高落差輸水減壓閥
上海申弘閥門有限公司
之前介紹高溫?zé)煔鉁p壓閥工作原理，現(xiàn)在介紹高落差輸水減壓閥減壓閥主要控制主閥的固定出口壓力，主閥出口壓力不因進(jìn)口壓力變化而改變，并不因主閥出口流量的變化而改變其出口壓力，具有改善系統(tǒng)運(yùn)行工況和潛在節(jié)水作用，據(jù)統(tǒng)計(jì)其節(jié)水效果約為30%。 適用于工業(yè)給水、消防供水及生活用水管網(wǎng)系統(tǒng)。廣泛用于高層建筑、城市給水管網(wǎng)水壓過高的區(qū)域、礦井及其他場(chǎng)合，以保證給水系統(tǒng)中各用水點(diǎn)獲得適當(dāng)?shù)姆?wù)水壓和流量。隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高,長距離大型輸水工程越來越多,隨之而來的工程爆管問題引起越來越多工程人員的注意。長距離重力流輸水管道系統(tǒng)的防爆技術(shù)研究作為輸水管道安全運(yùn)行的重要課題之一,很有必要進(jìn)行深入研究。 本文研究基于國內(nèi)外發(fā)展概況,對(duì)輸水管道爆管的水力因素進(jìn)行了詳細(xì)分析,系統(tǒng)的介紹了供水工程水力過渡過程計(jì)算的基本原理和方法;建立了多個(gè)邊界條件下的水錘計(jì)算數(shù)學(xué)模型,用VB語言編寫可視化程序,并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)合咸陽石頭河水庫輸水工程、曹妃甸供水工程實(shí)際,對(duì)高差大、地形地貌復(fù)雜本文結(jié)合咸陽市石頭河水庫供水工程實(shí)例的升壓分析，闡述了恒速減壓閥在長距離重力流輸水管道系統(tǒng)的防水錘升壓作用，提出了分兩段設(shè)減壓閥方案大大降低了管道內(nèi)壓力值，使管道內(nèi)壓力接近設(shè)計(jì)工作壓力值的結(jié)論，使得選擇管道耐壓等級(jí)問題得以解決，對(duì)降低工程造價(jià)和運(yùn)行管理費(fèi)用、保證此類管道系統(tǒng)安全運(yùn)行提供借鑒。減壓閥是一種利用介質(zhì)自身能量來調(diào)節(jié)與控制管路壓力的智能型閥門。用于生活給水、消防給水及其他工業(yè)給水系統(tǒng),通過調(diào)節(jié)閥減壓導(dǎo)閥,即可調(diào)節(jié)主閥的出口壓力。出口壓力不因進(jìn)口壓力、進(jìn)口流量的變化而變化，安全可靠地將出口壓力維持在設(shè)定植上，并可根據(jù)需要調(diào)節(jié)設(shè)定值達(dá)到減壓的目的。該閥減壓，性能穩(wěn)定、安全可靠、安裝調(diào)節(jié)方便，使用壽命長。
一、高落差輸水減壓閥減壓閥的結(jié)構(gòu)及工作原理
減壓閥是一種軸流式調(diào)節(jié)閥，由閥外體、閥內(nèi)體、閥桿、活塞桿、活塞和籠筒組成(見圖1)。
圖1 減壓閥結(jié)構(gòu)示意圖1—閥外體； 2—閥內(nèi)體； 3—活塞桿； 4—閥桿； 5—活塞； 6—籠筒
1、 閥 體
閥體包括閥外體和閥內(nèi)體，是一完整的鑄造體，閥的內(nèi)外體之間有一軸向?qū)ΨQ流道，見圖1箭頭所示處。
2、 籠 筒
籠筒是減壓閥的關(guān)鍵部件，結(jié)構(gòu)見圖2。壁面上有許多孔洞，RZD-RMBX型減壓閥選用三層籠筒，即籠筒壁面分三層，每層按一定規(guī)律分布有許多孔洞，三層壁面按一定的要求組合為一體(見圖2)。
圖2 籠筒示意圖
3、 活塞桿和閥桿
活塞桿與閥桿構(gòu)成一個(gè)90°的角式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(見圖1)，活塞借助此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌內(nèi)沿閥門的中心線運(yùn)動(dòng)，活塞桿與閥桿上的45°的齒條相互耦合，閥桿上下傳動(dòng)，帶動(dòng)活塞桿及活塞在全行程上前后運(yùn)動(dòng)。活塞的端面上均勻分布有孔洞(見圖1)，以使活塞內(nèi)外壓力平衡，前后運(yùn)動(dòng)時(shí)不受軸向壓力的影響。
4、 工作原理
減壓閥是活塞型閥門，活塞在籠筒內(nèi)被導(dǎo)引，節(jié)流發(fā)生在活塞邊緣與籠筒的孔口之間，油流來自籠筒外，因此在籠筒層孔內(nèi)油流速度很高，籠筒選用的材質(zhì)高度抗腐蝕與磨蝕。減壓閥有獲的密封系統(tǒng)，主密封圈位于籠筒的前端，活塞在全行程上被導(dǎo)引，當(dāng)被推動(dòng)穿過主密封圈時(shí)，閥門前后的差壓強(qiáng)迫主密封圈緊貼活塞壁而緊密關(guān)閉閥門。活塞通過活塞桿的導(dǎo)引在籠筒內(nèi)前后運(yùn)動(dòng)，閥桿借助它與活塞桿上的45°的齒條傳動(dòng)活塞桿，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥桿向上時(shí)，活塞向后移動(dòng)，開大閥門；當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥桿向下時(shí)，活塞向前移動(dòng)，關(guān)小閥門。
減壓閥采用了帶氣動(dòng)閥門定位器的活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣源裝置給執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供了一定壓力的壓縮空氣，電／氣轉(zhuǎn)換器把從控制室來的4～20 mA DC信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.02～0.1 MPa的標(biāo)準(zhǔn)氣動(dòng)信號(hào)，傳輸信號(hào)為電信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)操作為氣動(dòng)信號(hào)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的直線位移輸出，通過推桿帶動(dòng)閥桿上下移動(dòng)，從而使閥門開度在全行程上變化。 5、 性能特點(diǎn) 軸向?qū)ΨQ流道。閥體采用了軸向?qū)ΨQ流道，*避免了優(yōu)先流和不必要的流向改變，使噪音和紊流趨勢(shì)明顯降低。
氣密級(jí)密封系統(tǒng)。減壓閥具有獲的密封系統(tǒng)，即使在惡劣的工作條件下，也能在全壓力范圍內(nèi)保證關(guān)斷嚴(yán)密。 壓力平衡。由于減壓閥裝配了壓力平衡活塞，使得操作活塞的軸向力與閥門兩端的壓差無關(guān)，因此使用較小的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就能達(dá)到快動(dòng)的目的。
二、調(diào)節(jié)特性
減壓閥的調(diào)節(jié)特性是由閥內(nèi)部件的結(jié)構(gòu)決定的，所謂調(diào)節(jié)特性是指流過閥門介質(zhì)的相對(duì)流通能力與閥門相對(duì)開度的關(guān)系，相對(duì)流通能力是閥門某一開度時(shí)流通能力與全開時(shí)流通能力之比，相對(duì)開度是閥門某一開度與全開度之比〔1〕。
減壓閥的調(diào)節(jié)特性如圖3所示。
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,水減壓閥從圖3中可以看出，減壓閥具有良好的線性調(diào)節(jié)特性，小流量時(shí)開度約在10%處，這一點(diǎn)使得閥門接近關(guān)閉時(shí)工作緩和平穩(wěn)，確保關(guān)斷嚴(yán)密。在正常的可調(diào)范圍內(nèi)流量變化與閥門開度成線性關(guān)系。圖3 減壓閥特性曲線三、減壓閥在管道中的調(diào)節(jié)原理 庫鄯輸油管道使用了兩個(gè)減壓閥，并聯(lián)安裝在覺羅塔格減壓站，其中主閥PV1001起主要調(diào)節(jié)作用，副閥PV1002起備用調(diào)節(jié)作用，庫鄯輸油管道一期工程水力坡降線示意圖如圖4所示。
圖4 庫鄯輸油管道一期工程水力坡降線示意圖
從圖4中可以看出減壓閥的主要作用是。 (1)在減壓站通過減壓閥節(jié)流降壓，消耗掉管道高點(diǎn)至末站進(jìn)站間的多余位能(P2－P3)。 (2)通過減壓閥控制減壓站上游管道的壓力，保證高點(diǎn)正壓運(yùn)行，并避免高點(diǎn)至減壓站管道內(nèi)出現(xiàn)不滿流現(xiàn)象。 (3)全線停運(yùn)時(shí)，通過減壓閥的嚴(yán)密關(guān)斷，防止減壓站上游出現(xiàn)不利于再啟動(dòng)的空管現(xiàn)象。 圖4中高點(diǎn)與減壓站處由伯努利方程得到簡化后的穩(wěn)定流的能量方程〔2〕：
即 P2＝P1＋γ（Z1－Z2）-γ.hf 由列賓宗公式得：
（1）式中 Z1——高點(diǎn)高程，m； Z2——減壓站高程，m； P1——高點(diǎn)壓力，Pa； P2——減壓站進(jìn)站壓力，Pa； Q——管道內(nèi)原油流量，m3／s； d——管道內(nèi)徑，m； L——高點(diǎn)至減壓站間的管道長度，m； γ——油品相對(duì)密度，kg／m3； ν——油品運(yùn)動(dòng)粘度，m2／s； β——流態(tài)系數(shù)，取0.024 6 s2／m。 其中Z1、Z2、d、L、β、γ、ν為已知，為了保證高點(diǎn)正壓運(yùn)行，取P1為0.2 MPa(設(shè)計(jì)參考值)，由式(1)中可以得出：減壓站的進(jìn)站壓力P2隨Q變化而變化，Q取首站出站流量。在實(shí)際運(yùn)行中PSP（減壓站進(jìn)站壓力設(shè)定值）由SCADA系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)定的Q進(jìn)行計(jì)算得出，并從主機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳給減壓站的站控PLC，由PLC內(nèi)的PID(比例積分微分)調(diào)節(jié)程序?qū)p壓站的上游壓力P2進(jìn)行控制。 當(dāng)P2＜PSP時(shí)，PV1001關(guān)小，直至偏差e＝P2－PSP＝0為止； 當(dāng)P2＞PSP時(shí)， PV1001開大， 直至偏差e＝0為止； 當(dāng)P2＝PSP時(shí)，PV1001保持當(dāng)前開度。
副閥PV1002是備用調(diào)節(jié)閥，其壓力設(shè)定值為固定值，即不隨管道流量變化而變化。當(dāng)主閥PV1001故障關(guān)閉或流通能力不夠時(shí)，副閥將自動(dòng)參與調(diào)節(jié)，兩閥的壓力流量曲線如圖5所示。
圖5 壓力流量曲線圖 由圖5可看出，主閥PV1001控制上游壓力隨流量增大而減小，而副閥PV1002控制上游壓力為一定值，但兩閥出口壓力(隨流量的變化)相同。四、減壓閥運(yùn)行工況分析 RZD-RMBX型減壓閥結(jié)構(gòu)*，并在我國輸油管道上使用，由于設(shè)計(jì)上的疏忽，減壓站進(jìn)站主流程上未裝過濾器，加之減壓閥的安裝未嚴(yán)格按照規(guī)程執(zhí)行，因此導(dǎo)致庫鄯輸油管道在輸水試運(yùn)期間減壓閥嚴(yán)重受堵，流通能力減小，后經(jīng)補(bǔ)裝過濾器，并多次沖洗減壓閥，運(yùn)行工況才逐漸趨于正常。
通過分析主閥PV1001的兩組運(yùn)行數(shù)據(jù)，得出如表1所列的結(jié)果。 *組?據(jù)中取通過流量約490 m3／h，運(yùn)行時(shí)間為8個(gè)月，減壓閥的實(shí)際開度從99.61%降為35.36%，經(jīng)過計(jì)算，實(shí)際開度與理論開度間的誤差從71.61%降為7.61%。第二組數(shù)據(jù)取通過流量約643 m3／h，運(yùn)行時(shí)間為4個(gè)月，實(shí)際開度從56.31%降為40.83%，誤差從23.81%降為8.03%。從表1中可以看出，減壓閥隨著運(yùn)行時(shí)間的累計(jì)，流通能力也逐漸恢復(fù)，主要原因是減壓閥在運(yùn)行過程中，籠筒內(nèi)的堵塞物由于受到高壓原油的沖蝕與磨蝕而逐漸減少。以1998年3月21日與1998年8月1日的兩組運(yùn)行參數(shù)(見表2)為依據(jù)，對(duì)減壓閥的出口壓力與流量的變化進(jìn)行比較。表1 庫鄯輸油管道主閥運(yùn)行的兩組數(shù)據(jù)比較將表2中的數(shù)據(jù)用曲線表示(見圖6)。
通過比較可以看出，圖6中曲線1較曲線2接近曲線3，這說明隨著運(yùn)行時(shí)間的累計(jì)，減壓閥的運(yùn)行情況將逐漸趨于正常。 根據(jù)減壓閥的運(yùn)行情況，提出以下建議。
(1)減壓閥籠筒上的孔洞很小(φ6 mm)，為保證減壓閥的正常運(yùn)行，減壓閥前應(yīng)設(shè)置合適的過濾器，并應(yīng)根據(jù)情況適時(shí)清洗過濾器。
(2)由于減壓閥在投產(chǎn)前受堵，籠筒內(nèi)的堵塞物至今仍有殘余，這就使得原油通過減壓閥的壓差相對(duì)增大，而減壓閥的允許壓差為6.0 MPa，也即當(dāng)減壓閥前后壓差為6.0 MPa時(shí)，它的通過流量已達(dá)飽和，若超過6.0 MPa，則閥內(nèi)件將會(huì)受到損害，因此運(yùn)行中的壓差都應(yīng)小于6.0 MPa。
圖6 出口壓力與流量的變化曲線
1—1998年8月1日的一組運(yùn)行情況；2—1998年3月21日的一組運(yùn)行情況；3—流量與出口壓力的關(guān)系曲線
(3)減壓閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，保證其氣源裝置的正常工作就是保證減壓閥的正常運(yùn)行，因此對(duì)氣源裝置應(yīng)定期進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。另外，如果能深化減壓閥的理論培訓(xùn)以及嚴(yán)格按規(guī)程施工和操作，那么其運(yùn)行優(yōu)勢(shì)將會(huì)得到更好發(fā)揮。2 輸水管道布置
勐嘎鎮(zhèn)集鎮(zhèn)供水工程從水頭河泉水取水，取水首部沒有調(diào)節(jié)能力，管道供水流量隨季節(jié)而變化，加上管線長、地形落差大、地形起伏段多，運(yùn)行工況復(fù)雜，對(duì)管道安全運(yùn)行極為不利。經(jīng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，設(shè)計(jì)采用分段輸水方案，以降低管道的工作壓力，保證安全運(yùn)行；輸水管線分成三段，每段的地形落差不超過150m，全線管道大靜水壓力控制在1.6MPa之內(nèi)，各分段間用減壓池連接，前后管段構(gòu)成獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)（見圖1）。根據(jù)該工程的地形條件，結(jié)合已建工程經(jīng)驗(yàn)，在地形隆起處布置排氣閥，共設(shè)置6座。此外，沿線還設(shè)置了4座排泥閥井。
３ 減壓消能措施
由于本輸水管線沿線下降落差較大，大部分輸水管道按常規(guī)設(shè)計(jì)內(nèi)壓都將超過130m水柱，根據(jù)一般工程經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)壓超過80m水柱時(shí)，管道接頭、閥門連接、管件連接等處易出現(xiàn)故障，且影響管道整體安全。因此，針對(duì)本工程輸水管道系統(tǒng)中普遍存在的靜水頭和水錘壓力大的問題，采用分級(jí)消能減壓措施以降低管道正常運(yùn)行水壓，提高管路運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性。
圖１ 輸水管道分段示意圖
Figure 1 Schematic diagram of the pipeline section
3.1減壓消能方案
方案采用沿線設(shè)置減壓池。經(jīng)過計(jì)算比較，得二級(jí)減壓方案壓力可滿足要求，終方案確定為在樁號(hào)K2+262和K4+737處設(shè)置減壓池。該技術(shù)方案可大幅度降低管道正常運(yùn)行時(shí)各種不同工況下的動(dòng)水、靜水壓力，也能使管道壓力滿足要求。其計(jì)算輸水管壓力情況（見表1），管道縱斷面及水壓線情況（見圖1）。
由表1可知，通過在管路中2+262和4+737處設(shè)置減壓池的計(jì)算數(shù)據(jù)可知，不設(shè)置減壓池樁號(hào)K5+641處的正常運(yùn)行水壓為2.14Mpa，設(shè)減壓閥后此處的正常運(yùn)行水壓降為0.77Mpa，樁號(hào)K8+723處不設(shè)減壓池的正常運(yùn)行水壓為1.73Mpa，設(shè)減壓池后降為0.60Mpa，此時(shí)既滿足了管道正常水壓需求，同時(shí)消減了多余水頭，降低靜水、動(dòng)水壓力，保證管路正常運(yùn)行，減少了管路漏失水量，同時(shí)大大降低了造價(jià)。 3.2減壓池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
減壓池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，圓形，與大氣相通，井內(nèi)水面為自由水面，根據(jù)減壓池對(duì)壓力的要求，池深為6~10m，直徑為3~4m，進(jìn)水管位于減壓池下端，支墩固定，管口朝下，水墊后約為2m。減壓池上端設(shè)出水管，距離池頂1.0~1.5m。進(jìn)水管和出水
管均為無縫鋼管，管徑為DN250，粗糙率為0.011，可承壓0.6~1.8Mpa。輸水管道內(nèi)高壓水進(jìn)入減壓池后，利用射流強(qiáng)烈沖擊池的底部，受水墊的作用，水流與井底、井壁劇烈碰撞后，向上翻滾，消耗大量能量后，經(jīng)減壓池上端的出水管溢流排走，進(jìn)入下一級(jí)輸水管道。減壓池結(jié)構(gòu)（見圖2）。
表1 減壓池設(shè)置前后管中壓力對(duì)比(相對(duì)壓力) Table 1 set the vacuum tank before and after the pressureof tube contrast (relative pressure) 該工程設(shè)計(jì)減壓池的結(jié)構(gòu)尺寸為：減壓池深6.0m；直徑為3.24m；進(jìn)水管位置（即水墊厚度）為2.0m；溢流出水管位置（即底板至溢流出水管中心線高度）為5.0m；進(jìn)水、出水管管徑為DN250；進(jìn)水管入減壓水池長為1.5m。大落差重力流管道輸水技術(shù)具有省電、節(jié)能、投資省、成本低、運(yùn)行管理簡單、方便等優(yōu)點(diǎn)。從勐嘎鎮(zhèn)集鎮(zhèn)供水工程的實(shí)踐來看，在西南中小集鎮(zhèn)供水工程中，它是一種值得推廣的理想的供水方式。
水是生命的搖籃,是地球上一切生物與人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ), 是人類可持續(xù)發(fā)展中不可替代的重要資源。近年來,隨著社會(huì)發(fā)展的需要,需水量不斷增大,為了解決水資源分布不均衡問題,跨流域、跨地區(qū)的長距離輸水已然成 為一種發(fā)展趨勢(shì)。大部分跨流域調(diào)水的長距離輸水工程通常地形起伏變化大,伴隨其中的水錘事故問題也日顯突出,尤其是斷流彌合水錘,危害巨大。為降低輸水成 本,在長距離輸水工程中,當(dāng)?shù)匦螚l件允許時(shí),采用重力流輸水的工程越來越多。因而與此相關(guān)的長距離大高差多級(jí)消能重力輸水管道水錘防護(hù)技術(shù)也成為目前 的輸水管道系統(tǒng)研與本產(chǎn)品相關(guān)論文：不銹鋼減壓閥
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