高落差输水减压阀

                       高落差输水减压阀   

                      上海申弘阀门有限公司

之前介绍高温烟气减压阀工作原理，现在介绍高落差输水减压阀减压阀主要控制主阀的固定出口压力，主阀出口压力不因进口压力变化而改变，并不因主阀出口流量的变化而改变其出口压力，具有改善系统运行工况和潜在节水作用，据统计其节水效果约为30%。 适用于工业给水、消防供水及生活用水管网系统。广泛用于高层建筑、城市给水管网水压过高的区域、矿井及其他场合，以保证给水系统中各用水点获得适当的服务水压和流量。随着城市建设的快速发展和人民生活水平的日益提高,长距离大型输水工程越来越多,随之而来的工程爆管问题引起越来越多工程人员的注意。长距离重力流输水管道系统的防爆技术研究作为输水管道安全运行的重要课题之一,很有必要进行深入研究。 本文研究基于国内外发展概况,对输水管道爆管的水力因素进行了详细分析,系统的介绍了供水工程水力过渡过程计算的基本原理和方法;建立了多个边界条件下的水锤计算数学模型,用VB语言编写可视化程序,并利用计算机进行模拟计算。结合咸阳石头河水库输水工程、曹妃甸供水工程实际,对高差大、地形地貌复杂本文结合咸阳市石头河水库供水工程实例的升压分析，阐述了恒速减压阀在长距离重力流输水管道系统的防水锤升压作用，提出了分两段设减压阀方案大大降低了管道内压力值，使管道内压力接近设计工作压力值的结论，使得选择管道耐压等级问题得以解决，对降低工程造价和运行管理费用、保证此类管道系统安全运行提供借鉴。减压阀是一种利用介质自身能量来调节与控制管路压力的智能型阀门。用于生活给水、消防给水及其他工业给水系统,通过调节阀减压导阀,即可调节主阀的出口压力。出口压力不因进口压力、进口流量的变化而变化，安全可靠地将出口压力维持在设定植上，并可根据需要调节设定值达到减压的目的。该阀减压，性能稳定、安全可靠、安装调节方便，使用寿命长。
一、高落差输水减压阀减压阀的结构及工作原理
    减压阀是一种轴流式调节阀，由阀外体、阀内体、阀杆、活塞杆、活塞和笼筒组成(见图1)。



图1 减压阀结构示意图1—阀外体； 2—阀内体； 3—活塞杆； 4—阀杆； 5—活塞； 6—笼筒 
1、 阀 体 
    阀体包括阀外体和阀内体，是一完整的铸造体，阀的内外体之间有一轴向对称流道，见图1箭头所示处。 
2、 笼 筒 
    笼筒是减压阀的关键部件，结构见图2。壁面上有许多孔洞，RZD-RMBX型减压阀选用三层笼筒，即笼筒壁面分三层，每层按一定规律分布有许多孔洞，三层壁面按一定的要求组合为一体(见图2)。 



图2 笼筒示意图 
3、 活塞杆和阀杆 
    活塞杆与阀杆构成一个90°的角式传动机构(见图1)，活塞借助此传动机构在导轨内沿阀门的中心线运动，活塞杆与阀杆上的45°的齿条相互耦合，阀杆上下传动，带动活塞杆及活塞在全行程上前后运动。活塞的端面上均匀分布有孔洞(见图1)，以使活塞内外压力平衡，前后运动时不受轴向压力的影响。 
4、 工作原理 
    减压阀是活塞型阀门，活塞在笼筒内被导引，节流发生在活塞边缘与笼筒的孔口之间，油流来自笼筒外，因此在笼筒层孔内油流速度很高，笼筒选用的材质高度抗腐蚀与磨蚀。减压阀有获的密封系统，主密封圈位于笼筒的前端，活塞在全行程上被导引，当被推动穿过主密封圈时，阀门前后的差压强迫主密封圈紧贴活塞壁而紧密关闭阀门。活塞通过活塞杆的导引在笼筒内前后运动，阀杆借助它与活塞杆上的45°的齿条传动活塞杆，当执行机构驱动阀杆向上时，活塞向后移动，开大阀门；当执行机构驱动阀杆向下时，活塞向前移动，关小阀门。 
    减压阀采用了带气动阀门定位器的活塞执行机构，气源装置给执行机构提供了一定压力的压缩空气，电／气转换器把从控制室来的4～20 mA DC信号转换为0.02～0.1 MPa的标准气动信号，传输信号为电信号，现场操作为气动信号。执行机构接受控制信号转换成相应的直线位移输出，通过推杆带动阀杆上下移动，从而使阀门开度在全行程上变化。 5、 性能特点 轴向对称流道。阀体采用了轴向对称流道，*避免了优先流和不必要的流向改变，使噪音和紊流趋势明显降低。 
    气密级密封系统。减压阀具有获的密封系统，即使在恶劣的工作条件下，也能在全压力范围内保证关断严密。 压力平衡。由于减压阀装配了压力平衡活塞，使得操作活塞的轴向力与阀门两端的压差无关，因此使用较小的执行机构就能达到快动的目的。



二、调节特性 
    减压阀的调节特性是由阀内部件的结构决定的，所谓调节特性是指流过阀门介质的相对流通能力与阀门相对开度的关系，相对流通能力是阀门某一开度时流通能力与全开时流通能力之比，相对开度是阀门某一开度与全开度之比〔1〕。

减压阀的调节特性如图3所示。 

    上海申弘阀门有限公司主营阀门有：减压阀(气体减压阀,可调式减压阀,水减压阀从图3中可以看出，减压阀具有良好的线性调节特性，小流量时开度约在10%处，这一点使得阀门接近关闭时工作缓和平稳，确保关断严密。在正常的可调范围内流量变化与阀门开度成线性关系。图3 减压阀特性曲线三、减压阀在管道中的调节原理 库鄯输油管道使用了两个减压阀，并联安装在觉罗塔格减压站，其中主阀PV1001起主要调节作用，副阀PV1002起备用调节作用，库鄯输油管道一期工程水力坡降线示意图如图4所示。

图4 库鄯输油管道一期工程水力坡降线示意图 
    从图4中可以看出减压阀的主要作用是。 (1)在减压站通过减压阀节流降压，消耗掉管道高点至末站进站间的多余位能(P2－P3)。 (2)通过减压阀控制减压站上游管道的压力，保证高点正压运行，并避免高点至减压站管道内出现不满流现象。 (3)全线停运时，通过减压阀的严密关断，防止减压站上游出现不利于再启动的空管现象。 图4中高点与减压站处由伯努利方程得到简化后的稳定流的能量方程〔2〕：

 即 P2＝P1＋γ（Z1－Z2）-γ.hf 由列宾宗公式得： 



（1）式中 Z1——高点高程，m； Z2——减压站高程，m； P1——高点压力，Pa； P2——减压站进站压力，Pa； Q——管道内原油流量，m3／s； d——管道内径，m； L——高点至减压站间的管道长度，m； γ——油品相对密度，kg／m3； ν——油品运动粘度，m2／s； β——流态系数，取0.024 6 s2／m。 其中Z1、Z2、d、L、β、γ、ν为已知，为了保证高点正压运行，取P1为0.2 MPa(设计参考值)，由式(1)中可以得出：减压站的进站压力P2随Q变化而变化，Q取首站出站流量。在实际运行中PSP（减压站进站压力设定值）由SCADA系统根据实时测定的Q进行计算得出，并从主机系统实时传给减压站的站控PLC，由PLC内的PID(比例积分微分)调节程序对减压站的上游压力P2进行控制。 当P2＜PSP时，PV1001关小，直至偏差e＝P2－PSP＝0为止； 当P2＞PSP时， PV1001开大， 直至偏差e＝0为止； 当P2＝PSP时，PV1001保持当前开度。 
    副阀PV1002是备用调节阀，其压力设定值为固定值，即不随管道流量变化而变化。当主阀PV1001故障关闭或流通能力不够时，副阀将自动参与调节，两阀的压力流量曲线如图5所示。


  图5 压力流量曲线图 由图5可看出，主阀PV1001控制上游压力随流量增大而减小，而副阀PV1002控制上游压力为一定值，但两阀出口压力(随流量的变化)相同。四、减压阀运行工况分析 RZD-RMBX型减压阀结构*，并在我国输油管道上使用，由于设计上的疏忽，减压站进站主流程上未装过滤器，加之减压阀的安装未严格按照规程执行，因此导致库鄯输油管道在输水试运期间减压阀严重受堵，流通能力减小，后经补装过滤器，并多次冲洗减压阀，运行工况才逐渐趋于正常。 
    通过分析主阀PV1001的两组运行数据，得出如表1所列的结果。 *组?据中取通过流量约490 m3／h，运行时间为8个月，减压阀的实际开度从99.61%降为35.36%，经过计算，实际开度与理论开度间的误差从71.61%降为7.61%。第二组数据取通过流量约643 m3／h，运行时间为4个月，实际开度从56.31%降为40.83%，误差从23.81%降为8.03%。从表1中可以看出，减压阀随着运行时间的累计，流通能力也逐渐恢复，主要原因是减压阀在运行过程中，笼筒内的堵塞物由于受到高压原油的冲蚀与磨蚀而逐渐减少。以1998年3月21日与1998年8月1日的两组运行参数(见表2)为依据，对减压阀的出口压力与流量的变化进行比较。表1 库鄯输油管道主阀运行的两组数据比较将表2中的数据用曲线表示(见图6)。 
    通过比较可以看出，图6中曲线1较曲线2接近曲线3，这说明随着运行时间的累计，减压阀的运行情况将逐渐趋于正常。 根据减压阀的运行情况，提出以下建议。 
(1)减压阀笼筒上的孔洞很小(φ6 mm)，为保证减压阀的正常运行，减压阀前应设置合适的过滤器，并应根据情况适时清洗过滤器。 
(2)由于减压阀在投产前受堵，笼筒内的堵塞物至今仍有残余，这就使得原油通过减压阀的压差相对增大，而减压阀的允许压差为6.0 MPa，也即当减压阀前后压差为6.0 MPa时，它的通过流量已达饱和，若超过6.0 MPa，则阀内件将会受到损害，因此运行中的压差都应小于6.0 MPa。



图6 出口压力与流量的变化曲线
1—1998年8月1日的一组运行情况；2—1998年3月21日的一组运行情况；3—流量与出口压力的关系曲线 
(3)减压阀的执行机构采用了气动驱动方式，保证其气源装置的正常工作就是保证减压阀的正常运行，因此对气源装置应定期进行维护和保养。另外，如果能深化减压阀的理论培训以及严格按规程施工和操作，那么其运行优势将会得到更好发挥。2 输水管道布置

勐嘎镇集镇供水工程从水头河泉水取水，取水首部没有调节能力，管道供水流量随季节而变化，加上管线长、地形落差大、地形起伏段多，运行工况复杂，对管道安全运行极为不利。经经济技术比较，设计采用分段输水方案，以降低管道的工作压力，保证安全运行；输水管线分成三段，每段的地形落差不超过150m，全线管道大静水压力控制在1.6MPa之内，各分段间用减压池连接，前后管段构成独立运行系统（见图1）。根据该工程的地形条件，结合已建工程经验，在地形隆起处布置排气阀，共设置6座。此外，沿线还设置了4座排泥阀井。

３ 减压消能措施

由于本输水管线沿线下降落差较大，大部分输水管道按常规设计内压都将超过130m水柱，根据一般工程经验，内压超过80m水柱时，管道接头、阀门连接、管件连接等处易出现故障，且影响管道整体安全。因此，针对本工程输水管道系统中普遍存在的静水头和水锤压力大的问题，采用分级消能减压措施以降低管道正常运行水压，提高管路运行的可靠性和经济合理性。

图１ 输水管道分段示意图



Figure 1 Schematic diagram of the pipeline section

3.1减压消能方案

方案采用沿线设置减压池。经过计算比较，得二级减压方案压力可满足要求，终方案确定为在桩号K2+262和K4+737处设置减压池。该技术方案可大幅度降低管道正常运行时各种不同工况下的动水、静水压力，也能使管道压力满足要求。其计算输水管压力情况（见表1），管道纵断面及水压线情况（见图1）。

由表1可知，通过在管路中2+262和4+737处设置减压池的计算数据可知，不设置减压池桩号K5+641处的正常运行水压为2.14Mpa，设减压阀后此处的正常运行水压降为0.77Mpa，桩号K8+723处不设减压池的正常运行水压为1.73Mpa，设减压池后降为0.60Mpa，此时既满足了管道正常水压需求，同时消减了多余水头，降低静水、动水压力，保证管路正常运行，减少了管路漏失水量，同时大大降低了造价。 3.2减压池结构设计

减压池为钢筋混凝土结构，圆形，与大气相通，井内水面为自由水面，根据减压池对压力的要求，池深为6~10m，直径为3~4m，进水管位于减压池下端，支墩固定，管口朝下，水垫后约为2m。减压池上端设出水管，距离池顶1.0~1.5m。进水管和出水

管均为无缝钢管，管径为DN250，粗糙率为0.011，可承压0.6~1.8Mpa。输水管道内高压水进入减压池后，利用射流强烈冲击池的底部，受水垫的作用，水流与井底、井壁剧烈碰撞后，向上翻滚，消耗大量能量后，经减压池上端的出水管溢流排走，进入下一级输水管道。减压池结构（见图2）。



表1 减压池设置前后管中压力对比(相对压力) Table 1 set the vacuum tank before and after the pressureof tube contrast (relative pressure) 该工程设计减压池的结构尺寸为：减压池深6.0m；直径为3.24m；进水管位置（即水垫厚度）为2.0m；溢流出水管位置（即底板至溢流出水管中心线高度）为5.0m；进水、出水管管径为DN250；进水管入减压水池长为1.5m。大落差重力流管道输水技术具有省电、节能、投资省、成本低、运行管理简单、方便等优点。从勐嘎镇集镇供水工程的实践来看，在西南中小集镇供水工程中，它是一种值得推广的理想的供水方式。

水是生命的摇篮,是地球上一切生物与人类赖以生存和发展的基础, 是人类可持续发展中不可替代的重要资源。近年来,随着社会发展的需要,需水量不断增大,为了解决水资源分布不均衡问题,跨流域、跨地区的长距离输水已然成 为一种发展趋势。大部分跨流域调水的长距离输水工程通常地形起伏变化大,伴随其中的水锤事故问题也日显突出,尤其是断流弥合水锤,危害巨大。为降低输水成 本,在长距离输水工程中,当地形条件允许时,采用重力流输水的工程越来越多。因而与此相关的长距离大高差多级消能重力输水管道水锤防护技术也成为目前 的输水管道系统研与本产品相关论文：不锈钢减压阀