李凤滨

(辽宁省大伙房水库输水工程建设局， 辽宁 沈阳 110166)



长距离输水工程调流阀过流特性研究

李凤滨

(辽宁省大伙房水库输水工程建设局， 辽宁 沈阳 110166)

长距离输水工程中调流阀承担着控制和调节流量的重要责任，因此过流特性对准确操作调流阀非常重要。本文根据自动化系统所采集的数据，运用阀门的压力流量关系理论，经分析计算得到调流阀过流特性曲线簇，并研究定压输水时，调流阀阀门开度与流量的关系。结果表明：当压差固定时，调流阀阀门开度越大，阻力系数越小，过流量越大；但阀门开度与过流量并非线性关系，而是存在一个转折点，当阀门开度大于这个转折点时，阀门开度与过流量接近线性关系。本文为长距离输水工程流量控制的运行管理提供了准确有效的理论基础。

长距离输水工程； 过流特性； 调流阀； 压力差

1 引 言

辽宁省大伙房水库输水(二期)工程管线长度约154.4km，一期工程输水规模327万m3/d，承担辽宁中部六大城市(抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、营口、盘锦)的供水任务，供水保证率95%，具有输水距离长、供水目标多、供水量大的特点。整个干线上安装有23个调流阀，各支线及进水厂前分别安装一到多个调流阀。这些调流阀承担着重要任务：消能调压、控制日常进入水厂的流量、对进入水厂的流量按照计划进行增量(减量)调整，以及突发事故紧急情况下停水[1]。由于各个净水厂能够容纳的水量不同，需要干支线上的调流阀准确控制供水量，否则易造成溢出甚至淹没厂区等情况，这就要求准确掌握各个调流阀的过流特性[2-3]。

由于气蚀、长时间淤积等原因，易造成调流阀运行过程中过流特性曲线与出厂时的特性曲线有所偏差，这就造成水利工程调流过程中不能准确有效地操控调流阀，不能准确调节流量。此时，为达到计划供水量，需来回变动调流阀开度，如此将对工程不利，易存在隐患。

本文在自动化系统所采集数据的基础上进行分析整理，得到调流阀的流量系数，画出阀门过流特性曲线，并采用插值法得到较为准确值，便于工程执行调度操作。

2 调流阀过流特性理论的提出

a.调流阀的工作原理。调流阀通过带有许多小孔内套筒的轴向伸缩调节过流面积，以达到节流调压的目的。在输水管道中用来调节压力，消除多余能量。在定压输水时，可用来调节流量。阀门的流量与水压差之间存在如下关系[4]：

(1)

(2)

式中Q——通过阀门的流量,m3/s；

KV——流量系数，无量纲；

ΔP——调流阀前后压力差,100kPa;

γ——水的重度,N/m；

A——阀门的公称面积；

A*为参数值，可通过试验数据拟合得出；

ζ——阀门的阻力系数。

阀门阻力系数ζ与阀门的开度及制造工艺等因素有关，当阀门投入运行后，阀门的淤积情况也会影响阻力系数ζ的大小。

b.阀门开度的确定。在定压输水时，需要得知准确的阀门开度才能有效地调节流量。实际工程中，由于用水单位的计划需要增加水量，而该水量增量从瞬时流量角度看往往很小，能达到0.1m3/s级别，在阀门过流特性曲线簇中是查不到对应的阀门开度增量的。这是由于厂家所提供的阀门过流特性曲线簇是通过试验得到，不够详细。而通过运行数据的提取得到的阀门过流特性曲线簇，也是由特定的几个固定开度(工程运行中阀门开度往往尽量保持不变)所对应的曲线组成，这就导致过流特性曲线簇不够细腻。出现此种情况可以通过插值的方法得到。这里给出在固定水压差时，线性插值公式：

(3)

式中n1——当前的开度；

Δn——开度增量；

n2——与n1邻近的开度；

Q1——当前的流量值；

ΔQ——计划的流量增量；

Q2——n2所对应的流量(在固定的压差下)。

3 工程实例

以大伙房水库输水(二期)工程中辽阳支线调流阀为例，进行阀门过流特性的研究。该支线调流阀的前后都安装有压力传感器，阀门前装有超声波流量计，采用自动化系统实时采集数据。所采集的数据正适合用于研究该阀门的过流特性。

a.调流阀流量系数KV的求取。选取实际运行情况下的压力、流量等水力参数进行分析，从而得到流量系数KV。数据选取要求：整个输水工程无操作，尤其是该阀门无操作的条件下，保证压力、流量、开度都较为平稳，从而选取数据。图1、图2给出调流阀在九种不同工况下的前后压力差、流量变化情况，每一组都为时间上连续的20个数据点。 根据式(1)能够求得调流阀流量系数KV。不同工况下20个数据点所计算出的KV值很相近，它具有一般工程的正态分布性质，离散度较低。例如：工况一的标准差才0.04(如下页表所列)，因此每组KV的平均值，很具有参考性。表中给出不同工况下的计算结果，n为调流阀的开度值。根据式(1)可画出该调流阀实际的过流特性曲线簇，结果如图3所示。根据实际运行工况得到的流量系数KV更贴近当前调流阀的过流特性，对输水工程运行管理有较高的参考价值。

图1 各个工况下的流量Q

图2 各个工况下的调流阀前后压力差ΔP计算结果表

n/%KV平均值KV标准差工况一13.190.3150.004工况二10.390.2580.005工况三14.640.3600.004工况四21.820.6080.016工况五23.010.6520.006工况六23.830.6730.013工况七33.190.9980.007工况八41.611.2980.012工况九56.211.7700.010

从图3可知，当调流阀前后压力差固定时，阀门开度越大，流量越大；阀门开度越小，阻力系数越大，过流量越小。图4给出在该调流阀前后压力差固定为100kPa时，阀门开度与过流量的关系。该图表明阀门开度与过流量并不是线性关系，在阀门较小时，过流量变化不大，流量曲线坡度较小，当阀门开度大于15后，阀门的过流量倾斜度变大，流量曲线坡度变大。这个过程表明，调流阀阀门开度与流量存在一个转折点，当大于转折点后阀门开度与流量接近线性关系，这种现象对输水工程中准确调节流量非常重要。

图3 该支线调流阀的过流特性曲线簇

图4 在压力差不变时调流阀开度与流量的关系

b.在已知流量增量时求取阀门开度。当阀门在某个运行状态下，需要通过操作阀门开度来达到流量增量的目的，即在固定压差下，已知流量增量，要求知道阀门开度，可以通过查询图3的曲线图，运用式(3)得到需要操作的阀门开度，以达到调节流量的目的。

4 结 论

基于自动化系统采集的数据，运用阀门的压力流量关系理论，经计算可率定调流阀的过流特性曲线簇，为输水工程流量控制提供准确有效的理论基础。结果表明：ⓐ当压差固定时，调流阀阀门开度越大,阻力系数越小,流量越大；ⓑ存在一个转折点，当大于转折点后,阀门开度与流量接近线性关系，这种现象对输水工作中准确调节流量非常重要。

[1] 曲兴辉,周林虎.大伙房水库输水(二期)工程全线调度规程[R].沈阳：辽宁省大伙房水库输水工程建设局，2011.

[2] 刘晓俊.水库水文无线数据监测及自动监测技术研究[J].水利建设与管理，2014(12):66-68.

[3] 王金华.计算机监控系统改造在观音阁水库电厂的应用[J].中国水能及电气化，2014(7):55-57.

[4] 范建强.VAG调流阀的设计选型[J].水利建设与管理，2015,9(1):28-30.

Study on flow regulating valve overflow characteristics in long-distance water conveyance project

LI Fengbin

(LiaoningDahuofangReservoirWaterConveyanceEngineeringConstructionBureau,Shenyang110166,China)

Flow regulating valve in long-distance water conveyance project has important liability of controlling and regulating flow capacity. Therefore, overflow characteristics are very important to accurately operate the flow regulating valve. In the paper, valve pressure flow relation theory is applied for obtaining overflow characteristic curve family through analysis and calculation according to the data collected by automation system. The relationship between flow regulating valve openness and flow capacity during water conveyance under fixed pressure is studied. The results show that when the pressure difference is fixed, the flow regulating valve openness is larger, resistance coefficient is smaller, and overflow is larger. However, the valve openness and overflow do not form linear relationship. There is a turning point. When the valve openness is larger than the turning point, valve openness and overflow are closer to the linear relationship. The paper provides accurate and effective theory basis for the operation and management of long-distance water conveyance project flow control.

long distance water conveyance project; overflow characteristics; flow regulating valve; pressure difference

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.11.010

TV672

A

1005-4774(2016)11- 0038- 03