一种供水阀系统及其设计方法 |
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| 申请号 | CN202410027868.4 | 申请日 | 2024-01-09 | 公开(公告)号 | CN117536179B | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
| 申请人 | 陕西省水利电力勘测设计研究院; | 发明人 | 毛拥政; 郑湘文; 董旭荣; 刘璟; 陈平平; 安术鑫; 张晓晗; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于供 水 工程供水 阀 应用技术领域，公开了一种供水阀系统及其设计方法，具体包括至少一个供水阀单元，每个供水阀单元包括并联设置的N个供水阀组；N个供水阀组分别对应设置在并联的N个供水管道的预设高程处；N≥1；每个供水阀组包括依次设置在供水管道上的第一检修阀、调流调压阀和第二检修阀。本发明采用至少一个供水阀单元，将水库高程和流量分为多个区段进行分梯段供水，以解决消落深度大的大坝供水问题；通过多个并联设置的具有调流调压阀的供水阀组，进一步解决消落深度大的大坝的供水问题，同时降低调流调压阀的设计及制造难度；通过在调流调压阀的上游端的过滤网，防止 阀体 堵塞。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于高水头大型水库的供水阀系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种供水阀系统及其设计方法技术领域[0001] 本发明公开了一种供水阀系统及其设计方法，属于供水工程供水阀系统应用技术领域。 背景技术[0002] 供水水库是一种利用水库进行调蓄供水的形式。常用的供水方式包括以下几种：第一种：水库下游安装水轮发电机组和弧形闸门组合供水，其一般采用水轮发电机组发电后供水，当水轮发电机组发电受阻，利用弧形闸门进行控制水量消能供水。第二种：水轮发电机组和供水阀单元组合供水，其一般采用水轮发电机组发电后供水，当水轮发电机组发电受阻，利用合理口径的供水阀单元进行消能供水。第三种：多个供水阀单元组合供水，水量需求可通过供水阀系统的不同口径组合，直接消能后供水。 [0003] 针对高坝、大库和消落深度大的大坝枢纽，从节能角度一般多采用前两种组合方式供水。但运用弧形闸门控制流量消能供水，需要设置消力池及供水流道，对场地要求较高；如果场地有限，多采用水轮发电机组与供水阀系统组合完成供水。 [0004] 调流调压阀具有不易堵塞滑道、不易结垢、不易卡阻、驱动装置小，在一定精度内保持恒定，且精度范围也可以进行调整，具有良好的耐气蚀特性等优点，目前广泛应用在供水工程中进行消能供水，但是基于现有的调流调压阀设备，不具备宽水头、大流量和高消能率的特点，无法直接应用在消落深度较大的大型水库供水工程中。 发明内容[0005] 本申请的目的在于，提供一种供水阀系统及其设计方法，以解决现有技术中的调流调压阀无法直接应用在消落深度大、供水流量大的大型水库中的供水技术问题。为实现上述目的，本发明提出了一种供水阀系统及其设计方法，具体方案如下： [0006] 一种供水阀系统，包括至少一个供水阀单元，每个供水阀单元包括并联设置的N个供水阀组； [0007] 所述N个供水阀组分别对应设置在并联的N个供水管道的预设高程处；N≥1； [0008] 所述每个供水阀组包括依次设置在所述供水管道上的第一检修阀、调流调压阀和第二检修阀。 [0009] 优选的，所述调流调压阀的出口处还设置有出口消能部件； [0010] 所述出口消能部件上设置有开孔。 [0011] 优选的，所述每个供水阀组还包括过滤装置和两个压力检测装置； [0012] 所述过滤装置位于所述第一检修阀和所述调流调压阀之间； [0013] 两个所述压力检测装置分别位于所述过滤装置的上游端和下游端。 [0014] 优选的，所述供水阀单元为两个，分别设置在水库下游的预设高程处，用于对所述水库不同高程区段进行分梯段供水。 [0015] 一种供水阀系统的设计方法，包括以下步骤： [0016] 步骤1、根据水库水位特征参数及供水水量需求确定供水方案； [0017] 步骤2、确定所述供水方案中供水阀单元的设置高程； [0018] 步骤3、 确定所述供水阀单元中调流调压阀的出口消能部件的开孔形式。 [0019] 优选的，所述步骤2包括： [0020] 根据所述调流调压阀的气蚀系数公式及根据试验数据拟定的允许气蚀系数方程，计算所述调流调压阀的安装高程； [0021] 根据所述调流调压阀的安装高程确定所述供水阀单元的设置高程。 [0022] 优选的，所述步骤2之后，还包括： [0023] 确定所述调流调压阀的出口消能部件的开孔形式； [0024] 所述开孔形式包括开孔大小、开孔布置方式和开孔总面积。 [0025] 优选的，确定所述调流调压阀的出口消能部件的开孔形式，具体包括： [0026] 获取所述调流调压阀在不同工况下的流阻系数； [0027] 根据所述流阻系数获得适应不同工况的所述出口消能部件的开孔形式。 [0028] 优选的，确定所述出口消能部件的开孔形式之后，还包括： [0029] 将所述调流调压阀的安装高程和所述出口消能部件的开孔形式输入至CFD模型中； [0030] 采用单相流模型进行CFD三维流场分析计算，调整所述出口消能部件的开孔形式，直至获得满足气蚀要求的所述开孔形式。 [0031] 优选的，在所述步骤3之前还包括： [0032] 采用与所述供水阀系统缩比例的模型机试验获得所述供水阀系统的工作参数，判断所述工作参数是否满足工程要求； [0033] 如否，重新拟定所述允许气蚀系数方程，对所述调流调压阀的安装高程进行修正，重复步骤2，直至获得满足工程要求的气蚀和振动要求的安装高程。 [0034] 有益效果：本发明采用至少一个具有调流调压阀的供水阀单元并联设置，将水库高程和流量分为多个区段进行分梯段供水，以解决消落深度大的大坝供水问题；本发明通过多个并联设置的具有调流调压阀的供水阀组，多个供水阀组共同作用，进一步满足消落深度大的大坝的供水问题，同时降低调流调压阀的设计及制造难度；在调流调压阀的上游端设置过滤网，防止阀体堵塞，过滤网与检修阀配合，使结构复杂的调流调压阀可以在不拆卸与管路连接法兰的情况下仍可以清理污物。附图说明 [0035] 图1为实施例一中供水水库及一个供水阀单元的连接示意图； [0036] 图2 为实施例一和实施例二中供水阀单元的结构示意图； [0037] 图3为调流调压阀的安装高程与背压的关系示意图； [0038] 图4为实施例一和实施例二中过滤网的结构示意图； [0039] 图5为本发明实施例二的设计方法流程示意图。 [0040] 图中：1、水库坝体；2、供水管道；3、供水阀单元；301、检修蝶阀；302、调流调压阀；303、球阀；304、过滤网；4、出水池；5、最高水位；6、最低水位；7、消落深度；8、高水头供水区段；9、低水头供水区段；10、安装高程；11、背压。 具体实施方式[0041] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。 [0042] 目前，在大型水库大流量供水工程中，水库的消落深度7可达100m，其供水流量区间阶梯多、跨度大。一般采用将水库高程分为多个区段，流量大小分为多个区段，再通过多种供水方式单独或组合满足供水需求。通过弧形闸门、水轮发电机组和供水阀单元3等供水方式单独或组合进行供水，例如，利用水轮发电机组和供水阀单元3配合供水，采用弧形闸门和水轮发电机组互相配合满足供水需求。具体的，如图1所示，本实施例中，将水库高程分为3个区段，高水头供水区段8、低水头供水区段9和中间区段，本实施例中，采用水轮发电机组与供水阀单元3进行组合供水，水轮发电机组在本工程中可充分利用水库中水体的势能，当水轮发电机组因水头或流量发电受阻时，供水阀单元3进行供水。充分发挥水轮发电机组的流量、水头的发电优势，优化简化工况。经工况分析，采用高水头供水区段8和低水头供水区段9，由供水阀单元3完成。其余区段采用水轮发电机组补偿供水。对整个水库进行分梯段供水。其中，如图1所示，高水头供水区段8为水库最高水位5至向下预设高度的区段，低水头供水区段9为预设高度至最低水位6的区段，消落深度7为水库的最高水位5至最低水位6的高程。 [0043] 但是现有的调流调压阀302不具备宽水头、大流量和高消能率的特点，无法满足供水需求。本发明在供水工况中简化了供水阀单元3的供水区间，明确调流调压阀302的阀前3 阀后的最大压差高达95m，消能过流范围为2—15.5 m /s，设计一种供水阀系统，基于调流调压阀302设计出一种满足消落深度7大的水库供水系统。 [0044] 实施例一： [0045] 一种供水阀系统，包括至少一个供水阀单元3，每个供水阀单元3包括并联设置的N个供水阀组；所述N个供水阀组分别对应设置在并联的N个供水管道2的预设高程处；N≥1；所述每个供水阀组包括依次设置在所述供水管道2上的第一检修阀、调流调压阀302和第二检修阀。 [0046] 具体的，本实施例中供水阀系统包括一个水轮发电机组和一个供水阀单元3组合供水，应当了解的是，在其他实施例中，供水阀系统还可以包括多个供水阀单元3组合供水。本实施例中，供水阀单元3包括两个供水阀组，因本实施例中供水工程规模大、供水流量大，因此，其中的两个供水阀组均为大口径的大型阀。如图1所示，供水管道2的一端穿过水库坝体1，另一端与出水池4连接，在水库坝体1与出水池4之间供水管道2分流为两个供水管道2，两个供水阀组分别设置在两个并联的供水管道2的预设高程，两个供水阀组并联供水，用于低水头区段大流量消能供水、高水头区段小流量消能供水，水轮发电机组用于其他区段和流量的供水。本发明采用多个供水阀组并联设置，降低了调流调压阀302的设计及制造难度；通过将供水区段分为高水头供水区段8、低水头供水区段9，使消落深度7大的大坝供水合理分区，进一步降低调流调压阀302的设计及制造难度。如图2所示，每个供水阀组包括依次设置在供水管道2上的第一检修阀、调流调压阀302和第二检修阀。 [0047] 具体的，其中第一检修阀可以选用蝶阀、闸阀、旋塞阀、截止阀等，具体的，本实施例中，第一检修阀为检修蝶阀301，第二检修阀为球阀303，球阀303能够满足检修和调流调压阀302阀后的水流平顺要求。 [0048] 进一步的，所述调流调压阀302的出口处还设置有出口消能部件；所述出口消能部件上设置有开孔。 [0049] 具体的，本实施例中，调流调压阀302的出口处设置有出口消能部件，出口消能部件上设置有开孔，其中本实施例中开孔的形式根据系统方案确定，出口消能部件用于对流经调流调压阀302的水流消能。 [0050] 进一步的，所述每个供水阀组还包括过滤装置；所述过滤装置位于所述第一检修阀和所述调流调压阀302之间。 [0051] 具体的，如图2所示，供水阀组还包括过滤装置，对于本发明的大口径大型的调流调压阀302，其设计加工制作相对复杂，应在不拆卸与管路连接法兰的前提下清理阀内污物，因此，本实施例中，在调流调压阀302的阀前设置过滤装置，过滤装置位于检修蝶阀301和调流调压阀302之间，具体的，本实施例中，过滤装置为过滤网304，如图4所示，本实施例的过滤网304具有过流能力强、刚度大、水头损失小、不易堵塞和检修方便的特点，因调流调压阀302结构复杂，检修困难，过滤网304可以有效防止调流调压阀302发生堵塞。 [0052] 进一步的，所述每个供水阀组还包括两个压力检测装置；两个所述压力检测装置分别位于所述过滤装置的上游端和下游端。 [0053] 具体的，两个压力检测装置分别位于供水管道2的不同位置，且设置在过滤网304的上下游两侧，具体的，过滤网304位于两个压力检测装置之间，应当了解的是，其他实施例中，两个压力检测装置之间也可以包括检修蝶阀301和过滤装置等。获取两个压力检测装置之间的压力差，用于快速判断两者之间的供水管道2上的阀门是否发生堵塞。具体的，本实施例中，压力检测装置为压力传感器，两个压力传感器分别设置在过滤网304的前后两侧，用于实时获取过滤网304的前后压力值，当两个压力传感器的读数差值超过预设的数值，则说明过滤网304发生堵塞，需要对过滤网304进行检修或清理。 [0054] 进一步的，所述供水阀单元3为两个，分别并联设置在水库下游的预设高程处，用于对所述水库不同高程区段进行分梯段供水。 [0055] 具体的，其他实施例中，用另一个供水阀单元3代替水轮发电机组，两个供水阀单元3分别设置在水库下游的不同预设高程处，两个供水阀单元3的预设高程可能一致，可设置在同一闸室内，也可以在不同预设高程，分别设置在不同闸室，具体结合施工成本等选择合适设置方案。两个供水阀单元3共同作用，完成各个区段、流量的供水。 [0056] 实施例二： [0057] 步骤1、根据水库水位特征参数及供水水量需求确定供水方案； 步骤2、确定所述供水方案中供水阀单元3的设置高程；步骤3、确定所述供水阀单元3中调流调压阀302的出口消能部件的开孔形式。 [0058] 具体的，实施例一中的供水阀系统的设计方法包括：首先，根据供水水库的水位特征参数及供水水量需求，确定供水方案，还包括确定系统结构形式，即每个供水阀组的器件、供水管道2的管径等。具体的，本实施例中，水库消落深度7高达100m，调流调压阀302的阀前、阀后最大压差高达95m，本实施例将供水流量以水库高程分为3个区段，流量大小区间分为5个区段。本实施例中选用一个水轮发电机组和一个供水阀单元3配合，满足每个组合区段的供水需求。根据上述方案，明确供水阀单元3中调流调压阀302用于低水头区段、大流量的消能供水和高水头区段、小流量的消能供水。确定使用两个供水阀组并联供水，两个供水阀组配合使用，降低了供水阀组中调流调压阀302的设计和制造难度。 [0059] 随后，根据供水方案，确定供水阀组中调流调压阀302的安装高程10，如图1所示，供水阀单元3一般设置在供水管道2的末端，后接出水池4，其中调流调压阀302的安装高程10决定了供水阀单元3的设置高程及阀室的建基面高程，因此，应确定供水方案中供水阀单元3中调流调压阀302的安装高程10，继而确定供水阀单元3的设置高程。其中调流调压阀 302的安装高程10应该满足气蚀系数大于允许气蚀系数，即σ＞σ允，以确保在各种运行工况时均不产生超过允许的气蚀破坏。 [0060] 然后确定供水阀单元3中调流调压阀302的出口消能部件的开孔形式，调流调压阀302的出口消能部件的开孔形式与调流调压阀302的调压、调流能力相关，影响调流调压阀 302的气蚀特性，因此，选择合适的出口消能部件的开孔形式至关重要。 [0061] 最后，按照设置高程及设计方案施工，并安装供水阀单元3。 [0062] 进一步的，确定所述供水方案中供水阀单元3的设置高程，包括：根据气蚀系数公式，计算调流调压阀302的气蚀系数，与拟定的允许气蚀系数σ允进行比对，试算得出所述调流调压阀302的安装高程10；根据所述调流调压阀302的安装高程10确定所述供水阀单元3的设置高程。 [0063] 具体的，调流调压阀302的安装高程10计算，气蚀系数σ计算公式为： [0064] [0065] 式中：H1为阀进口水头即水库水头与调流调压阀302的安装高程10之差，单位为米（m）；H2为阀出口水头即调流调压阀302的安装高程10与出水池4的水头之差，单位为米（m）；HAt为当地大气压对应的水柱高度，单位为米（m）；Hd为20℃水的饱和蒸汽压力对应的水柱高 2 2 度，单位为米（m）；V为管道介质流速，单位为米每秒（m/s）；g为重力加速度，取9.81m/s。上述公式中，出水池4的水头及调流调压阀302的安装高程10为变量。 [0066] 在调流调压阀302的高程固定的情况下：如图3所示，出水池4的水头与调流调压阀302的安装高程10的高程差为背压11，即出水池4的水头越高即出水池4设置高程越高，即 H2越大，则背压11越大，即H2与背压11正相关；从气蚀系数公式可以得出结论：在调流调压阀 302高程固定情况下，H2越大，气蚀系数越大。由上可知，背压11越大，气蚀系数越大，气蚀系数越大，则说明抑制气蚀的能力越强，即背压11越大抑制气蚀的能力越强。根据本实施例中 0.0319x 现场试验的资料的数据积累，总结规律，得出σ允=0.0563e ，其中x为阀门开度，e为常数，e=2.718281828459，调整调流调压阀302的安装高程10和出水池4的水头，使对应的H1和H2满足计算获得的气蚀系数σ＞σ允时，调流调压阀302的安装高程10是合理可行的。因此通过计算获得满足要求的调流调压阀302安装高程10及出水池4的运行水位，继而通过调流调压阀302的安装高程10确定供水阀单元3及供水阀单元3所在的供水管道2的设置高程。 [0067] 具体的，所述步骤2之后，还包括：确定所述调流调压阀302的出口消能部件的开孔形式；所述开孔形式包括开孔大小、开孔布置方式和开孔总面积。确定供水阀单元3中调流调压阀302的出口消能部件的开孔形式，调流调压阀302的出口消能部件的开孔形式与调流调压阀302的调压、调流能力相关，影响调流调压阀302的气蚀特性，因此，选择合适的出口消能部件的开孔形式至关重要。 [0068] 具体的，调流调压阀302的出口设置有出口消能部件，出口消能部件上设置有开孔，其中开孔的大小、布置方式及开孔总面积等与调流调压阀302的调压、调流能力相关，常规采用单一流量特性线性关系确定开孔形式，会导致调流调压阀302的调节范围小、调节性能不精确。 [0069] 具体的，针对本实施例中调流调压阀302的阀前、阀后压差大、流量变化范围大的特点，无法采用单一流量特性线性关系确定开孔形式，本实施例中，采用针对高水头区段、小流量和针对低水头区段、大流量的不同工况，获取上述两种工况下调流调压阀302的流阻系数，即获得两种不同的流阻系数，对于中间区段的其他工况，采用水轮发电机组补偿，将复杂的工况简化为高水头区段、小流量和针对低水头区段、大流量的两种工况，根据两种工况的流阻系数参考调流调压阀302生产厂家所提供的对应的出口消能部件的开孔形式，利用CFD模型进行流场模拟（计算流体动力学， Computational Fluid Dynamics ，CFD），比较多种开孔方案在各工况下的流量和气蚀特性，选定开孔形式，使该开孔形式同时满足两种工况下的流阻系数。 [0070] 进一步的，确定所述出口消能部件的开孔形式之后，还包括：将所述调流调压阀302的安装高程10和所述出口消能部件的开孔形式输入至CFD模型中；采用单相流模型进行CFD三维流场分析计算，调整所述出口消能部件的开孔形式，直至获得满足气蚀要求的所述开孔形式。 [0071] 具体的，在CFD模型中输入计算获得的调流调压阀302的安装高程10及出口消能部件的开孔形式的参数；采用单相流模型进行CFD流场分析计算，获得各个工况下调流调压阀302的阀体内压力；如获得使调流调压阀302的阀体内任意区域压力大于预设压力，则判定该出口消能部件的开孔形式设计是合理可行。如获得使调流调压阀302的阀体内任意区域压力小于或等于预设压力，则需调整出口部件的开孔形式，直至获得使调流调压阀302的阀体内任意区域压力大于预设压力的开孔形式。具体的，本实施例中，在各个工况下，如果阀体内出现了低于10000Pa的低压区，则认为调流调压阀302可能出现气蚀。通过此步骤确定了调流调压阀302的出口消能部件的形式。 [0072] 具体的，本实施例中还包括通过CFD模型进行三维流场模拟，确定过滤装置的形式，具体的，本实施例中过滤装置为过滤网304，如图4所示，为本实施例中模拟获得的过滤网304的结构示意图。 [0073] 进一步的，采用与所述供水阀系统缩比例的模型机测试获得所述供水阀系统的工作参数，判断所述工作参数是否满足工程要求；如否，重新拟定所述允许气蚀系数方程，对所述调流调压阀302的安装高程10进行修正，直至获得满足工程要求的气蚀和振动要求的工作参数，获取使工作参数满足要求的对应的安装高程10。 [0074] 具体的，本实施例中，还包括：利用1:5的模型机进行整个供水阀系统的模型试验，该模型机与实施例一及实施例二确定的供水阀系统等比例缩小，通过模型机测试供水阀系统的流阻系数、流量调节特性、气蚀特性、振动特性等工作参数，判断工作参数是否满足工程要求，即比较模型机的实测数据与上述步骤中CFD模型的仿真结果进行契合度比较，如满足要求，投入加工生产具有上述开孔形式的调流调压阀302。如不满足，重复步骤2，即重新拟定允许气蚀系数方程σ允，对所述调流调压阀302的安装高程10进行修正，重复步骤2，再进行CFD模型仿真计算，对出口消能部件的开孔形式进行修正微调。直至获得满足气蚀、振动要求的调流调压阀302的安装高程10与开孔形式。最后加工设置具有上述开孔形式的调流调压阀302。 [0075] 具体的，本实施例中进行CFD模型流场仿真中还包括：使调流调压阀302的出口流态平顺的衔接，平稳过渡。本实施例采用球阀303，因其结构平滑顺畅，使得调流调压阀302内的过流断面由阀腔内的环状向出口处轴心汇合时能够平稳过渡，避免因流道结构变化造成的水流紊乱而产生的振动、噪声和空化。 [0076] 具体的，本发明采用球阀303，是因为球阀303可同时满足检修及水流平顺的要求。 [0077] 最后，根据实施例一的设置结构及实施例二的设计结果安装供水阀系统。包括供水阀系统的水轮发电机组，供水阀组的检修蝶阀301、过滤网304、压力传感器、调流调压阀302和球阀303。 [0078] 如图5所示，本发明通过水库参数及供水需求确定供水方案，随后确定供水阀的设置高程；即根据理论研究计算获得供水阀单元3中调流调压阀302的安装高程10，随后拟定出口消能部件的开孔形式，然后将上述获得的安装高程10、开孔形式及供水阀系统中的其他部件等参数代入至CFD模型中，进行CFD三维流场分析，判断供水阀系统是否满足气蚀特性的相关要求，如不满足，调整出口消能部件的开孔形式；如满足，则在CFD三维流场分析后，进行1:5的缩比例模型试验，判断供水阀系统是否满足工程要求，如是，则加工生产调流调压阀302，如否，重新拟定允许气蚀系数方程σ允，计算供水阀系统中调流调压阀302的安装高程10，重新拟定开孔形式，通过CFD三维流场分析调整开孔形式，重复上述步骤，直至满足工程要求。 [0079] 本发明采用理论研究计算、CFD模型三维流场仿真以及1:5的模型机试验，对关键阀门及整个供水阀系统进行模拟和研究，确保工程设计可行、安全和可靠。本发明利用有限的空间，解决消落深度7大的大坝的供水问题，节约了工程投资，多重验证，保证了供水工程运行安全。 [0080] 本发明采用至少一个具有调流调压阀302的供水阀单元3并联设置，将水库高程和流量分为多个区段进行分梯段供水，以解决消落深度7大的大坝供水问题；本发明通过多个并联设置的具有调流调压阀302的供水阀组，多个供水阀组共同作用，进一步满足消落深度7大的大坝的供水问题，同时降低调流调压阀302的设计及制造难度；在调流调压阀302的上游端设置过滤网304，防止阀体堵塞，过滤网304与检修阀配合，使结构复杂的调流调压阀 302可以在不拆卸与管路连接法兰的情况下仍可以清理污物。 |
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