適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計(jì)原理

2013-07-15 楊開林 中國水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)研究所

  對(duì)于管道水擊,理想的水擊控制多噴孔套筒式調(diào)流閥特性是使流量隨開度y線性變化,這時(shí)關(guān)閉調(diào)流閥引起的水擊壓力升高最小。本文推導(dǎo)得到理想調(diào)流閥無量綱閥門流量系數(shù)S與開度y和管路特性之間的解析計(jì)算公式,計(jì)算研究了理想調(diào)流閥水擊控制的效果,提出了具體的實(shí)施方法。

  多噴孔套筒式調(diào)流閥的誕生已經(jīng)有40年的歷史(Miller,1969;Burg,1977),目前在輸水工程中獲得廣泛應(yīng)用。

  多噴孔套筒式調(diào)流閥有如下優(yōu)點(diǎn):(1)可以在高壓差環(huán)境下,長期無氣蝕運(yùn)行;(2)可以全程(由全開到全關(guān))調(diào)流調(diào)壓,調(diào)流精度高,一般為過流量的±0.5%;(3)無危害性噪音和振動(dòng),用于清水時(shí),可以長期無故障運(yùn)行,使用壽命長達(dá)30~50年;(4)可以采用電力、液壓等多種方式驅(qū)動(dòng),既可以現(xiàn)場(chǎng)操作,也可以遠(yuǎn)方控制;(5)消能、減壓范圍廣,能適應(yīng)上游水頭的不斷變化。

  現(xiàn)有多噴孔套筒式調(diào)流閥無量綱閥門流量系數(shù)S和開度y特性曲線是線性的,或者上凸的,最新的研究表明,對(duì)中高水頭、長距離、大流量管道輸水工程,現(xiàn)有調(diào)流閥特性的設(shè)計(jì)存在水擊過程控制困難的問題,其原因是在大開度時(shí),流量隨開度y的減小改變不大,使得流量的改變集中在小開度,導(dǎo)致水擊壓力過大,或者關(guān)閉時(shí)間太長而無法實(shí)施。為此,2009年筆者針對(duì)一個(gè)實(shí)際工程研究了適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥,并被工程設(shè)計(jì)采用。

  現(xiàn)在的問題是,應(yīng)該依據(jù)什么設(shè)計(jì)適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥?設(shè)計(jì)原理、方法、性能如何評(píng)估?

  對(duì)于管道水擊,理想的水擊控制多噴孔套筒式調(diào)流閥,簡稱為理想調(diào)流閥,特性是使流量隨開度y線性變化,這時(shí)關(guān)閉閥門時(shí)的水壓與關(guān)閉時(shí)間成正比,在相同的線性關(guān)閉時(shí)間,調(diào)流閥引起的水擊壓力升高最小。

  本文將首先研究理想調(diào)流閥設(shè)計(jì)原理,然后通過計(jì)算研究理想調(diào)流閥水擊控制的效果。

1、理想調(diào)流閥設(shè)計(jì)原理

  調(diào)流閥進(jìn)出口水頭損失可描述為

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  式中,ΔH為調(diào)流閥的水頭損失;Q為通過調(diào)流閥的水流流速;A為截面積;ζ為閥門局部阻力系數(shù);g為重力加速度。

  式(1)可以改寫為

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  式中,ΔHr為調(diào)流閥全開,即y=1.0時(shí)的調(diào)流閥的水頭損失,其中下標(biāo)r表示調(diào)流閥全開;q=Q/Qr

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  為無量綱閥門流量系數(shù)。

  圖1為輸水工程示意圖。

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圖1 輸水工程示意(高程單位:m)

  參考圖1,管道上游水池與下游水庫的伯努利能量方程為

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  式中,z1為上游水池水面高程;z2為下游水庫水面高程;S為管道阻抗系數(shù)。上式右邊第三項(xiàng)表示線路水頭損失。

  將式(2)代入得

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  式中,Δz=z1-z2。

  由于閥門全開時(shí) τ =1和Q=Qr,從式(4)可得

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  當(dāng)假設(shè)流量Q隨閥門開度y線性變化時(shí),有

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  將式(5)和式(6)關(guān)系代入式(4)可得

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  整理得

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  式(7)就是理想水擊控制調(diào)流閥τ與y的關(guān)系。換句話說,只要滿足式(7)條件,流量就隨閥門開度線性變化。圖2示出了理想調(diào)流閥無量綱閥門流量系數(shù)S與閥門開度y的關(guān)系曲線。顯然,理想調(diào)流閥特性曲線是下凹型。

圖2 理想調(diào)流閥特性曲線

  由

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  可得

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  式(8)就是理想水擊控制調(diào)流閥F與y的關(guān)系。當(dāng)給定 適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計(jì)原理、流量Qr和調(diào)流閥標(biāo)稱直徑,則可由式(1)得到ΔHr,然后利用式(8)獲得理想水擊控制調(diào)流閥 適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計(jì)原理隨y的變化規(guī)律,據(jù)此廠家可設(shè)計(jì)閥標(biāo)稱直徑以及閥體上噴孔的大小及沿周向和軸向的分布規(guī)律。

  需要說明,上面的分析是基于恒定流動(dòng),沒有考慮管道水擊的影響。下面以一個(gè)工程實(shí)例分析水擊的影響。

2、理想調(diào)流閥水擊控制效果

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圖3 引黃北干線倒虹線路管道高程

  山西省引黃北干線倒虹線路如圖3所示,依靠重力輸水。倒虹進(jìn)口樁號(hào)為43755.64,管道中心高程為1242.80m。設(shè)置在線式多噴孔套筒式調(diào)流閥1,按2臺(tái)工作1臺(tái)備用考慮,單閥過流量按4.2m3/s設(shè)計(jì),樁號(hào)為56520m,管道中心高程為1115.4m。倒虹出口處樁號(hào)為118 009.67,管道中心高程為1117.5m,設(shè)置球型閥2,后接水庫,水庫設(shè)計(jì)水位為1118.8m。線路全長74.25km,采用內(nèi)徑2.2m的PCCP輸水。

  計(jì)算條件:倒虹吸管進(jìn)口水位1247.3m,出口水庫水位1118.8m;管道糙率n=0.012;調(diào)流閥采用線性關(guān)閉。

  初始條件:在線調(diào)流閥1和球型閥2全開,相對(duì)開度y=1.0,流量8.4m3/s。研究表明,采用原來廠家提供的多噴孔套筒式調(diào)流閥,即使調(diào)流閥線性關(guān)閉時(shí)間為1500s,閥前水壓也高達(dá)149m水頭,見圖4,其中球型閥開度保持不變。

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圖4 原廠家調(diào)流閥關(guān)閉水擊過渡過程

  當(dāng)用理想控制調(diào)流閥代替原來的調(diào)流閥,將本工程參數(shù)Δz=128.5m、ΔHr=4.9m代入式(7)得

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  據(jù)此可繪出如圖5所示理想調(diào)流閥特性曲線。當(dāng)理想調(diào)流閥線性關(guān)閉時(shí)間分別為200s、400s,則采用水擊特征線方法計(jì)算(楊開林,2000)可得圖6、圖7所示水擊過渡過程曲線,y1和q1分別是調(diào)流閥的相對(duì)開度和流量。

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圖5 理想水擊控制調(diào)流閥特性曲線

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圖6 理想調(diào)流閥關(guān)閉過渡過程

  從圖6和圖7可得下述結(jié)論:(1)受水擊壓力的作用,流量與閥門開度近似成線性關(guān)系;(2)閥前水壓隨關(guān)閉時(shí)間的增加顯著減小;(3)在同樣的閥前水壓條件下,采用理想調(diào)流閥可以顯著縮短線性關(guān)閉時(shí)間。比較圖4和圖6,雖然理想調(diào)流閥線性關(guān)閉時(shí)間由原來廠家調(diào)流閥的1500s減少到200s,但是兩者閥前水壓幾乎相同。

3、適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計(jì)

  綜上所述,理想調(diào)流閥改善管道水擊控制效果非常顯著。同時(shí)需要指出的是,由于理想調(diào)流閥流量與開度是線性正比關(guān)系,所以它也可以提高正常輸水流量控制的精度。

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圖7 理想調(diào)流閥關(guān)閉過渡過程

  在理論上,制造廠可以通過設(shè)計(jì)閥標(biāo)稱直徑以及閥體上噴孔的大小及沿周向和軸向的分布規(guī)律生產(chǎn)出理想調(diào)流閥,但是,在高水頭、大流量條件下,可能會(huì)大大增加調(diào)流閥閥體尺寸和生產(chǎn)成本。在這種情況下,可以采用折衷的辦法,生產(chǎn)實(shí)用的適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥。其原則是:無量綱閥門流量系數(shù)S與閥門開度y特性曲線必須是下凹曲線或者折線,一般說來,設(shè)計(jì)的S與y曲線越接近理想調(diào)流閥越好。

4、結(jié)語

  對(duì)于管道水擊,理想的水擊控制多噴孔套筒式調(diào)流閥特性是使流量隨開度y線性變化,這時(shí)關(guān)閉閥門時(shí)的水壓與關(guān)閉時(shí)間成正比,在相同的線性關(guān)閉時(shí)間,調(diào)流閥引起的水擊壓力升高最小。

  本文解析推導(dǎo)得到設(shè)計(jì)理想調(diào)流閥無量綱閥門流量系數(shù)S與閥門開度y的計(jì)算公式,證明理想調(diào)流閥特性曲線是下凹形。理想調(diào)流閥不僅能夠顯著提高管道水擊控制效果,而且可以提高正常輸水流量控制的精度。

  制造廠可以通過設(shè)計(jì)閥標(biāo)稱直徑以及閥體上噴孔的大小及沿周向和軸向的分布規(guī)律生成理想調(diào)流閥,也可以采用折衷的辦法,生產(chǎn)實(shí)用的適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥。其原則是:無量綱閥門流量系數(shù)S與閥門開度y特性曲線必須是下凹曲線或者折線,一般說來,設(shè)計(jì)的S與y曲線越接近理想調(diào)流閥越好。