重力流长输管道利用蝶阀开度调流调压的规律研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)秦皇岛市引青管理局 作者:李东艳

  对于没有调流减压设施的重力流输水工程,利用蝶阀开度增加局部水头损失可降低管道压力和调节管道流量。以引青济秦管道为例,对4种直径(DN1000~1600),流量在0.7~2m3/s,阀门旋转角度在40°~70°的水头损失进行计算,对蝶阀调流调压的规律进行研究和总结。

  蝶阀结构简单,所需安装空间小,操作便捷,具有良好的调节特性,可以实现快速启闭以及全开时流阻损失小,因此应用广泛。安装在管道上的蝶阀不仅可用于控制管路的通断,而且也可以用于流量和管道压力的调节。

1、工程概况

  对重力输水管道设计[1],在设计流量下按公式计算得到的水压线与实际情况相符,而小流量情况下计算的水压线存在较大的剩余水头。以引青济秦管道为例,长距离输水管道部分根据城市用水需求分期完成,一期取水位48m,二期取水位76m,设计运行压力为0.4MPa[3],上游设计流量是5.36m3/s,下游管道设计流量为3.95m3/s,即日供水34.13万m3/d。工程建成后日供水量最高为27.97万m3/d,最少只有9万m3/d,远没有达到设计供水流量,为保证管道安全,需要减压运行。一期工程没有减压设施,在水量调度没有更好的运行方法之前,只能依靠调整蝶阀群的开度来调节管道的压力,控制管道的流量。虽然阀门开度的变化对不同管径的影响规律是相同的,但是幅度差即调节曲线相差很大,为保证管道运行安全,必须掌握阀门开度消能规律。

2、蝶阀调压调流的计算

  重力流长输管道的输水能力,与管道上游的水位、输水管道的断面面积和管道的长度等特征有关。在输水过程中水的能量损失分为两种:沿程损失和局部损失[2]。蝶阀开度引起的水头损失属于局部水头损失。

  以一段管道为例(见图1),阀门轴线与管道水平线的夹角α为蝶阀阀板旋转角度,υ为管道内流速(m/s),则由阀门开度引起的局部水头损失为:

重力流长输管道利用蝶阀开度调流调压的规律研究(1)

  式中 Q——管道过水流量,m3/s;

  A——管道过水断面面积,m2;

  ξ——水头损失系数;

  ξ的数值基本上不受温度、压力和流量变化的影响与阀门开度有关。ξ取值见表1。

表1 不同开度ξ取值

重力流长输管道利用蝶阀开度调流调压的规律研究

  对DN1600、DN1400、DN1200和DN1000四种管径进行研究,单管流量0.7~2.0m3/s,阀门开度从40°~70°计算水头损失,将结果绘制了多条调压曲线,见图2。

图2 各管径管道不同蝶阀开度时水头损失

3、规律分析与操作经验探讨

  (1)对于同一条管道,在同一流量下,阀门开度越小(α越大),引起的水头损失越大;阀门开度越大(α越小),引起的局部水头损失越小;同一条管道,开度相同,流量越大,引起的水头损失越大。

  (2)相同开度,管道直径越小,消能曲线越陡,减压效果越明显。以α=50°为例,在流量1.5m3/s,DN1600消能0.9m,DN1000消能5.90m。

  (3)α<40°时,对所有管道的压力影响不大,即消能效果不明显,此时只对流量影响较大。

  (4)管道内大流量的情形下,开度不能过小(α不能过大)。重力流管道通常为低压管道,水头损失过大,对管道运行不利。

  (5)α≥60°还需要减压时宜半度操作,不论是哪种管径,α从60°~65°消能效果非常快;65°~70°消能曲线很陡,在实际操作中要格外引起注意。

  (6)利用阀门开度计算消能幅度时,注意α值增加使压力减小的同时,流量也会减小;计算减压效果时,要综合考虑,这也是利用阀门开度消能和调节流量的复杂所在。

  (7)避免α大角度运行。利用蝶阀开度消能和调节流量虽然在工程上应用广泛,但是实际操作起来却相当复杂。操作时应谨慎选择α值较大的运行状态。部分开启的阀门,水流边界条件改变,过水断面急剧收缩,水流对阀门的冲刷力很大;阀门开度越小,冲击力越大,同时水流不稳,容易裹挟气体,因此对管道的整体运行安全非常不利,会造成阀门振动,地面振动,噪声非常大,对于阀门本身有损害,对工程运行也会埋下隐患。在调度上,对复杂管道,应综合考虑管道运行方案,尽量避免阀门小开度运行。

  (8)由于计算过程中近似处理、实际操作中的开度误差等因素影响,实际上,利用蝶阀群控制流量、水压存在一定的近似性,精确程度不是非常高。

  (9)择机安装调流调压阀。调流调压阀能有效调节长输管道的压力和流量,近年来的大型引水工程中有应用案例。本工程在条件允许时宜增设此装置。

参考文献

  1 杨纪伟,郑薇薇,李书芳,等.重力输水管道水压特性分析.人民黄河,2009.31(2):80~81

  2 吴持恭.水力学.北京:高等教育出版社,1989.143~145,194

  3 袁华俊.引青工程调度运用对策探讨.河北水利,2010,(增刊):24~25

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