適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計(jì)原理
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(zhǎng)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(zhǎng)期無故障運(yùn)行，使用壽命長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)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
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
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
為無量綱閥門流量系數(shù)。
圖1為輸水工程示意圖。
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(kù)的伯努利能量方程為
式中，z1為上游水池水面高程;z2為下游水庫(kù)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
式中，Δz=z1-z2。
由于閥門全開時(shí) τ =1和Q=Qr，從式(4)可得
當(dāng)假設(shè)流量Q隨閥門開度y線性變化時(shí)，有
將式(5)和式(6)關(guān)系代入式(4)可得
整理得
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
可得
、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 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
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(kù)，水庫(kù)設(shè)計(jì)水位為1118.8m。線路全長(zhǎng)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(kù)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。
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
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。
圖5 理想水擊控制調(diào)流閥特性曲線
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。
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。
