活塞式調節閥參數選擇研究

白萬軍

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

活塞式調節閥，又稱針閥，最早由國外引進，主要應用于有較大消能要求的管道供水項目中。因其顯著的消能能力、較好的抗氣蝕性能、良好的運行穩定性及較高的控制精度，在近年來興建的許多長距離重力流管道輸水工程、水利樞紐等項目中得到了廣泛應用[1- 4]。目前，我國有許多廠家已開始設計、制造活塞式調節閥。

活塞式調節閥具有優良的調節性能，結構較為復雜，價格也較高，因此，其參數選擇是否合理不僅關系到供水的可靠性，也影響工程建設的經濟性。目前，有許多學者對活塞式調節閥進行了研究，認為調節閥正常調節范圍應為其開度的10%～90%；虞之日等[5]認為長距離重力流管道輸水工程末端閥選用活塞式調節閥可有效降低水錘壓力；李鳳濱[6]認為當調節閥開度大于某一拐點時，流量系數Kv～開度τ之間關系線性度較好；在活塞式調節閥控制方面，金輝等[7]采用了PLC控制器，按PID閉環控制方式，實現了南水北調中線配套工程中管道流量、壓力的自動控制。這些研究對工程設計階段的選型關注較少，目前相關規范、導則或標準也欠缺，由此引起的調節閥選型問題日益突出，如：有些項目管路進口水壓很低，但也設置了活塞式調節閥；不經計算，將活塞式調節閥公稱直徑簡單等同于管徑的情況較為普遍；不考慮供水可靠性要求，單管配單調節閥的情況也較為普遍；未經空蝕保證計算，直接將活塞式調節閥安裝于管路的某一位置等等。

本文在總結甘肅境內有關項目應用情況基礎上，通過分析活塞式調節閥的相關特性，提出活塞式調節閥參數選擇的基本思路，以期對相關工程建設提供有益的參考和建議。

1 結構、工作原理及參數

1.1 結構及工作原理

活塞式調節閥主要由閥體、活塞、活塞導軌、曲柄、連桿、傳動支架、閥桿、活塞連結架、密封、潤滑銅套、出口部件、操作機構及控制系統等部分組成。其工作原理是：操作機構驅動閥桿旋轉，帶動曲柄、連桿機構運動，使活塞在導軌上沿軸向移動，對稱地改變閥門的過流面積，達到調節流量和壓力的目的。出口部件可使閥門出流具有特定形態，不同的出流形態水力損失顯著不同，對應調節閥不同的消能能力。控制系統的作用是實現調節閥自動、遠動操作，并可將出口壓力或流量自動控制在整定范圍之內。

1.2 基本參數

活塞式調節閥選型就是根據工程項目有關參數，通過必要的分析、計算，提出其基本參數，為下階段設備采購提供依據。基本參數主要包括公稱壓力、公稱直徑、安裝高程、出口型式、氣蝕系數σ～開度τ特性曲線、流量系數Kv～開度τ特性曲線、驅動方式、控制方式及主要零部件結構和材質說明等。

2 調節閥選型

2.1 選型依據

活塞式調節閥應緊密結合項目特點并依據以下參數進行選型：

①安裝位置(管線、管路出口、壩底等)。②使用目的(流量調節、消能、底部放空等)。③管道公稱壓力、公稱直徑。④調節閥特征工作壓力及壓差范圍。⑤調節閥特征過閥流量；⑥調節閥裝置氣蝕系數。

2.2 公稱壓力選擇

活塞式調節閥安裝于輸水管道，其承壓能力應大于該處最大內水壓力，并有適度安全余量[8]。對于重力流管道輸水項目，調節閥承受穩態動水壓力總是小于靜水壓力，但由于閥門操作等引起的動水壓力可能會大于靜水壓力[9]。一般認為，公稱壓力安全余量不低于20%～30%最大內水壓力(高壓取低值)，或不低于0.2～0.5MPa。

2.3 公稱直徑選擇

公稱直徑是反映調節閥過流能力的主要參數，也與其造價密切相關，因此，公稱直徑選擇應在保證安全、可靠供水的前提下，使調節閥具有較小的公稱直徑。當調節閥開度一定時，其前后壓差與流量關系符合孔口出流規律[10]，因此，活塞式調節閥的流量Q由下式計算：

(1)

式中，Kv—流量系數[11]，表示在某一開度、水溫在5～30℃時調節閥進、出口壓差為1bar時的過閥流量，m3/h；ΔP—調節閥進、出口壓差，bar。

調節閥選型是在制造廠提供的流量系數Kv～開度τ、氣蝕系數σ～開度τ等特性曲線基礎上進行的。Kv、σ均與τ正相關，即在調節閥全開時有最大值。根據式(1)可知，對于一臺確定的活塞式調節閥，其流量Q與其開度τ、進、出口壓差ΔP正相關。開度τ可通過操作機構調節，而壓差ΔP則由運行工況決定。在最小壓差ΔPmin工況下，調節閥全開時的過流量為保證最大過流量，該工況往往用以選擇公稱直徑；在最大壓差ΔPmax工況下，當調節閥通過項目需要的最小流量時，調節閥將運行于最小開度，該工況往往用以校核公稱直徑。

對于以供水消能、調流為主的活塞式調節閥，公稱直徑可按以下步驟進行選擇：

(1)根據調節閥上、下游水位及流量過程等實際運行工況，計算得到最小壓差ΔPmin，結合項目明確的必需流量Qx，按式(1)計算出Kv值。

(2)根據制造廠提供的公稱直徑與全開狀態流量系數的對應關系，在臨近檔內選取大于Kv計算值對應的幾個公稱直徑作為初選值。

(3)經復核計算，滿足以下要求的較小直徑為應選公稱直徑：

①調節閥在最大壓差ΔPmax、最小流量Qmin時其開度不低于10%。②調節閥在平均壓差ΔPj、平均流量Qj時其開度宜在70%～90%間。③調節閥在最小壓差ΔPmin、過閥必需流量Qx時其開度不大于90%。④調節閥在其前、后壓力及相應壓差范圍內能安全、穩定、可靠運行及調節。

2.4 臺數選擇

隨著技術進步和制造水平的提高，單臺活塞式調節閥的過流量(直徑)或消能能力會逐步增大，但一般不會超過某一限度，如目前生產的活塞式調節閥公稱直徑普遍小于3m，消能幅度一般不超過2.0MPa。另外，活塞式調節閥極易被污物堵塞，在水質不好時應考慮其清污、檢修等對供水可靠性的影響[12]。因此，在項目設計階段，可根據項目規模或消能幅度大小并結合供水可靠性要求選擇并聯或串聯運行臺數。

(1)并聯運行臺數選擇

活塞式調節閥具有優良的調節性能，除在較小開度(小于10%)有死區外，在較大開度范圍(10%以上)內均可穩定、可靠運行。因此，對調節閥可靠性要求不高、滿足制造、運輸及檢修等條件時可設置一臺。重要的供水項目對調節閥可靠性要求較高，應采用多臺并聯運行。

①對于單根管道供水工程可設兩臺，單臺調節閥在最小壓差時過閥流量不應低于管道設計流量的70%，采用同時工作，部分備用(熱備用)的運行方式。②對于雙管道供水工程可設三臺，單臺調節閥在最小壓差時過閥流量不應低于項目設計流量的70%，采用同時工作，完全備用(熱備用)的運行方式；③對于大流量管道供水工程，或供水流量較大的水庫項目，應根據制造、運輸、檢修等條件選擇四臺或四臺以上并聯運行。基于活塞式調節閥優良的調節性能，多臺調節閥并聯于一根管道工作時，當其中一臺或幾臺調節閥關閉時，管路系統損失減小，調節閥工作水頭(壓差)加大，其余工作的調節閥流量會加大甚至會超過設計流量，可能會使調節閥震動、氣蝕、噪聲加大，因此一般不專設備用調節閥，而是正常運行時各調節閥均參與工作，處于部分開度，即采用暗備用方式。

(2)串聯運行臺數選擇

當項目有較大消能要求、選用一臺調節閥難以滿足消能要求時，可選擇多臺串聯運行，以降低每臺調節閥實際承擔的消能幅度。串聯運行臺數應根據項目總消能幅度、單臺消能能力、管線布置、運行要求等因素選擇。

活塞式調節閥消能能力主要與其氣蝕狀況有關[13- 14]，當調節閥開度一定時，氣蝕系數σ相應確定。調節閥裝置氣蝕系數σp由下式確定：

σp=(H2+HAT-Hd)/[(H1-H2)+V2/2g]

(2)

式中，H1—調節閥進口壓力，m；H2—調節閥出口壓力，m；HAT—當地大氣壓，m；Hd=0.23m，為20°時水氣化壓力；V—管道介質流速，m/s；g=9.81m/s2，為重力加速度。

上式中分母反映活塞式調節閥的消能能力。可見，活塞式調節閥的消能能力主要取決于其氣蝕系數σ和出口絕對壓力。當安裝位置確定即出口絕對壓力一定時，選用較小氣蝕系數的調節閥可提高其消能幅度，而對一臺確定的調節閥即氣蝕系數σ一定時，加大其出口壓力可提高其消能幅度。

在工程設計階段，應優先選用具有較小氣蝕系數σ的活塞式調節閥，以提高其消能能力，減少串聯運行臺數；當調節閥選定時，氣蝕系數σ相應確定，若降低調節閥安裝高程，即加大其出口淹沒深度，可加大其出口絕對壓力，相應會增加其消能幅度。

考慮到活塞式調節閥一般僅能削減動壓，而不能削減靜壓(密封不能做到零泄露)，即其不能有效降低后續管道的設計壓力，因此，串聯運行的調節閥臺數應盡可能少，并應分段布置在輸水管道上。具體位置應通過計算確定，以確保調節閥出口工作壓力大于氣蝕允許值。

2.5 安裝高程(位置)選擇

就具體項目而言，活塞式調節閥安裝高程影響其出口壓力，從而影響調節閥氣蝕狀況。活塞式調節閥安裝位置應保證其出口壓力大于空蝕允許值，以保證在各種運行工況時不能產生超過容許的空蝕破壞。

對安裝于管線末端淹沒出流的活塞式調節閥，應分析調節閥開度(與σ對應)、壓差及閥后水位最不利組合工況，并利用式(2)計算相應裝置氣蝕系數σp。當σp>σ時活塞式調節閥安裝高程滿足要求，否則應降低安裝高程，以增加其出口壓力，使σp>σ。

對安裝于管線中間的活塞式調節閥，應分析調節閥開度(與σ對應)、壓差及調節閥出口管道內水壓力最不利組合工況，并利用式(2)計算相應裝置氣蝕系數σp。當σp>σ時調節閥后水壓控制合理、可行，否則應減小后續管道設置的控制閥開度，或采取其它措施，以增加其出口管道內水壓力，滿足σp>σ。

當然，σp>σ是基本要求，在工程實踐中，必須要有適度的安全余量。根據水質情況，氣蝕安全系數一般可在1.1～1.3內選取。

2.6 出口型式選擇

各類型活塞式調節閥總體結構基本相同，區別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態，其水力損失顯著不同，即消能能力顯著不同。目前，比較典型的出口型式有扇葉圈式、鼠籠式及網孔式等。

扇葉圈式出口型式就是在閥座環上均勻布置許多導流葉片，將水流均勻分成許多股小水流，導入不同路徑，并引導其做螺旋運動，使空化氣泡產生乃至向下游流動過程中的破裂一直被限制在管道中央，完全被水包圍，一般不會對閥或管道產生氣蝕破壞。由于導流葉片間距相對較大，水力損失主要產生于螺旋運動過程中，因而這種出口型式的消能幅度較小。

鼠籠式出口型式就是在調節閥出口安裝條形節流孔部件，使鼠籠外圍水流對稱地通過條形節流孔向其圓周中心高速噴射，相互撞擊，產生水力損失。這種出口型式也能使空化氣泡的產生和破裂均處于水流中，一般不會對閥或管道產生氣蝕破壞。由于高速水流相互撞擊產生的水力損失較大，因而這種出口型式的消能幅度較大。

網孔式出口型式與鼠籠式類似，不同的是網孔式節流孔孔徑更小，水力損失更大，因而這種出口型式的消能幅度更大。

除上述3種典型的出口型式外，生產廠家可根據消能幅度、過閥流量及抗氣蝕性能等要求研發制造節流孔型式和孔徑各不相同的多系列出口部件，以適應參數不同的各種項目。

2.7 操作及控制方式選擇

(1)操作方式選擇

活塞式調節閥操作方式，即驅動方式主要有手動、電動、液控、氣動等。操作方式選擇主要考慮操作力矩、調節的頻繁程度、安裝位置與環境、對自動調節的要求及開、關閥時間等因素。對公稱直徑小、工作水頭(壓差)和過閥流量較穩定的調節閥，宜選手動操作；對需自動控制、遠動操作或操作力矩較大的調節閥，應根據安裝位置、環境及電源等情況選用電動、液動或氣動等操作方式。

(2)控制方式選擇

控制方式分為開環控制與閉環控制。開環控制主要有現地手動操作、現地電手動控制及遠動控制等，是一種階段式調節方式，其調節頻率不高；而閉環控制則由控制器、操作機構、自動化元件(流量、壓力)等組成閉環控制系統，可將過閥流量或閥后壓力自動控制在整定范圍之內，是一種持續性調節方式，其調節頻率很高。

對公稱直徑小、工作水頭(壓差)和過閥流量較穩定的調節閥，采用手動操作即可滿足要求；對公稱直徑較大但工作水頭(壓差)和過閥流量較穩定的調節閥，根據其操作力矩大但調節頻率不高的特點，可選用現地電手動或遠方手動控制操作機構(電動或液動等)；當需將過閥流量或閥后壓力自動控制在整定范圍之內時，應選閉環控制方式。

3 結語

活塞式調節閥的主要功能是消除富余水能及準確控制流量，要使其在項目中充分發揮該功能，必須合理選擇其參數。公稱壓力應按靜態或動態最大壓力選擇；公稱直徑應根據制造廠提供的Kv、σ等參數經計算確定，并應在保證安全、可靠供水前提下，使調節閥具有較小的公稱直徑；并聯或串聯臺數應根據工程規模或單臺調節閥消能能力并結合供水可靠性要求選擇；出口型式由消能幅度決定，并可根據項目具體參數進行個性化設計、制造；操作與控制方式應根據操作力矩、調節頻率、安裝位置與環境等因素確定；安裝位置應保證其出口壓力大于空蝕允許值。