阀门在给水管网系统中流量调节特性的研究

曲世琳1、2 , 伍悦滨1、2 , 赵洪宾1 、2

(1.哈尔滨工业大学, 黑龙江哈尔滨 150090; 2.哈尔滨市环境工程学院, 黑龙江哈尔滨 150090)

摘要: 对给水管网系统中常见控件——— 阀门的流量特性进行了深入研究, 建立了用流量调节强度衡量阀门流量调节性能的方法。通过实验, 给出了闸阀固有流量调节强度随相对开度的变化规律, 并指出阀门的最大调节能力取决于其自身结构。为衡量阀门在给水管网系统中的实际流量调节性能, 提出了“ 虚拟阀门” 和阀门“ 权重系数” 的概念, 并通过分析给出了虚拟阀门的流量调节特性随权重系数的变化规律。

关键词: 给水管网;阀门;相对开度;流量调节强度;虚拟阀门;权重系数

Study on Flow Adjustment Characteristic of Valves in Water Distribution System

QU Shi-lin ,WU Yue-bin, ZHAO Hong-bin

Abstract : Valves are one of control components in water distribution sy stems .The flow adjustment characteristic of them is studied. The approach to measuring the flow adjustment characteristic of valves is presented.The regulation on the primary flow adjustment intensity

of gate valves varying with the relative opening degree is obtained by experiments, and it is shown that the maximum flow adjustment ability of valves depends on themselves structures.In addition, the concepts of the imaginary valve and the valve weight factor are given to measure the actual flow adjustment abilities of valves in water distribution systems.

Keywords: water distribution systems;valve ;relative opening degree ;flow adjustment intensity ;imaginary valve ;weight factor

1  前言

给水管网系统的优化控制, 就是通过对管网流量及压力等水力参数的调节和控制, 实现整个系统的优化运行。阀门作为调节管路系统流体传输的重要元件, 可按控制规律实现对流量的调节。因此, 在给水管网中研究阀门流量调节特性对改变系统运行工况, 实现系统优化运行具有重要意义。通常意义上的阀门流量调节特性仅指取决于阀门本身结构的固有流量特性, 在研究给水管网系统中, 阀门的流量调节特性还应同时考虑管路系统的阻力特性才能正确评价阀门在管网系统中的流量调节性能[ 1] 。

2  阀门开启度

通过阀门调节管路系统的流量实质上就是调节阀门的开启度。从水力工况来讲, 启闭件的动

作直接影响到过阀流体的压力变化情况;从几何形状来讲, 启闭件的动作大小是相对于全开时总行程来描述的。因此, 将阀门的开启度分为“水力开度”与“几何开度”[ 1] 。

阀门的“几何开度” 又称为“相对开度” , 是指阀门的阀瓣随着丝杆运动时, 丝杆行程占丝杆从全开启到全关闭行程的比值。几何开度能够直接量测。

阀门的开启通常分为三个区, 即超调区、有效行程区和无效行程区。所谓超调是指阀门过阀流量改变量与阀门开度变化的比值接近无穷大的调节性能, 此状态下阀门可控性差。超调区流量调节能力很大, 但流量可控性差, 易发生超调现象。无效行程区的阀门开度改变所能引起的流量变化很小, 达不到控制流量的作用。流量可控性较好的区域为有效行程区。

3  阀门流量调节性能

3.1  虚拟阀门

当阀门安装在管道时, 将连接管道与阀门一起看作一个假想阀门, 称为虚拟阀门。如在长度

为l , 管径为d , 沿程阻力系数为λ的管道中安装阀门形成一个虚拟阀门, 且流动过程总压降为H 。设阀门阻力系数为ζ, 过阀流量为Q , 此时该管路系统流动方程为:

令:

则式(1)为:

式中 Sl ———管道阻抗, 与管道长度呈正比, s²/m⁵

SV ———阀门阻抗, 是阀门开启度k 的函数, s²/m⁵

若设虚拟阀门阻抗为SH , 则:

虚拟阀门的流动方程为:

3.2  阀门阻抗

图1  实验装置

如图1 所示的实验装置为一循环水系统。其中, 通过变径连接把两套阀门连接在一起, 可同时测定位于3 和10 处两个阀门的阻力特性曲线。压差传感器11 和13 分别测得阀门两端压降, 而通过12 和14 的测值可反推求出管道沿程阻力系数λ。使流动处于阻力平方区, 经过n 次调节某一阀门相对开度k , 由式(6)可得:

由式(7)可绘出阀门阻抗随相对开度变化曲线。