军

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

活塞式调节阀，又称针阀，最早由国外引进，主要应用于有较大消能要求的管道供水项目中。因其显著的消能能力、较好的抗气蚀性能、良好的运行稳定性及较高的控制精度，在近年来兴建的许多长距离重力流管道输水工程、水利枢纽等项目中得到了广泛应用[1- 4]。目前，我国有许多厂家已开始设计、制造活塞式调节阀。

活塞式调节阀具有优良的调节性能，结构较为复杂，价格也较高，因此，其参数选择是否合理不仅关系到供水的可靠性，也影响工程建设的经济性。目前，有许多学者对活塞式调节阀进行了研究，认为调节阀正常调节范围应为其开度的10%～90%；虞之日等[5]认为长距离重力流管道输水工程末端阀选用活塞式调节阀可有效降低水锤压力；李凤滨[6]认为当调节阀开度大于某一拐点时，流量系数Kv～开度τ之间关系线性度较好；在活塞式调节阀控制方面，金辉等[7]采用了PLC控制器，按PID闭环控制方式，实现了南水北调中线配套工程中管道流量、压力的自动控制。这些研究对工程设计阶段的选型关注较少，目前相关规范、导则或标准也欠缺，由此引起的调节阀选型问题日益突出，如：有些项目管路进口水压很低，但也设置了活塞式调节阀；不经计算，将活塞式调节阀公称直径简单等同于管径的情况较为普遍；不考虑供水可靠性要求，单管配单调节阀的情况也较为普遍；未经空蚀保证计算，直接将活塞式调节阀安装于管路的某一位置等等。

本文在总结甘肃境内有关项目应用情况基础上，通过分析活塞式调节阀的相关特性，提出活塞式调节阀参数选择的基本思路，以期对相关工程建设提供有益的参考和建议。

1 结构、工作原理及参数

1.1 结构及工作原理

活塞式调节阀主要由阀体、活塞、活塞导轨、曲柄、连杆、传动支架、阀杆、活塞连结架、密封、润滑铜套、出口部件、操作机构及控制系统等部分组成。其工作原理是：操作机构驱动阀杆旋转，带动曲柄、连杆机构运动，使活塞在导轨上沿轴向移动，对称地改变阀门的过流面积，达到调节流量和压力的目的。出口部件可使阀门出流具有特定形态，不同的出流形态水力损失显著不同，对应调节阀不同的消能能力。控制系统的作用是实现调节阀自动、远动操作，并可将出口压力或流量自动控制在整定范围之内。

1.2 基本参数

活塞式调节阀选型就是根据工程项目有关参数，通过必要的分析、计算，提出其基本参数，为下阶段设备采购提供依据。基本参数主要包括公称压力、公称直径、安装高程、出口型式、气蚀系数σ～开度τ特性曲线、流量系数Kv～开度τ特性曲线、驱动方式、控制方式及主要零部件结构和材质说明等。

2 调节阀选型

2.1 选型依据

活塞式调节阀应紧密结合项目特点并依据以下参数进行选型：

①安装位置(管线、管路出口、坝底等)。②使用目的(流量调节、消能、底部放空等)。③管道公称压力、公称直径。④调节阀特征工作压力及压差范围。⑤调节阀特征过阀流量；⑥调节阀装置气蚀系数。

2.2 公称压力选择

活塞式调节阀安装于输水管道，其承压能力应大于该处最大内水压力，并有适度安全余量[8]。对于重力流管道输水项目，调节阀承受稳态动水压力总是小于静水压力，但由于阀门操作等引起的动水压力可能会大于静水压力[9]。一般认为，公称压力安全余量不低于20%～30%最大内水压力(高压取低值)，或不低于0.2～0.5MPa。

2.3 公称直径选择

公称直径是反映调节阀过流能力的主要参数，也与其造价密切相关，因此，公称直径选择应在保证安全、可靠供水的前提下，使调节阀具有较小的公称直径。当调节阀开度一定时，其前后压差与流量关系符合孔口出流规律[10]，因此，活塞式调节阀的流量Q由下式计算：

(1)

式中，Kv—流量系数[11]，表示在某一开度、水温在5～30℃时调节阀进、出口压差为1bar时的过阀流量，m3/h；ΔP—调节阀进、出口压差，bar。

调节阀选型是在制造厂提供的流量系数Kv～开度τ、气蚀系数σ～开度τ等特性曲线基础上进行的。Kv、σ均与τ正相关，即在调节阀全开时有最大值。根据式(1)可知，对于一台确定的活塞式调节阀，其流量Q与其开度τ、进、出口压差ΔP正相关。开度τ可通过操作机构调节，而压差ΔP则由运行工况决定。在最小压差ΔPmin工况下，调节阀全开时的过流量为保证最大过流量，该工况往往用以选择公称直径；在最大压差ΔPmax工况下，当调节阀通过项目需要的最小流量时，调节阀将运行于最小开度，该工况往往用以校核公称直径。

对于以供水消能、调流为主的活塞式调节阀，公称直径可按以下步骤进行选择：

(1)根据调节阀上、下游水位及流量过程等实际运行工况，计算得到最小压差ΔPmin，结合项目明确的必需流量Qx，按式(1)计算出Kv值。

(2)根据制造厂提供的公称直径与全开状态流量系数的对应关系，在临近档内选取大于Kv计算值对应的几个公称直径作为初选值。

(3)经复核计算，满足以下要求的较小直径为应选公称直径：

①调节阀在最大压差ΔPmax、最小流量Qmin时其开度不低于10%。②调节阀在平均压差ΔPj、平均流量Qj时其开度宜在70%～90%间。③调节阀在最小压差ΔPmin、过阀必需流量Qx时其开度不大于90%。④调节阀在其前、后压力及相应压差范围内能安全、稳定、可靠运行及调节。

2.4 台数选择

随着技术进步和制造水平的提高，单台活塞式调节阀的过流量(直径)或消能能力会逐步增大，但一般不会超过某一限度，如目前生产的活塞式调节阀公称直径普遍小于3m，消能幅度一般不超过2.0MPa。另外，活塞式调节阀极易被污物堵塞，在水质不好时应考虑其清污、检修等对供水可靠性的影响[12]。因此，在项目设计阶段，可根据项目规模或消能幅度大小并结合供水可靠性要求选择并联或串联运行台数。

(1)并联运行台数选择

活塞式调节阀具有优良的调节性能，除在较小开度(小于10%)有死区外，在较大开度范围(10%以上)内均可稳定、可靠运行。因此，对调节阀可靠性要求不高、满足制造、运输及检修等条件时可设置一台。重要的供水项目对调节阀可靠性要求较高，应采用多台并联运行。

①对于单根管道供水工程可设两台，单台调节阀在最小压差时过阀流量不应低于管道设计流量的70%，采用同时工作，部分备用(热备用)的运行方式。②对于双管道供水工程可设三台，单台调节阀在最小压差时过阀流量不应低于项目设计流量的70%，采用同时工作，完全备用(热备用)的运行方式；③对于大流量管道供水工程，或供水流量较大的水库项目，应根据制造、运输、检修等条件选择四台或四台以上并联运行。基于活塞式调节阀优良的调节性能，多台调节阀并联于一根管道工作时，当其中一台或几台调节阀关闭时，管路系统损失减小，调节阀工作水头(压差)加大，其余工作的调节阀流量会加大甚至会超过设计流量，可能会使调节阀震动、气蚀、噪声加大，因此一般不专设备用调节阀，而是正常运行时各调节阀均参与工作，处于部分开度，即采用暗备用方式。

(2)串联运行台数选择

当项目有较大消能要求、选用一台调节阀难以满足消能要求时，可选择多台串联运行，以降低每台调节阀实际承担的消能幅度。串联运行台数应根据项目总消能幅度、单台消能能力、管线布置、运行要求等因素选择。

活塞式调节阀消能能力主要与其气蚀状况有关[13- 14]，当调节阀开度一定时，气蚀系数σ相应确定。调节阀装置气蚀系数σp由下式确定：

σp=(H2+HAT-Hd)/[(H1-H2)+V2/2g]

(2)

式中，H1—调节阀进口压力，m；H2—调节阀出口压力，m；HAT—当地大气压，m；Hd=0.23m，为20°时水气化压力；V—管道介质流速，m/s；g=9.81m/s2，为重力加速度。

上式中分母反映活塞式调节阀的消能能力。可见，活塞式调节阀的消能能力主要取决于其气蚀系数σ和出口绝对压力。当安装位置确定即出口绝对压力一定时，选用较小气蚀系数的调节阀可提高其消能幅度，而对一台确定的调节阀即气蚀系数σ一定时，加大其出口压力可提高其消能幅度。

在工程设计阶段，应优先选用具有较小气蚀系数σ的活塞式调节阀，以提高其消能能力，减少串联运行台数；当调节阀选定时，气蚀系数σ相应确定，若降低调节阀安装高程，即加大其出口淹没深度，可加大其出口绝对压力，相应会增加其消能幅度。

考虑到活塞式调节阀一般仅能削减动压，而不能削减静压(密封不能做到零泄露)，即其不能有效降低后续管道的设计压力，因此，串联运行的调节阀台数应尽可能少，并应分段布置在输水管道上。具体位置应通过计算确定，以确保调节阀出口工作压力大于气蚀允许值。

2.5 安装高程(位置)选择

就具体项目而言，活塞式调节阀安装高程影响其出口压力，从而影响调节阀气蚀状况。活塞式调节阀安装位置应保证其出口压力大于空蚀允许值，以保证在各种运行工况时不能产生超过容许的空蚀破坏。

对安装于管线末端淹没出流的活塞式调节阀，应分析调节阀开度(与σ对应)、压差及阀后水位最不利组合工况，并利用式(2)计算相应装置气蚀系数σp。当σp>σ时活塞式调节阀安装高程满足要求，否则应降低安装高程，以增加其出口压力，使σp>σ。

对安装于管线中间的活塞式调节阀，应分析调节阀开度(与σ对应)、压差及调节阀出口管道内水压力最不利组合工况，并利用式(2)计算相应装置气蚀系数σp。当σp>σ时调节阀后水压控制合理、可行，否则应减小后续管道设置的控制阀开度，或采取其它措施，以增加其出口管道内水压力，满足σp>σ。

当然，σp>σ是基本要求，在工程实践中，必须要有适度的安全余量。根据水质情况，气蚀安全系数一般可在1.1～1.3内选取。

2.6 出口型式选择

各类型活塞式调节阀总体结构基本相同，区别主要在于其出口型式不同，即出口部件不同。不同的出口部件具有不同的出流形态，其水力损失显著不同，即消能能力显著不同。目前，比较典型的出口型式有扇叶圈式、鼠笼式及网孔式等。

扇叶圈式出口型式就是在阀座环上均匀布置许多导流叶片，将水流均匀分成许多股小水流，导入不同路径，并引导其做螺旋运动，使空化气泡产生乃至向下游流动过程中的破裂一直被限制在管道中央，完全被水包围，一般不会对阀或管道产生气蚀破坏。由于导流叶片间距相对较大，水力损失主要产生于螺旋运动过程中，因而这种出口型式的消能幅度较小。

鼠笼式出口型式就是在调节阀出口安装条形节流孔部件，使鼠笼外围水流对称地通过条形节流孔向其圆周中心高速喷射，相互撞击，产生水力损失。这种出口型式也能使空化气泡的产生和破裂均处于水流中，一般不会对阀或管道产生气蚀破坏。由于高速水流相互撞击产生的水力损失较大，因而这种出口型式的消能幅度较大。

网孔式出口型式与鼠笼式类似，不同的是网孔式节流孔孔径更小，水力损失更大，因而这种出口型式的消能幅度更大。

除上述3种典型的出口型式外，生产厂家可根据消能幅度、过阀流量及抗气蚀性能等要求研发制造节流孔型式和孔径各不相同的多系列出口部件，以适应参数不同的各种项目。

2.7 操作及控制方式选择

(1)操作方式选择

活塞式调节阀操作方式，即驱动方式主要有手动、电动、液控、气动等。操作方式选择主要考虑操作力矩、调节的频繁程度、安装位置与环境、对自动调节的要求及开、关阀时间等因素。对公称直径小、工作水头(压差)和过阀流量较稳定的调节阀，宜选手动操作；对需自动控制、远动操作或操作力矩较大的调节阀，应根据安装位置、环境及电源等情况选用电动、液动或气动等操作方式。

(2)控制方式选择

控制方式分为开环控制与闭环控制。开环控制主要有现地手动操作、现地电手动控制及远动控制等，是一种阶段式调节方式，其调节频率不高；而闭环控制则由控制器、操作机构、自动化元件(流量、压力)等组成闭环控制系统，可将过阀流量或阀后压力自动控制在整定范围之内，是一种持续性调节方式，其调节频率很高。

对公称直径小、工作水头(压差)和过阀流量较稳定的调节阀，采用手动操作即可满足要求；对公称直径较大但工作水头(压差)和过阀流量较稳定的调节阀，根据其操作力矩大但调节频率不高的特点，可选用现地电手动或远方手动控制操作机构(电动或液动等)；当需将过阀流量或阀后压力自动控制在整定范围之内时，应选闭环控制方式。

3 结语

活塞式调节阀的主要功能是消除富余水能及准确控制流量，要使其在项目中充分发挥该功能，必须合理选择其参数。公称压力应按静态或动态最大压力选择；公称直径应根据制造厂提供的Kv、σ等参数经计算确定，并应在保证安全、可靠供水前提下，使调节阀具有较小的公称直径；并联或串联台数应根据工程规模或单台调节阀消能能力并结合供水可靠性要求选择；出口型式由消能幅度决定，并可根据项目具体参数进行个性化设计、制造；操作与控制方式应根据操作力矩、调节频率、安装位置与环境等因素确定；安装位置应保证其出口压力大于空蚀允许值。