淺談活塞式調流閥在調水工程中的應用

高學臣

（水利部機電研究所，天津 301900）

活塞式調流閥主要用于對管道系統(tǒng)進行線性調流或穩(wěn)定減壓，且調節(jié)過程順暢、穩(wěn)定，可自動調節(jié)預先設定的參數(shù)值，使之在一定精度內保持恒定。具有良好的耐汽蝕特性，閥體內壁的筋板兼有整流板的作用，可以分散水流防止汽蝕，也減小了閥門的噪音和活塞的振動。被廣泛應用于水廠、電廠、引調水工程[1]。

1 調流閥的結構

活塞式調流閥主要由閥體、調節(jié)機構、驅動裝置、密封圈和其他附件組成。

1.1 閥體

活塞式調流閥的閥體分為內、外兩層，介質在閥體內外兩層間的閥腔內流動。

1.2 調節(jié)機構

調節(jié)機構為曲柄滑塊, 閥門運行時，通過齒輪箱驅動閥軸轉動，閥軸經曲柄機構，帶動活塞沿水流方向前后移動，通過活塞前后移動改變流道面積，達到流量和壓力調節(jié)的目的。閥內的流道為軸對稱形，避免流體通過閥腔時產生紊流。無論活塞在何位置，閥腔內的水流斷面始終為環(huán)狀。活塞閥開度要與流量成線性關系，調節(jié)過程要順暢、穩(wěn)定，避免流量在某一范圍內陡然增加。活塞可在閥體內圓筒里由導軌引導沿管路作軸向運動，因而改變流道面積，以實現(xiàn)調節(jié)流量及減壓功能。

1.3 驅動裝置

驅動裝置保證閥門在最大允許工作壓差和最大流速工況下正常操作，驅動裝置的輸出扭矩不小于閥門最大壓差工況下操作扭矩的 1.25 倍，可通過手動、電動（現(xiàn)地、遠程）操作閥門。電機驅動裝置具有良好的防水性能，動作靈活、安全可靠。調流閥的電動裝置包括電機、減速蝸輪、機械限位調節(jié)機構、力矩控制機構、行程控制機構、開度指示機構和手動電動轉換裝置等。

1.4 密封圈

閥門的密封為軟、硬雙重密封，實現(xiàn)雙向氣泡級密封、零泄漏；閥門完全關閉時，密封良好，無滲漏升壓現(xiàn)象。調流閥的結構見圖1。

圖1 活塞式調流閥結構

2 調流閥的工作原理

活塞式調流閥與只用作管線切斷的蝶閥和閘閥不同，其調節(jié)功能主要是通過改變活塞與閥座密封面之間的介質流通面積，從而達到調節(jié)流量或壓力的目的，活塞的行程與管內水流方向是一致的。水流從軸向弧狀進入外殼，閥內的流道為軸對稱形，流體流過時不會產生紊流。閥腔內的水無論活塞運動到任何位置水流斷面均為環(huán)狀，在閥的出口處水流向軸心收縮，從而達到最佳防汽蝕，避免因節(jié)流而可能產生的汽蝕對閥體和管道的破壞。調流閥關閉時先快后慢，因而不產生任何水錘。活塞式調流閥出流效果見圖2。

圖2 活塞式調流閥出流效果

3 應用現(xiàn)狀

3.1 工程概況

山東省膠東地區(qū)引黃調水工程是緩解煙臺、威海供水危機的重要民生工程。該工程自黃河打漁張引黃閘引取黃河水，經新建沉沙池沉沙后，利用現(xiàn)有的引黃濟青工程輸水至宋莊分水閘分水，沿萊州灣新辟輸水明渠至龍口市，再經壓力管道、隧洞及暗渠輸水至煙臺市門樓水庫、威海市米山水庫。2013年，膠東地區(qū)引黃調水工程實現(xiàn)主體工程全線貫通，并完成綜合調試及試通水。

黃水河泵站～米山水庫段輸水工程是整個膠東引黃調水工程的重要組成部分，主要采用管道、暗渠和隧洞結合輸水，全部位于地下，而且為有壓流和無壓流交替輸水模式，輸水系統(tǒng)復雜。輸水線路有壓重力輸水管道段主要分布在高疃泵站～米山水庫輸水線路。根據(jù)不同工況對有壓重力輸水管道段進行水力過渡過程計算分析，有壓重力輸水管道在較低流量工況下會產生富裕水頭；并且管道起伏較大，管道沿線都要承受較大靜壓。有壓重力輸水管道沿線調流調壓設施的運行控制，是保證管道的安全、穩(wěn)定運行的關鍵。

3.2 調流閥的布置

根據(jù)各處調流閥控制管段的不同，將有壓重力輸水管道段分為4段。

3.2.1 高位水池～無壓調節(jié)水池管道段

（1）調流閥布置

該段管道在桂山隧洞進口處布置2臺調流閥進行控制。保證在任何工況下，避免出現(xiàn)高位水池水位超過最高水位，或低于最低水位；下游無壓調節(jié)水池水位超過最高水位，或低于最低水位的情況，保證管道流量滿足各工況要求。

（2）調節(jié)水池

在桂山隧洞出口處設 1 座無壓調節(jié)水池。

（3）附屬設施

在調流閥上游處設流量傳感器，安裝在流量計井內，并將信號傳輸?shù)秸{流閥處進行檢測。

3.2.2 無壓調節(jié)水池～孟良口子隧洞進口

（1）調流閥布置

該段管道在孟良口子隧洞進口處布置1臺調流閥進行控制。保證在任何工況下，避免出現(xiàn)上游無壓調節(jié)水池水位超過最高，或低于最低水位；下游孟良口子隧洞進口豎井水位超過最高水位，或低于最低水位的情況，保證管道流量滿足各工況要求。

（2）調節(jié)水池

在孟良口子隧洞出口設1座豎井。

（3）附屬設施

在調流閥上游處設流量傳感器，安裝在流量計井內，并將信號傳輸?shù)秸{流閥處進行檢測。

3.2.3 孟良口子隧洞出口~星石泊泵站前池進口管道段

（1）調流閥布置

該段管道在星石泊泵站前池進口處布置1臺調流閥進行控制。保證在任何工況下，避免出現(xiàn)上游孟良口子隧洞出口豎井水位超過最高水位，或低于最低水位；下游星石泊泵站前池水位超過最高水位，或低于最低水位的情況，保證管道流量滿足各工況要求。

（2）調節(jié)水池

星石泊泵站前池。

（3）附屬設施

在調流閥上游處設流量傳感器，安裝在流量計井內，并將信號傳輸?shù)秸{流閥處進行檢測。

3.2.4 臥龍隧洞出口～米山水庫管道段

（1）調流閥布置

該段管道在界石鎮(zhèn)處布置1臺調流閥進行控制。保證在任何工況下，避免出現(xiàn)上游臥龍隧洞出口豎井水位超過最高水位，或低于最低水位的情況，保證管道流量滿足各工況要求。

（2）附屬設施

在調流閥上游處設流量傳感器，并將信號傳輸?shù)秸{流閥處進行檢測；在調流閥處還需設壓力傳感器進行檢測。

3.3 主要技術性能指標

（1）調流閥的調節(jié)過程順暢、穩(wěn)定。

（2）調流閥既可流量調節(jié)也可以壓力調節(jié)，通過控制系統(tǒng)，可對控制閥進行閥后壓力控制或閥前的流量控制。

（3）調流閥根據(jù)上游水池最高、最低水位相應調整開度，避免出現(xiàn)調節(jié)水池溢流或非淹沒出流的情況。

（4）調流閥全開狀態(tài)下具有高流通能力，并具有一定的自清潔性能。

（5）調流閥內的流道為軸對稱形，具有過流量大、重量輕、抗汽蝕破壞和磨蝕性能的流線型結構，流體流過時不會產生紊流。

（6）調流閥采用壓力平衡驅動，減小了大流量或高壓差下閥門的操作力。

（7）調流閥閥體采用球墨鑄鐵一體化整體澆鑄，活塞、曲柄機構、出口部件等采用不銹鋼材質。

3.4 控制系統(tǒng)

3.4.1 調流閥控制方式

（1）自動控制

根據(jù)閥前、閥后的流量、壓力傳感器信號，自動調整調流閥的開度；也可遠程下達閥門操作指令，控制閥門開關狀態(tài)，同時閥門各種狀態(tài)信息上傳至調度系統(tǒng)。

（2）人工控制

通過人工設定閥門開度值，改變閥門開度調節(jié)流量及壓力。

3.4.2 調流閥開、關控制

（1）開閥

1）最低水位以下：泵站根據(jù)不同工況流量要求開啟泵站機組運行，調節(jié)水池水位上升，水位達到最低水位時，閥門自動開啟。

2）最低水位至設計水位之間：閥門初步開啟后，調節(jié)水池水位持續(xù)升高，則調流閥持續(xù)加大開度。當水位超過設計水位后，按步驟3）運行。

3）設計水位至最高水位之間：水池水位超過設計水位，則閥門加大開度；當水池水位降低，則閥門根據(jù)水位變化情況，適時減小開度，開度調整至調節(jié)水池進出流量平衡，水池水位穩(wěn)定在設計水位。

4）最高水位以上：水池(豎井)水位超過最高水位，則調流閥加大開度直至完全開啟；當水池水位降至最高水位之下，按步驟3）運行。

（2）關閥

調節(jié)水池水位穩(wěn)定在設計水位，閥門開度為工況流量開度。

1）先啟動調流閥閥門，減小開度，調節(jié)水池水位上升超過設計水位，適時減小開度，開度調整至調節(jié)水池進出流量平衡。

2）當泵站各機組正常停機，致使調節(jié)水池水位降低，此時調流閥根據(jù)水位變化情況，自動減小開度，開度調整至進出流量平衡，當調節(jié)水池水位降至最低水位之下，閥門完全關閉。

3.5 運行效果

通過實際運行情況來看，調流閥能夠起到調節(jié)流量、消能排空以及減壓、調壓等作用，對高壓力和大壓差工況具備優(yōu)越的調節(jié)和控制功能，具有消能、降噪、減振及防汽蝕的作用。調流閥在小流量工況時閥門對流體具有良好的消能效果，減小了閥門的噪音和活塞的振動，有效避免汽蝕、震動對管線的破壞；當大流量工況時，閥門可消減流體部分能量，并對流體的部分能量有所保留，保證閥門具有足夠的過流能力。能有效提高系統(tǒng)安全可靠性，滿足系統(tǒng)自動化控制要求。其主要優(yōu)點如下：實現(xiàn)流量的精確控制，可以保持恒定流量；實現(xiàn)大壓差范圍內的調節(jié)，保持閥后壓力穩(wěn)定；操作方式可以選擇手動和電動兩種控制方式，可以實現(xiàn)調度中心遠程控制，操作人員無需到達現(xiàn)場，即可根據(jù)需要進行高精度調節(jié)。使各控制點流量、壓力維持在相對穩(wěn)定和合理的區(qū)間，保證了調水工作正常有序運行[1]。

4 調流閥的未來發(fā)展趨勢

調流閥是一種重要的流體控制裝置，廣泛應用于石油、化工、水利、電力、冶金等工業(yè)領域。未來，隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，調流閥將朝著以下幾個方面發(fā)展：

智能化：隨著智能制造和物聯(lián)網技術的發(fā)展，調流閥將越來越智能化，能夠實現(xiàn)遠程監(jiān)控和控制，自動調節(jié)流量和壓力。

低噪音：調流閥在運行時會產生噪音，未來的調流閥將會采用新材料、新結構和新技術來減少噪音產生。

節(jié)能環(huán)保：調流閥未來的發(fā)展將更加注重節(jié)能環(huán)保，采用新材料、新技術和新結構，減少能耗和廢氣排放。

多功能化：未來的調流閥能夠實現(xiàn)多種流體控制功能，如流量計量、流量調節(jié)、壓力調節(jié)等。

高可靠性：未來的調流閥將會更加注重高可靠性，采用新材料、新技術和新結構，提高產品質量和可靠性，減少故障率和維修成本。