阀门系统的过流特性及其对瞬变过程的影响

阀门系统的过流特性及其对瞬变过程的影响

武欢鹏 1 王帅超 2 王帅 3

河南省中原大化集团有限责任公司 河南省濮阳市 457000

摘要：阀门的组合通常可分为串联、并联和串并联。当作为一个集中组件处理时，组合阀系统的组合溢流特性，无论阀的组合是什么，都由系统中所有已知阀门的特性决定。从各阀的溢流特性可以计算出阀系统的总体组合。

关键词：输水管路；阀门；流量系数；瞬变过程；

阀门的过流特性以及水击压力控制是输水管道优化运行的关键技术之一。为了确定复杂阀门系统的流量系数并控制阀门在关闭过程中产生的水击压力,运用有压管流的基本原理推导出阀门系统的综合流量系数计算公式,并以流量系数的变化过程来评估管路中产生的最大水击压力。结果表明,压力管路中产生的最大水击压力与流量系数的变化规律直接相关,对于同样的管路控制工况,流量系数的变化过程越平缓,所产生的水击压力越小。

一、分析阀门的基本特性

为了分析多个阀门组合后的过流特性,可从简单阀门的基本特性出发。不同的阀门结构,阀门的特性也存在较大差别。在固定的开度下,阀门可看成是一个局部阻尼器,阀门上下游水头差与流量的关系可以用二次抛物线方程描述。不同开度对应的曲线族可以描述阀门在任何开度情况下的过流特性。阀门的流量与水

头差之间存在如下关系:

（1）

（2）

（3）

式中:Q为通过阀门的流量,A为阀门的公称面积,Δh为阀门的上下游水头差,g为重力加速度,YV为阀门的阻力系数,f为阀门的开度,Cd为阀门的流量系数。由式(2)和(3)可知,阀门的开度与流量系数存在对应关系,如果知道阀门在任何开度下的流量系数,就可以确定其过流特性曲线。通过该曲线可以确定阀门在任何开度情况下的水头差与流量的关系。不同类型的阀门,它们的过流特性曲线存在较大的差别,图1为几种不同形式阀门的过流特性曲线。

图1阀门的过流特性曲线

在输水管路的调节控制过程中,阀门的流量系数随着开度变化而变化。阀门的流量系数曲线通常是由实验测得的,没有严格的方程与之对应,在计算过程中可以根据实验点进行插值求得不同开度情况下的流量系数。在开度一定的情况下,阀门的流量与上下游水头的关系为；

式中:Hu为上游水头,Hd为下游水头。

二、水泵出水阀门特性对水击的影响

水泵断电时,随着转速的降低,流向上水池的流量不断减小,出水管路产生降压波,这时关闭泵出水口处的阀门就相当于首端阀的关闭,会加剧管中压力的降低。随着转速的不断降低,管中流速逐渐减小至零,然后在重力作用下,上水池的水开始向下游倒流,水泵进入制动工况区,这种情况下关阀就相当于末端阀的关闭,但这并不意味着倒流量马上减小,由于此时水泵转速仍在急剧下降,逆流量将继续增大,水泵处的压力仍在降低。倒流量只有在某时刻达到最大后,才会随着阀门的关闭不断减小,使阀门处产生升压波。另外,水泵处的压力变化过程还要受到整个管路特性的影响,因为水泵处引起的降压波和升压波在上游管路传播时,当遇到分叉点、异径点、调压室、水库等边界条件后,会反射回各种不同性质的压力波。可见,水泵断电的水击变化过程是较复杂的,要同时受到水泵特性、阀门特性和管路特性等多种因素的影响。

三、分析组合阀门的特性

阀门的组合通常为串联、并联以及串并联相结合的形式。无论阀门如何组合,它的最终过流特性由各个单独阀门的特性决定。当组合系统中所有阀门的状态都确定后,阀门系统的过流特性也相应确定。为了将单个阀门的特性与整个组合系统的过流特性联系起来,通过对阀门串并联组合形式的过流特性进行分析,导出相应的计算公式。

1.串联阀门的过流特性。在实际的工程中,为了对某些局部设备进行检修,通常在其上下游设置阀门,这样便形成了阀门的串联。此外,在长距离连续的压力调水线路中,由于调压的需要,通常沿管线安装多个压力控制阀门,这也形成了阀门的串联形式,这种串联阀门间距较大,可以分开考虑。本文只对阀门间距较小的串联形式进行过流特性分析。当阀门在管路中形成串联时,串联阀门系统的总阻力系数为各个阀门的阻力系数之和,阀门系统的流量系数的二次方的倒数是所有阀门流量系数的二次方的倒数之和。当两个或多个相同的阀门串联后,如果阀门同时开启和关闭,阀门的流量系数与开度的关系如图2所示。由于组合阀门系统的阻力系数是各个阀门阻力系数的和,所以串联阀门的流量系数比其中任何单个阀门的流量系数都小。

图2阀门综合流量系数示意

2. 并联阀门的过流特性。当输水管路的流量和管径较大时,可以在控制段将线路分成并行的小管径管道,采取多个阀门并联的方式进行控制。如图3所示的并联阀门,它们的进出口具有共同结点(断面1、2),在忽略拐弯段管道的水头损失情况下,

图3阀门并联的组合形式

当多个阀门形成并联时,并联阀门系统的流量系数为各个阀门的流量系数之和,阀门系统的阻力系数的二次方根的倒数是所有阀门流量系数的二次方根的倒数之和。当两个或多个相同的阀门并联后,如果阀门同时开启和关闭,阀门的流量系数与开度的关系如图2所示。由于组合阀门系统的流量系数是各个阀门流量系数的和,所以并联阀门的流量系数比其中任何单个阀门的流量系数都大。

3.多个阀门复杂组合特性分析。对于复杂的阀门串并联形式,可以通过串联和并联的关系式层层分解节点的方法求解。无论阀门采取何种形式组合在一起,只要阀门系统具有唯一的进口和出口,最终能够用单一的方程描述阀门系统的过流特性。如果把阀门看成一个局部阻尼器,把水头差看成是一种势能差,那么阀门的串并联与电阻的串并联具有非常相似的数学表达式,也就是说,在这种情况下,水流与电流在运动规律上存在一定的相似之处。

四、流量系数变化规律对瞬变过程的影响

如果采用阀门公称面积来对阀门的流量进行计算,那么阀门的关闭过程就是流量系数的改变过程,阀门的过流特性不同,流量系数改变的规律也不相同。以下对几种不同阀门的关闭过程的水击特性进行计算比较。如图4为4种不同阀门在关闭过程中流量系数的变化过程,图5为不同流量系数变化过程导致的水击压力变化。

图4关闭过程中阀门的流量系数变化曲线

图5流量系数变化过程对水击的影响

从计算结果来看,活塞阀和球形阀产生的水击压力较小,而与之对应的阀门流量系数变化过程较平缓;蝶阀和球闸阀产生的水击压力较大,与之对应的流量系数变化过程相对较快。因此,根据需要选用不同类型的阀门并采用流量系数平滑变化的过程,能够合理减小水击压力值。如果流量系数呈线性变化,那么直线关闭阀门的过程可使流量系数变化平缓,这样产生的水击也是较小的,这和以往研究的结果相符。该结果也说明,如果以阀门的公称直径来分析阀门的过流特性,阀门调节的瞬变过程直接与流量系数的变化过程相关。

总之，复杂阀门系统的过流特性与系统中的各个阀门的过流特性存在直接的函数关系,通过阀门系统单个阀门的过流特性的组合公式可以描述整个系统的过流特性。如果以阀门的公称直径来分析阀门的过流特性,阀门调节的瞬变过程直接与流量系数的变化过程相关。对于相似的工况,在关闭过程中,阀门的流量系数变化较平缓(如活塞阀和球闸阀)时,管路中产生的水击压力相对较小。以上的结果针对具体的工况说明了水击压力的变化过程与流量系数的变化过程是直接相关的。对于不同的管路和不同过流特性的阀门,最优的阀门关闭规律可参考阀门的流量系数变化过程来优化选取。

参考文献：

[1]王天玫.阀门过流特性对水击影响的分析.2018.

[2]张新宇，关于阀门系统的过流特性及其对瞬变过程的影响.2019.