中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津市 300222
摘要：阀门是保证水电站安全稳定运行不可或缺的重要部件，它用于控制各管道系统的正常工作，实际应用中，常规阀门多用做维持管道的开/关状态，功能单一。本工程采用固定锥形阀及活塞式流量调节阀等特种阀门用于实现调流、消能等功能，此种设置布置紧凑、占地小、操作灵活、综合投资低、运行管理方便，综合投资较低。
关键词：固定锥形阀 活塞式流量调节阀 消能 调流
1 前言
某水利枢纽工程位于阿勒泰地区，水库为多年调节能力的水库，总库容为2.94亿m3。工程任务为工业供水和防洪，兼顾灌溉和发电。工程设置有工业供水及生态流量管路，鱼道生态补水管路，其中工业供水及生态流量管路用于机组停机或水库水位低于最低发电水位以下时下放生态流量和工业用水。鱼道生态补水管路用于每年4~6月份下放鱼道用水。其中工业供水及生态流量管路工作阀采用固定锥形阀，用于下泄流量时消能，鱼道补水管路工作阀采用活塞式流量调节阀，用于鱼道补水时精确调流，消能。
2 电站概况
水库水位范围为986.00m~1027.00m，水库水位落差较大，电站设置最低发电水位1005.00m。考虑本工程任务为工业供水和防洪，兼顾灌溉和发电，为保证在机组停机时不影响向下游供水，在机组压力钢管岔管处引出一条DN1600的旁通管至下游尾水，要求旁通管路应在水库水位986.00m~1027.00m的范围内，下泄流量在4.8m³/s~11.6m³/s的范围内连续可调。为保证4~6月份鱼类洄游，工程设置有鱼道，在机组压力钢管岔管处引出一条DN800的鱼道补水管，要求鱼道补水管路应在水库水位986.00m~1027.00m的范围内，控制恒定的下泄流量1.5m³/s。
3 设备型式选择
旁通供水管路下泄流量范围4.8m³/s~11.6m³/s，水头范围约为19m~38m，鱼道补水管路下泄流量恒定为1.5m³/s，水头范围为16m~57m，可选的阀门型式为活塞式流量调节阀和固定锥形阀，两种阀门具有调流和消能的功能。
活塞式流量调节阀工作原理：阀门由壳体、导流体、活塞缸、曲柄连杆、驱动装置等组成，通过一个活塞状圆柱体在阀体内轴向运行，改变阀体内套筒的过流面积，从而改变阀门过流量，流量调节具备较好的线性关系。流道成轴对称布置，流体经过时不会产生紊流，水柱在套筒内对撞消能，气泡在套筒中央溃灭，从而避免阀体气蚀破坏，整个阀门振动及噪音较小，根据上下游压差的大小，套筒型式可分为锥孔型、鼠笼型、扇叶型、环喷型、复合型等多种型式。该阀门类型调节精度高，但是过流能力相对较低。
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图1 活塞式流量调节阀示意图
锥形阀工作原理：阀门由阀体、套筒闸、导流锥、导流罩（根据需要）、传动杆、驱动装置等组成。通过套筒闸前后移动调节阀门开度，水流从阀体内流出，撞击在45°的锥体上，水流以辐射状散射出去，然后与空气/水体摩擦成水雾状，从而达到消能的目的。安装型式可根据现场情况设置为水平式、垂直式、45度式等多种型式，即可对空出流也可淹没出流。该阀门类型消能效果好，过流能力强，过阀流速高，布置灵活，但是调节精
度相对较差。
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图2 活塞式流量调节阀示意图
针对本项目两条管线的供水特点，旁通供水管路供水流量大，对阀门通流能力要求较高，同等条件下流量系数越高则阀门体积越小，相对投资越小，对阀门的调节精度要求相对较低，因此选用锥形阀。鱼道补水对流量调节精度要求较高，流量过大/过小均会影响诱鱼和鱼类洄游的效果，因此选用活塞式流量调节阀。
4 阀门参数选择与设备布置
4.1 阀门参数选择
锥形阀应在水库水位为986.00m~1005.00m的范围内，下泄流量在4.8m³/s~11.6m³/s的范围内连续可调，阀门应满足两个条件：1）阀门在水库水位最低时下泄最大流量；2）阀门在水库水位最高时下泄最小流量。同时结合锥形阀的特点，过阀流速不宜超过25m/s，阀门开度不宜小于10%。结合以上要求及引水管道特性，计算选择阀门直径为1.4m，压力等级为1.0MPa。
活塞式流量调节阀应在水库水位为986.00m~1027.00m的范围内，下泄流量在恒定为1.5m³/s，阀门应满足两个条件：1）阀门在水库水位最低时下泄最大流量；2）阀门在水库水位最高时下泄最小流量。同时结合活塞式流量调节阀的结构特点，过阀流速不宜超过6m/s，阀门开度不宜小于5%。结合以上要求及引水管道特性，计算选择阀门直径为0.8m，压力等级为1.0MPa。
4.2 阀门布置
本工程所在地区气候寒冷，冬季极端最低气温可-42℃，若阀门布置在室外，对阀门材料、密封材料、执行机构要求均较高，且同时需要阀室内设置供暖装置，提高了运行维护工作量，结合本电站情况，将阀门布置在安装场下阀坑内，其中锥形阀导流罩固定在厂房侧墙内，采用淹没出流，侧墙外部设置消能池，结合尾水渠布置，消能池长度约为15m，宽度为3.9m，消能池与尾水渠联通，联通箱涵面积为2m×4m，箱涵底部高程969.0m，高于正常尾水位968.84m，正常情况下，消力池内充满水，作为水垫协助消能，同时，在消力池侧壁加装钢板提高消力池防冲能力。当锥形阀密封圈损坏时利用水泵抽干消能池内积水，从消能池内进入更换密封圈。
为便于阀门安装维护，在阀门顶部安装单轨电动葫芦。同时在阀坑内设置渗漏集水坑，由两台潜水排污泵排至尾水渠。
5 经验与结语
（1）在该项目背景下，利用锥形阀作为机组旁通下泄供水流量，简化了工程布置，降低了工程投资，同时锥形阀通过较高的过流系数降低了设备体积，更进一步降低了设备投资，也给后续运行维护带来了便利。
（2）本工程利用活塞式流量调节阀下放鱼道用水，通过较高的调节精度保证了鱼道供水的可靠性，从而保证了鱼道过鱼能力。
（3）近年来，类似活塞式流量调节阀和锥形阀等特种阀门在水利水电工程中利用越来越多，为实现工程任务提供了新的解决方案，而且降低了工程投资，多个工程的成功应用证明了其运行安全可靠，可以在后续工程继续推广使用。
作者简介
马果 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222
刘婕 女 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222