可調式減壓閥在重力輸水工程中的設計與應用

童宏哲 ，馬小龍，蔡小娣

（陜西省岐山縣水電工作隊,陜西 岐山 722499）

1 前言

可調式減壓閥是水力控制閥的一種,安裝在重力流管道上,將較高的上游壓力降為符合要求的下游正常使用壓力。作為一種減壓措施,在法士特供水工程中被設計和應用,經實踐證明是成功的。

法士特齒輪公司暨陜西汽車齒輪公司位于陜西省岐山縣五丈原鎮同星村以南,岐山縣與陳倉區交界處,為省屬駐岐大型工業企業。生產生活用水主要由企業自備水源供給,隨著企業生產規模的日益發展壯大,現有的水源已不能滿足用水需求,供需水矛盾日益突出。為解決這一矛盾,岐山縣城鄉供水總公司修建了法士特供水工程,既解決了法士特齒輪公司的用水問題,又解決了沿途五丈原地區及蔡家坡開發區的供水,實現水資源可持續開發利用。

2 工程設計

2.1 水源選擇

法士特供水工程是以五丈原水廠為供水水源。五丈原水廠位于五丈原塬上的原星村,建成于1999 年,水源為石頭河庫水,設計日供水能力18000 m3,主要解決陜西汽車制造廠和曹家地區的生產生活用水,目前日供水量5000 m3,尚有13000 m3/d的富余水量,能給法士特供水工程提供有力的水源保障。五丈原水廠清水池最低水位673.60 m,法士特老廠區配水管網接口管中標高為550.01 m,管道進出口地形高差123.59 m,從地理位置看,可以居高臨下,自流供水。充足的水量和良好的水力條件為項目的建設奠定了基石。

2.2 輸水管道設計

該工程輸水管道下塬（五丈原）跨河（麥李河、同峪河）穿路（陜汽公路）,起點與五丈原水廠清水池閘閥井相接,末端與法士特老廠區配水管網相連,全長8868.75 m。前段4498.14 m設計供水流量為12500 m3/d,設計秒流量為0.159 m3,后段4370.61 m為10000 m3/d,設計秒流量為0.13 m3。

經水力計算,管道正常運行時,塬上的最大工作壓力為40.93 m,塬下的最大工作壓力為123.65 m,管道出口壓力65.57 m,因此確定塬上管道選用聚乙烯管PE100 -SDR26,公稱壓力0.6 MPa。聚乙烯管具有化學穩定性好、耐腐蝕、水力性能好、施工方便、使用壽命長等優點。由于塬下的最大工作壓力為123.65 m,按規范應選用PE100-SDR11 聚乙烯管,公稱壓力1.6 MPa,但由于同管徑的PE管和球墨鑄鐵管,PE管價格高出球墨鑄鐵管25%~30%,并且在壓力逐步增大的同時,管材價格增加幅度也相應增大。球墨鑄鐵管具有較高的抗拉強度和延伸率,有較好的韌性、抗氧化、耐高壓等優良特性,施工安裝方便,接口水密性好,有適應地基變形的能力,既可以滿足工程需求,又可以降低工程造價。經過綜合考慮,確定塬下管道選用K12（1.6 MPa）、K9（1.0 MPa）系列球墨鑄鐵管。輸水管道途經麥李河和同峪河,采用架空鋼管跨越［1］。

由于輸水管道工作壓力較大,且不能提供滿足要求的出口壓力,設計在管道2+771.4 m處采取減壓措施,以降低輸水管道承受的水壓,并保證管道出口壓力滿足現有配水管網要求。

2.3 減壓措施方案選擇

該輸水管道工作壓力較大,且不能提供滿足要求的出口壓力,按常規的辦法是在管路中設置減壓池或提高管材的等級。修建減壓池優點是技術成熟,減壓可靠,缺點除占地大以外,最主要是運行管理不便、而且容易造成水質的二次污染；另外管道出口與現有的配水管網相接,提高管材的等級也受到限制。而可調式減壓閥正好可以克服這些弊端,與修建減壓池相比,具有占地面積少,建設投資小,建設工期短,運行管理方便等優點,設計最終采用安裝可調式減壓閥,既減小了下段管道及管路附件的設計壓力,有利于降低工程造價；又滿足了現有配水管網對出口壓力的要求,能夠確保工程的正常運行。見表1。

表1 主要工程量及投資對比表

2.3.1 可調式減壓閥的作用和特點

可調式減壓閥是水力控制閥的一種,安裝在重力流管道上,將較高的上游壓力降為符合要求的下游正常使用壓力。

其特點是：減壓效果可靠。出口壓力不受進口壓力和流量變化的影響,既可減動壓,也可減靜壓。調整操作方便。只需調節先導閥的調節螺釘,就能獲得精確、穩定的出口壓力。

2.3.2 可調式減壓閥的結構和工作原理

Yx741 X型減壓閥由主閥、先導閥、壓力控制器、壓力反饋系統等組成。

可調式減壓閥結構見圖1。

圖1 可調式減壓閥結構示意圖

其工作原理是：在液體通過主閥板流向出口的同時,通過先導閥進入壓力控制器,同時閥后壓力通過反饋閥也進入壓力控制器。若閥后壓力大于預設壓力,則通過壓力控制器調節使主閥膜片室上腔的壓力增大,推動閥桿向下,主閥板開口減小,液體通過時的流速增大,水頭損失增大,使閥后壓力降低。反之,當閥后壓力減小時主閥膜片室上腔的壓力減小,主閥板開口增大,液體通過時的流速減小,水頭損失減小,使閥后壓力升高。閥后壓力與閥板開度形成動態平衡,使閥后壓力保持穩定。

可調式減壓閥的閥后壓力由壓力控制器上的調節螺釘來調節。閥門承壓能力不同,調節范圍也不同。閥門公稱壓力1.0 MPa其調節范圍0.1 MPa~0.8 MPa,閥門公稱壓力1.6 MPa其調節范圍0.2 MPa~1.4 MPa。

2.3.3 水力計算與減壓閥設置

該輸水管道全長8868.75 m,前段4498.14 m設計供水流量為12500 m3/d,設計秒流量為0.159 m3,后段4370.61 m為10000 m3/d,設計秒流量為0.13 m3。管道出口設計壓力0.4 MPa。設計在管道2771.44 m處安裝Yx741 X-10型可調式減壓閥一只。減壓閥安裝示意圖見圖2。

圖2 可調式減壓閥安裝示意圖

管線縱斷面及水力計算見圖3。

圖3 管道水力計算圖

從圖3 可以看出,在設計工況運行時,減壓閥前后壓力差為0.25 MPa,即減壓閥減掉動壓0.25 MPa。減壓閥以下管道所承受的靜水壓力減少了0.44 MPa,可以減小下段管道及管路附件的設計壓力,有利于降低工程造價。

3 工程運行

3.1 存在問題

由于該輸水管道出口直接接入法士特現有配水管網,中間沒有調節設施,所以管道流量變化較大,減壓閥后管道的水頭損失隨流量變化也有較大的變化,管道末端即接入點的水壓變化也比較大。供水管道建成投入試運行后,因法士特公司老廠區配水管道須逐步改造,新廠還未建成投產,該管道的最大供水量只有50 m3/h左右,僅為設計流量的1/10,將減壓閥閥后壓力調到最小,管道末端即接入點的水壓仍在0.6 MPa左右,無法調至0.4 MPa,致使配水管網發生多處破損漏水（因配水管網為建廠初期的老管網）,供水管道不能投入正常運行。

3.2 解決辦法

因用水量短期內不能達到設計水量,為降低管網接入點的水壓,又在管道3674.92 m處增加了一只Yx741X-16 型減壓閥,位置如圖一所示,兩只減壓閥串聯運行。經聯合調試,目前用水量在30 m3/h~50 m3/h之間變化時,第一只減壓閥閥前壓力為0.56 MPa左右,閥后0.2 MPa,第二只減壓閥閥前壓力為0.9 MPa左右,閥后0.58 MPa,接入點的壓力維持在0.39 MPa~0.41 MPa之間,管道可以投入正常運行。

管道供水量達到設計工況時,可以打開或關閉減壓閥的旁通閥,使兩只減壓閥輪流工作,互為備用。

4 主要技術創新點

可調式減壓閥在重力輸水管道上的應用。

（1）可調式減壓閥在該重力輸水管道上的應用是成功的。既可以減動壓也可以減靜壓,而且管道出口壓力在一定范圍內可以調節,達到了預期目的。但是原設計減壓閥的位置偏高,由于地形高差的存在,管道在小流量運行時管道出口壓力不能調得更低,主要原因是對管道供水流量變化范圍考慮不足。

（2）可調式減壓閥應用在流量變化比較大的重力輸水管道上,其減壓調壓效果比較突出,與減壓池相比,具有運行管理方便、不會造成水質的二次污染、閥后壓力可以調節及占地少、施工安裝簡單、可以縮短工期等優點。

（3）減壓閥設置位置將直接影響管道運行效果,同時也會影響工程投資。一般應盡量靠近末端,減壓調壓效果較好。但也應綜合考慮管線地形變化、管材承壓能力、管道流量變化等因素,進行經濟和技術比較,來確定減壓閥位置。

（4）水的漏失率和浪費程度幾乎和給水系統的水壓大小成正比,因此,減壓閥還具有改善系統運行工況和潛在的節水作用,能延長管道使用壽命。

5 結語

過去管路中出現壓力過大,超過管材的承壓能力等問題,通常解決的辦法就是在管路中設置減壓池或提高管材的等級。減壓池占地面積大,建設投資高,建設工期長,運行管理不便,而且容易造成水質的二次污染；提高管材等級也會出現建設投資大,采購、保存、管理不方便等問題；而減壓閥正好可以克服這些弊端,與修建減壓池相比,具有占地面積少,建設投資小,建設工期短,運行管理方便等優點。

該工程將可調式減壓閥安裝在重力流輸水管道上,將較高的上游水壓降低為符合要求的下游正常使用壓力,既可減靜壓,又可減動壓,解決了管路壓力的問題。從多年的運行情況來看,減壓閥確實起到了穩定、可靠的減壓效果,在岐山為同類項目的建設實施提供了實踐經驗,具有里程碑意義。在后續的岐山縣其它供水工程中,多借鑒這一技術,成功地解決了管路壓力過高的問題,節省了工程投資,縮短了建設工期,取得了良好的效果,推動了供水產業的發展。