減壓閥在長距離重力流管道輸水工程中的應用

徐 燕

(新疆水利水電規劃設計管理局，烏魯木齊 830000)

流動力學，主要從事的研究工作有防洪工程、長距離管道輸水工程、電站工程及水庫工程等。E-mail：375524056@qq.com。

1 概 述

近年來，為進一步優化配置水資源，促進社會經濟的快速發展，長距離重力流管道輸水工程項目越來越受到人們的重視，其具有蒸發滲漏損失小、環保、水質不易污染等特點，但其運行工況要比明渠輸水復雜很多，落差大、管線長、運行工況多，關閥調控流量操作等問題都是在實際運行中需要研究注意的問題，如操作不當或設計管線存在問題都會產生嚴重的水錘爆管問題，造成巨大的經濟損失。因此，在工程設計和運行管理階段，應結合工程的管線長度及落差，分析是否需要采取調流、減壓措施，以降低管道的承壓等級，降低造價。本文結合某長距離輸水工程的設計特點，對減壓問題進行分析論證。

2 有壓重力輸水管道中消能減壓技術分析

有壓重力輸水需要消減富余能量的情況主要有3種，分別為①可利用水頭過大，設計選擇的管徑小時，造成管道中流速超過水錘計算所確定的最大流速；②管道起始端水位變幅較大；③管道處于小流量運行時，輸水管水頭損失小，造成下游的剩余水頭富裕。

如何消減剩余水頭是重力流輸水中的重要問題，與工程投資大小直接相關。管道是否需要減壓，主要取決于輸水管網的總落差、管道的承壓能力(承壓能力越低，需要設置的減壓級數越多)[1]。作為工程設計者，要綜合考慮，設置合理的減壓級數，降低工程的投資，保證管道運行安全。

2.1 減壓閥設置方式

根據減壓原理和結構型式的不同，減壓閥可分為可調式減壓閥、比例式減壓閥及調流減壓閥。區別為：①可調式減壓閥的出口壓力在一定范圍可調，并能夠保持閥后壓力穩定不變；②比例式減壓閥的出口壓力是隨著進口壓力的變化而同時變化，并且閥后壓力不可調整，只是同閥前壓力保持固定比值；③調節閥即可調節流量，又可調節閥后壓力。工程中常用的調節閥結構型式一般有活塞式調節閥、環噴式調節閥、網孔套筒式調節閥等。調節閥的調節精度高，氣蝕、噪音和振動小，消能范圍廣，能適應上游壓力的不斷變化，有理想的流量～開度曲線，便于實現自動控制等優點[3]。

根據《城鎮供水長距離輸水管(渠)道工程技術規程》條文說明3.2.5中的解釋，了解到當可利用水頭過大，管中流速超過3 m/s或超過水錘計算所確定的最大流速或低于設計流量運行，輸水管下游管道因壓力增加較多，不利于安全輸水時，減壓裝置常設置在輸水管的中下游[2]。當起端(如水庫等)水位變幅較大時，常將減壓裝置設在輸水管的中上游。

減壓閥布置位置，應考慮其所在位置的上下游管道的最大壓力滿足管道運行的工作壓力，并適當地留一些安全系數；保證減壓后，閥后的最小壓力水頭能將水輸送至管道末尾，滿足管道最小水力坡度線的要求；保證閥前后壓力波動較小[4]。

2.2 減壓閥口徑及配套設施的選擇

(1)減壓閥口徑選擇。根據《城鎮供水長距離輸水管(渠)道工程技術規程》中5.3.3中的要求，重力輸水管道上使用的減壓閥，應具有當進口壓力和流量在設計范圍內變化時，出口壓力基本恒定不變的性能；當公稱管徑DN≥600 mm時，還應具有保證閥芯不震顫的措施[3]。減壓閥設計中，其口徑不應簡單地與管道的直徑一致，也不應選擇過大的閥門直徑，合理的直徑應通過計算閥門的流量系數及閥門開度值分析確定，一般情況下，應保證閥門正常工作時最大開度不大于90%，最小開度不低于10%，以減小閥門的氣蝕破壞，并防止閥門開度過小導致閥芯劇烈震顫。

(2)減壓閥配套設施選擇。減壓閥運行工況復雜，為防止卡堵閥門的現象發生，應在閥前設置防堵塞的攔污柵；并在減壓閥前后安裝檢修閥，以調流為主的調節閥應配套安裝流量計，用流量信號調節閥門的開度。并應在閥后安裝空氣閥，以減少氣蝕發生。

2.3 減壓閥后的關閥水錘分析

《城鎮供水長距離輸水管(渠)道工程技術規程》中5.3.3中提到當重力流輸水干管的總作用水頭超過0.4 MPa時，應根據管道水錘防護需要、管道防漏、低流量運行時的消能等因素考慮是否設置減壓閥[2]。減壓閥在系統中可消減大部分的富余水頭，減小管道出口的壓力。設置減壓閥后，減壓閥后管道末端的靜水壓力將會遠遠小于設置減壓閥前的管道末端的靜水壓力。

以可調式減壓閥進行關閥水錘分析。末端關閥速度需要進行水錘分析計算，研究末端閥門的關閉時間與壓力波傳導至減壓閥處的時間的關系，確保減壓閥可以正常關閉，防止管道出現減壓閥失效，造成管道末端出現超靜壓現象，或造成管道爆管。末端閥門在關閉過程中，隨著閥門開度不斷減小，壓力會不斷上升，向上游傳播，當減壓閥彈簧導閥感應到壓力，且壓力高于設定壓力時，導閥開啟，水流進入主閥隔膜腔，減壓閥開始關閉，這時閥前壓力會隨之上升，閥后保持壓力不變，促使閥門開度減小，直到末端閥門完全關閉，減壓閥隨之同步關閉[4]。

可調式減壓閥由主閥、導閥、針閥、球閥、微型過濾器和壓力表組成，目前最大閥徑可達到DN1000。

可調式減壓閥工作特點是：當調定出口壓力后，能自動保持穩定出口壓力。利用導閥自力控制，不需要其他裝置和能源，保養簡便。壓力控制準確度高，出口壓力不受進口壓力及流量變化的影響，減壓可靠，調整操作方便，調節導閥彈簧即可設定出口壓力。

3 應用實例

3.1 工程概況

某供水工程管線總長122.8 km，水源為某凈水廠，利用已經建好的庫爾干捷帕37 km的雙管線供水，從庫爾干捷帕末點接本次建設的供水管道，總供水流量為2.472 m3/s。首尾最大落差179.67 m，沿線地形最大落差188.62 m，采用玻璃鋼管輸水。供水方式為先重力流輸水，后揚水方式，其中重力流輸水段，管線長度為92.7 km，供水流量2.472～0.938 m3/s，管徑1 400～800 mm，末端設置2個5 000 m3的調節水池，調節池后采用揚水方案進行輸水，A線方案管線長度13.4 km，供水流量0.444 m3/s，管徑800 mm，B線方案管線長度16.7 km，供水流量0.356 m3/s，管徑800 mm。

本文僅對重力流段進行分析研究。

重力流輸水段，原設計在樁號0+056.2～5+531段已經有1條DN1200的玻璃鋼管輸水管線，設計流量為1.839 m3/s，本次再增加1條DN800的玻璃鋼管輸水管線，設計流量0.633 m3/s，在樁號5+531處將兩條管線合并為1條DN1400管線，其中樁號5+531～16+000段，管徑為DN1400；樁號16+000～92+720段，管道直徑DN1000[4]。管道沿線共有17個分水口，總分水流量為1.534 m3/s，其中分水最大的位置在樁號15+997處，分水流量為1.095 m3/s，其余分水口的分水流量為0.005～0.15 m3/s。主干管承壓等級分別是：樁號0+056.2～9+400段為0.6 MPa，樁號9+400～20+000段為1.0 MPa，樁號20+000～53+265段為1.6 MPa，樁號53+265～92+720段為1.0 MPa。

原設計重力輸水段管道沿線設置主管檢修閥21處、放空閥72個、進排氣閥66個、超壓泄壓閥4處(樁號分別在27+500、39+557.6、44+488、59+385)、超聲波捆綁式流量計2個(樁號0+056.2、16+010)。

通過對原設計進行復核，我們得到了正常運行及最大靜壓的壓力水頭線，見圖1。

圖1 重力輸水段正常運行動壓水頭線及最大靜壓壓力水頭線(單位：m)Fig.1 Pressure Head Curve of Gravitational Flow Water Transport

從圖1中可以看出，在靜水壓力下，管道沿線最大落差180.66 m，管道末端的最大靜水壓力為185.32 m，管線中、后段的壓力值均遠遠超過了所選管道的承壓等級，管道沿線需增設減壓設施[4]。

原設計在管道沿線設置了4處超壓泄壓閥，其工作原理是當管道的壓力超過設定的工作壓力時，閥門打開向外泄水，泄除管道一部分水量后，使管道壓力恢復正常；其他工況閥門處于關閉狀態；超壓泄壓閥不能布置在主管道上，只能旁通布置，在正常運行工況下，管道的壓力不會被消減。

從管道的運行情況看，管道運行初期及后期，小流量運行是經常發生的常見工況，當管道發生小流量運行時，僅設超壓泄壓閥，讓管道內的水壓不超過管道允許承受的壓力，只能以泄除管道內的水來減壓控制管道的壓力，這樣對水資源浪費較大，也使管道沿線經常發生水災，從環保方面也是不允許的。因此，利用超壓泄壓閥減壓為不可行方案。

3.2 減壓方案分析

該工程需要設置減壓措施，減壓級別的設置，需做方案比較，并盡量做到與原設計的管道承壓等級相符。

選擇一級減壓方案與兩級減壓方案進行比選，減壓閥均采用可調式減壓閥。減壓閥位置確定時，應考慮上下游的最大靜水頭，并要考慮下游駝峰處要滿足進排氣閥的壓力要求，盡量的減小管道的承壓等級，使上下游的承壓等級盡量接近，降低管道的投資水平。

(1)一級減壓方案。從圖1可以看出，樁號60+500處為駝峰的最高點，選取減壓閥位置時，要保證減壓后該處的進排氣閥的壓力要求，經過分析，將減壓閥布置在樁號27+500處，該位置將上游和下游的最大靜水壓力控制在113.5 m和119.66 m，使上下游承壓等級基本保持一致。由于主管直徑為DN1000，如果設置減壓閥直徑也取1 000，在小流量運行時，會造成閥門開度過小，引起閥后氣蝕和管道的氣蝕，并出現閥芯劇烈震顫，因此選擇在該處設置3臺DN600的穩壓減壓閥，以減小閥后的氣蝕和閥芯的劇烈震顫。樁號27+500處，管道輸水流量為1.237 m3/s(扣除沿線分水流量)，則單個減壓閥的設計流量為0.618 5 m3/s，流速為2.187 m/s，閥門工作壓力選1.6 MPa,設置減壓閥后下游樁號60+500處正常運行工況下，動水壓線距離管軸線最近點的水頭是10.11 m[4],此處高點設置防水錘空氣閥，保證空管充水時低壓高速排氣，負壓拉空時的高速吸氣，帶壓運行時微量排氣，才能有利于管道的安全。

一級減壓方案壓力線見圖2。

(2)兩級減壓方案。經過分析，將減壓閥分別布置在樁號25+500、62+500處，二級減壓方案壓力線見圖3。

由于樁號25+500、62+500處主管直徑均為DN1000，為避免在小流量運行時，會造成閥門開度過小，引起閥后氣蝕和管道的氣蝕，并出現閥芯劇烈震顫，因此在這兩處均設置2臺DN600的穩壓減壓閥，以減小閥后的氣蝕和閥芯的劇烈震顫。樁號25+500處，管道輸水流量為1.257 m3/s(扣除沿線分水流量)，則單個減壓閥的設計流量為0.628 5 m3/s，流速為2.223 m/s，閥門工作壓力選1.6 MPa；樁號62+500處，管道輸水流量為1.074 m3/s(扣除沿線分水流量)，則單個減壓閥的設計流量為0.537 m3/s，流速為1.899 m/s，閥門工作壓力選1.0 MPa。在樁號60+500處，動水圧水頭僅有12.12 m，此處高點設置防水錘空氣閥，保證空管充水時低壓高速排氣，負壓拉空時的高速吸氣，帶壓運行時微量排氣，才能有利于管道的安全。

(3)小結。從圖2、圖3我可以看出不同減壓方案減壓后的靜壓線和動壓線，先對靜壓線進行分析，見表1。

圖2 重力輸水段一級減壓方案壓力水頭線(單位：m)Fig.2 Pressure Head Curve of the One-Stage Pressure Reduction Plan for Gravitational Flow Water Transport

圖3 重力輸水段兩級減壓方案壓力水頭線(單位：m)Fig.3 Pressure Head Curve of the Two-Stage Pressure Reduction Plan for Gravitational Flow Water Transport

樁號27+500～53+265段61+000～64+000段64+000～92+720段一級減壓方案最大靜水壓水頭/m119．560～100100～121．59原設計公稱壓力/MPa1．61．01．0管道安全程度管道安全管道過渡段管道不安全樁號0+000～20+00020+000～25+50025+500～53+26553+265～62+50062+500～92+720兩級減壓方案最大靜水壓水頭/m81/98．86120．98/79．2363．24原設計公稱壓力/MPa1．0/1．61．6/1．01．0管道安全程度安全安全安全

從表1可以看出，一級減壓方案中樁號61+000～92+720段，長31.72 km的管道，需要將公稱壓力調整為1.6 MPa，現對玻璃鋼管直徑為DN1000的管道進行詢價，運距按1 000 km計算，公稱壓力為1.0 MPa的管道費用1455.3 元/m， 1.6 MPa的管道費用1 706.53 元/m，可計算出管材壓力提高后，費用增加了796.902 萬元。而1臺DN600的穩壓減壓閥采購價約40萬元左右(國外價)，兩臺共80萬元左右，因此從費用上比較，采用兩級減壓方案較為經濟，且原設計中管道的公稱壓力滿足設計要求。

3.3 水錘分析計算

3.3.1 穩態工況減壓閥運行情況

計算采用KYpipe2010水錘分析軟件，結合工程實際運行情況，一級穩壓減壓閥樁號為25+500，二級穩壓減壓閥樁號為62+500。正常運行工況下，發生氣蝕的可能較小，閥門較為安全。本文僅對小流量運行工況和極端小流量工況進行討論，通過對表2中2種運行工況的動水壓力水頭進行分析，發現2種工況的減壓閥閥前的壓力水頭是變化的，閥后壓力不變，這也就說明了可調式減壓閥的特點。隨著輸水流量的減小，重力輸水的水頭損失越小，減壓閥前后的壓力比值會越大，當減壓比大于1:3時，一般會出現氣蝕現象。小流量運行工況、極端小流量工況下，減壓閥的特征參數見表2。從表2可以看出二級減壓閥的減壓比分別是3.5、3.85，均超過了1:3，可能會出現氣蝕現象。

根據氣蝕計算公式：

(1)

式中：P2為閥后壓力；PV為9.8 m；△P為閥前閥后壓力差。

2種工況下的氣蝕系數，見表2。圖4反映閥體氣蝕的嚴重程度。從表2、圖4可以看出，在極端小流量運行工況下二級減壓閥處sigma(σ)= 0.52，介于輕微氣蝕與中度氣蝕的臨界區域，如果長期在此工況下運行，會對閥門和管道造成氣蝕破壞。考慮二級穩壓減壓閥的氣蝕問題，在此處并聯一個小口徑DN400的網孔套筒式調節閥(消能防氣蝕效果好)，防止氣蝕并消能減壓，只在小流量和極端小流量工況下運行，可保證閥門開度太小導致的劇烈震顫。

表2 穩態運行不同流量工況減壓閥特征參數表Tab.2 Specifications and Parameters of Pressure Reduction Valve under Steady State Operation with Different Flow Conditions

圖4 減壓閥后氣蝕程度圖Fig.4 Cavitation Erosion after the Pressure Reduction Valve

3.3.2 瞬態工況減壓閥運行情況

重力流末端關閥時間與減壓閥的關閉時間具有一定的關系，末端閥門開始關閉，其壓力波的傳導時間決定減壓閥開始關閉的時間，閥門的響應時間很短，可忽略不計[4]。末端閥門至第二級減壓閥距離為30.22 km，第二級減壓閥至第一級減壓閥距離為67.22 km，管材為玻璃鋼管。當末端閥門開始關閉時，壓力波傳至二級減壓閥處的時間約84 s，由二級減壓閥再傳導至一級減壓閥處的時間約182 s。這可以說明末端關閥和減壓閥的關閉存在一定的時間差。只有研究出末端關閥時間與傳導至減壓閥處的傳導時間之間的關系，才能保證管道運行安全。本文僅對大流量運行工況(所有支管全部投入運行)的關閥時間進行分析，末端閥門為電動蝶閥，分別對末端閥門60 s勻速關閉和185 s勻速關閉方案進行比較。圖5為末端閥門60 s勻速關閉水力參數包絡線，圖6為末端閥門185 s勻速關閉的水力參數包絡線。

圖5 末端閥門60 s勻速關閉水力參數包絡線Fig.5 Envelops of Hydraulic Parameters when the Pipeline End Valve Closes within 60 s at a Uniform Speed

圖6 末端閥門185 s勻速關閉水力參數包絡線Fig.6 Envelops of Hydraulic Parameters when the Pipeline End Valve Closes within 185 s at a Uniform Speed

從圖5中可以看出，末端閥門60 s勻速關閉時，一級、二級減壓閥均未正常關閉，減壓失效，管道靠中后部位超出設計的靜壓值較多；圖6可以看出，末端閥門185 s勻速關閉時，一級、二級減壓閥均正常關閉，達到了減壓的效果，通過減壓運行管道中只有極個別部位超出管道承壓能力。可采取防水錘設施滿足管道的承壓能力。通過計算，可以得出重力流管道末端關閥時間應大于到減壓閥處的壓力波的傳導時間，確保減壓閥正常關閉，達到減壓效果。

從圖6可以看出，管道局部位置有超壓和負壓存在，需設置防水錘設施，保證管道安全，對此本文不展開討論。

4 結 語

對地形落差比較大，不同運行工況下，富余水頭高的長距離輸水工程，應考慮管徑與水頭的關系，首先可考慮減小管徑，設置合理的減壓方案。通過穩態計算，分析減壓閥的減壓比及氣蝕系數，保證管道不發生氣蝕破壞；通過末端關閥水錘計算，分析關閥時間與減壓閥關閉之間的關系，保證末端閥門關閉的同時，減壓閥也同步關閉，起到真正意義上的減壓，防止出現減壓閥未關閉，造成超靜壓或爆管。如減壓后，仍有部分管道出現超壓或負壓問題，可設置水錘防護設施合理解決。

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[1] 辛亞娟. 長距離重力流輸水管道中防水錘技術分析 [J]. 山西建筑，2010,36(12):182-183.

[2] 城鎮供水長距離輸水管(渠)道工程技術規程[Z].CECS193-2005.

[3] 石建杰，龔應安，邱象玉.調節閥在長距離輸水工程消能調流中的應用 [J]. 水利水電技術，2015,46(11):101-105.

[4] 李 江,徐 燕,張金承. 長距離重力流輸水工程分級減壓設計優化與水錘防護分析[J].水利水電技術，2015,46(9):89-94.