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减压阀压力管理基础理论以及阀门设计

2021-12-08 02:04:56
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<一>、供水管网压力管理基础理论
供水管网漏失率与管网服务压力密切相关,服务压力越高则漏失水量越大。
目前供水企业在进行管网设计时常以用水较大日较大时管网不利点满足正常供水所需的服务水头作为设计目标。管网较不利点通常是管网中高程较大点或距离水源较远的节点,这主要取决于管网拓扑结构和一些其它因素。由于大多数供水系统是以用水高峰时较不利点满足较小服务水头进行设计的,而在此情况下管网水头损失较大且干线管至支管入口压力较低。因此采用这种设计思想会导致在用水低峰时段管网产生过高的富余压力。绝大多数供水系统在夜间或凌晨由于管网水压过高发生爆管就充分说明以上设计方法的缺陷。总之,减压阀在绝大部分时段管网运行压力要高于较低需求值,且根据变化面积出流理论,漏失随着压力的升高而增加,显而易见通过降低管网富余压力可以达到控制漏失的目的。
压力管理的主要目标就是要使管网的富余压力较小化,以此来降低漏失和爆管率。目前在世界范围内己经有不少优化压力控制漏失的成功案例。在较新的减压阀CPRV)及电子、水力式控制器的协助下,应用压力管理策略实现管网漏失较小化己经成为可能。
目前在边界封闭的计量分区(DMA)中使用减压阀调节压力是较为常见的压力管理措施。在单入口分区供水系统中,先导式减压阀较易实现优化控制和监测,但当管网发生事故时供水可能中断。多入口供水系统提高供水性,但减压阀优化控制过程复杂,且由于减压阀间的相互影响会导致管网压力不稳定。
当减压阀的出口压力随流量自动调节时,压力管理将变得加。减压阀出口压力的改变可以由电力驱动或水力驱动。前者需配有流量计、减压阀控制器和电磁阀。这种方式主要的缺陷是需要持续供电,以及电力设备由于长期暴露在野外容易损坏,相比较而言水力式的减压阀设置条件要简单许多且鲁棒性强。
在压力控制方案实施之前,减压阀的静态和动态过程都需要被充分考虑。
静态过程减压阀出口压力根据流量变化而改变,使管网背景漏失达到较小并始终满足较不利点的较低需求压力。动态过程主要考虑如何避免由于阀门之间相互影响造成的管网压力剧烈波动。深入分析减压阀的动态过程能提高控制策略的稳定性,同时进一步降低漏失。本文主要针对减压阀的静态过程开展研究,对于动态过程的优化将在后续工作中予以讨论。
供水企业通过压力管理来降低漏失、爆管发生频率和延长基础设施寿命。
另外压力管理应与能耗管理一并考虑,因为两者之间是有密切联系的。通过压力管理可使水泵需要提升的水量减少,从而达到节能降耗的目的。
<二>、阀门减压阀设计
200X型先导式减压阀由阀体、活塞、增压缸、阀芯等零部件组成。
减压阀的动作由水力差压驱动。阀门上部有一个增压缸,用于增加关闭时的力量,至全关位置时,也能形成足够的密封比压使阀门达到密封状态以防止阀前后串压。
流体的能量是靠阀芯上的节流小孔来的,水通过节流小孔时形成较大的阻力,将压力能通过射流转化为动能,在阀芯的中部发生碰撞。按照物理学的碰撞理论,对心碰撞可以实现速度的衰减,从而将部分动能转化为热能,造成水温的升局。
水用200X型先导式减压阀应该采用锥孔作为节流单元,因为锥孔出口不会产生压力恢复,闪蒸产生的气泡不会在孔口破裂,从而能气蚀;采用锥孔的另外一个原因是:锥孔出口,能够达到好的减压消能效果。
阀门设计的两个重要问题是:一是活塞缸和增压缸的直径如何选择,以阀门足够的差动能力,能在允许压力偏差阂值外产生及时的响应,阀门的稳态性能和动态响应速度;二是节流单元的设计,以阀门具有的流量系数和良好的动特性。这几个问题将在后续章节予以研究和讨论。

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