重力流长输管道利用蝶阀开度调流调压的规律研究

        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：
        （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

        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