高落差輸水減壓閥
上海申弘閥門有限公司
之前介紹高溫煙氣減壓閥工作原理，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)運行工況和潛在節(jié)水作用，據(jù)統(tǒng)計其節(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、礦井及其他場合，以保證給水系統(tǒng)中各用水點獲得適當?shù)姆账畨汉土髁?。隨著城市建設的快速發(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)的防爆技術研究作為輸水管道安全運行的重要課題之一,很有必要進行深入研究。 本文研究基于國內(nèi)外發(fā)展概況,對輸水管道爆管的水力因素進行了詳細分析,系統(tǒng)的介紹了供水工程水力過渡過程計算的基本原理和方法;建立了多個邊界條件下的水錘計算數(shù)學模型,用VB語言編寫可視化程序,并利用計算機進行模擬計算。結合咸陽石頭河水庫輸水工程、曹妃甸供水工程實際,對高差大、地形地貌復雜本文結合咸陽市石頭河水庫供水工程實例的升壓分析，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)壓力接近設計工作壓力值的結論，使得選擇管道耐壓等級問題得以解決，對降低工程造價和運行管理費用、保證此類管道系統(tǒng)安全運行提供借鑒。減壓閥是一種利用介質自身能量來調節(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),通過調節(jié)閥減壓導閥,即可調節(jié)主閥的出口壓力。出口壓力不因進口壓力、進口流量的變化而變化，安全可靠地將出口壓力維持在設定植上，并可根據(jù)需要調節(jié)設定值達到減壓的目的。該閥減壓，性能穩(wěn)定、安全可靠、安裝調節(jié)方便，使用壽命長。
一、高落差輸水減壓閥減壓閥的結構及工作原理
減壓閥是一種軸流式調節(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 減壓閥結構示意圖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)外體之間有一軸向對稱流道，見圖1箭頭所示處。
2、 籠 筒
籠筒是減壓閥的關鍵部件，結構見圖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
活塞桿與閥桿構成一個90°的角式傳動機構(見圖1)，活塞借助此傳動機構在導軌內(nèi)沿閥門的中心線運動，活塞桿與閥桿上的45°的齒條相互耦合，閥桿上下傳動，帶動活塞桿及活塞在全行程上前后運動?；钊亩嗣嫔暇鶆蚍植加锌锥?見圖1)，以使活塞內(nèi)外壓力平衡，前后運動時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引，當被推動穿過主密封圈時，閥門前后的差壓強迫主密封圈緊貼活塞壁而緊密關閉閥門。活塞通過活塞桿的導引在籠筒內(nèi)前后運動，閥桿借助它與活塞桿上的45°的齒條傳動活塞桿，當執(zhí)行機構驅動閥桿向上時，活塞向后移動，開大閥門；當執(zhí)行機構驅動閥桿向下時，活塞向前移動，關小閥門。
減壓閥采用了帶氣動閥門定位器的活塞執(zhí)行機構，氣源裝置給執(zhí)行機構提供了一定壓力的壓縮空氣，電／氣轉換器把從控制室來的4～20 mA DC信號轉換為0.02～0.1 MPa的標準氣動信號，傳輸信號為電信號，現(xiàn)場操作為氣動信號。執(zhí)行機構接受控制信號轉換成相應的直線位移輸出，通過推桿帶動閥桿上下移動，從而使閥門開度在全行程上變化。 5、 性能特點 軸向對稱流道。閥體采用了軸向對稱流道，*避免了優(yōu)先流和不必要的流向改變，使噪音和紊流趨勢明顯降低。
氣密級密封系統(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)保證關斷嚴密。 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，因此使用較小的執(zhí)行機構就能達到快動的目的。
二、調節(jié)特性
減壓閥的調節(jié)特性是由閥內(nèi)部件的結構決定的，所謂調節(jié)特性是指流過閥門介質的相對流通能力與閥門相對開度的關系，相對流通能力是閥門某一開度時流通能力與全開時流通能力之比，相對開度是閥門某一開度與全開度之比〔1〕。
減壓閥的調節(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節(jié)特性，小流量時開度約在10%處，這一點使得閥門接近關閉時工作緩和平穩(wěn)，確保關斷嚴密。在正常的可調范圍內(nèi)流量變化與閥門開度成線性關系。圖3 減壓閥特性曲線三、減壓閥在管道中的調節(jié)原理 庫鄯輸油管道使用了兩個減壓閥，并聯(lián)安裝在覺羅塔格減壓站，其中主閥PV1001起主要調節(jié)作用，副閥PV1002起備用調節(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，消耗掉管道高點至末站進站間的多余位能(P2－P3)。 (2)通過減壓閥控制減壓站上游管道的壓力，保證高點正壓運行，并避免高點至減壓站管道內(nèi)出現(xiàn)不滿流現(xiàn)象。 (3)全線停運時，通過減壓閥的嚴密關斷，防止減壓站上游出現(xiàn)不利于再啟動的空管現(xiàn)象。 圖4中高點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——高點高程，m； Z2——減壓站高程，m； P1——高點壓力，Pa； P2——減壓站進站壓力，Pa； Q——管道內(nèi)原油流量，m3／s； d——管道內(nèi)徑，m； L——高點至減壓站間的管道長度，m； γ——油品相對密度，kg／m3； ν——油品運動粘度，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，為了保證高點正壓運行，取P1為0.2 MPa(設計參考值)，由式(1)中可以得出：減壓站的進站壓力P2隨Q變化而變化，Q取首站出站流量。在實際運行中PSP（減壓站進站壓力設定值）由SCADA系統(tǒng)根據(jù)實時測定的Q進行計算得出，并從主機系統(tǒng)實時傳給減壓站的站控PLC，由PLC內(nèi)的PID(比例積分微分)調節(jié)程序對減壓站的上游壓力P2進行控制。 當P2＜PSP時，PV1001關小，直至偏差e＝P2－PSP＝0為止； 當P2＞PSP時， PV1001開大， 直至偏差e＝0為止； 當P2＝PSP時，PV1001保持當前開度。
副閥PV1002是備用調節(jié)閥，其壓力設定值為固定值，即不隨管道流量變化而變化。當主閥PV1001故障關閉或流通能力不夠時，副閥將自動參與調節(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、減壓閥運行工況分析 RZD-RMBX型減壓閥結構*，并在我國輸油管道上使用，由于設計上的疏忽，減壓站進站主流程上未裝過濾器，加之減壓閥的安裝未嚴格按照規(guī)程執(zhí)行，因此導致庫鄯輸油管道在輸水試運期間減壓閥嚴重受堵，流通能力減小，后經(jīng)補裝過濾器，并多次沖洗減壓閥，運行工況才逐漸趨于正常。
通過分析主閥PV1001的兩組運行數(shù)據(jù)，得出如表1所列的結果。 *組?據(jù)中取通過流量約490 m3／h，運行時間為8個月，減壓閥的實際開度從99.61%降為35.36%，經(jīng)過計算，實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，運行時間為4個月，實際開度從56.31%降為40.83%，誤差從23.81%降為8.03%。從表1中可以看出，減壓閥隨著運行時間的累計，流通能力也逐漸恢復，主要原因是減壓閥在運行過程中，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日的兩組運行參數(shù)(見表2)為依據(jù)，對減壓閥的出口壓力與流量的變化進行比較。表1 庫鄯輸油管道主閥運行的兩組數(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，這說明隨著運行時間的累計，減壓閥的運行情況將逐漸趨于正常。 根據(jù)減壓閥的運行情況，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行，減壓閥前應設置合適的過濾器，并應根據(jù)情況適時清洗過濾器。
(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增大，而減壓閥的允許壓差為6.0 MPa，也即當減壓閥前后壓差為6.0 MPa時，它的通過流量已達飽和，若超過6.0 MPa，則閥內(nèi)件將會受到損害，因此運行中的壓差都應小于6.0 MPa。
圖6 出口壓力與流量的變化曲線
1—1998年8月1日的一組運行情況；2—1998年3月21日的一組運行情況；3—流量與出口壓力的關系曲線
(3)減壓閥的執(zhí)行機構采用了氣動驅動方式，保證其氣源裝置的正常工作就是保證減壓閥的正常運行，因此對氣源裝置應定期進行維護和保養(yǎng)。另外，如果能深化減壓閥的理論培訓以及嚴格按規(guī)程施工和操作，那么其運行優(yōu)勢將會得到更好發(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，運行工況復雜，對管道安全運行極為不利。經(jīng)經(jīng)濟技術比較，設計采用分段輸水方案，以降低管道的工作壓力，保證安全運行；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，前后管段構成獨立運行系統(tǒng)（見圖1）。根據(jù)該工程的地形條件，結合已建工程經(jīng)驗，在地形隆起處布置排氣閥，共設置6座。此外，沿線還設置了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)設計內(nèi)壓都將超過130m水柱，根據(jù)一般工程經(jīng)驗，內(nèi)壓超過80m水柱時，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，采用分級消能減壓措施以降低管道正常運行水壓，提高管路運行的可靠性和經(jīng)濟合理性。
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
方案采用沿線設置減壓池。經(jīng)過計算比較，得二級減壓方案壓力可滿足要求，終方案確定為在樁號K2+262和K4+737處設置減壓池。該技術方案可大幅度降低管道正常運行時各種不同工況下的動水、靜水壓力，也能使管道壓力滿足要求。其計算輸水管壓力情況（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處設置減壓池的計算數(shù)據(jù)可知，不設置減壓池樁號K5+641處的正常運行水壓為2.14Mpa，設減壓閥后此處的正常運行水壓降為0.77Mpa，樁號K8+723處不設減壓池的正常運行水壓為1.73Mpa，設減壓池后降為0.60Mpa，此時既滿足了管道正常水壓需求，同時消減了多余水頭，降低靜水、動水壓力，保證管路正常運行，減少了管路漏失水量，同時大大降低了造價。 3.2減壓池結構設計
減壓池為鋼筋混凝土結構，圓形，與大氣相通，井內(nèi)水面為自由水面，根據(jù)減壓池對壓力的要求，池深為6~10m，直徑為3~4m，進水管位于減壓池下端，支墩固定，管口朝下，水墊后約為2m。減壓池上端設出水管，距離池頂1.0~1.5m。進水管和出水
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)高壓水進入減壓池后，利用射流強烈沖擊池的底部，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，進入下一級輸水管道。減壓池結構（見圖2）。
表1 減壓池設置前后管中壓力對比(相對壓力) Table 1 set the vacuum tank before and after the pressureof tube contrast (relative pressure) 該工程設計減壓池的結構尺寸為：減壓池深6.0m；直徑為3.24m；進水管位置（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；進水、出水管管徑為DN250；進水管入減壓水池長為1.5m。大落差重力流管道輸水技術具有省電、節(jié)能、投資省、成本低、運行管理簡單、方便等優(yōu)點。從勐嘎鎮(zhèn)集鎮(zhèn)供水工程的實踐來看，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, 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。大部分跨流域調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?shù)匦螚l件允許時,采用重力流輸水的工程越來越多。因而與此相關的長距離大高差多級消能重力輸水管道水錘防護技術也成為目前 的輸水管道系統(tǒng)研與本產(chǎn)品相關論文：不銹鋼減壓閥
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