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阀门在给水管网系统中控制功能的研究 曲世琳赵洪宾吴晨光 哈尔滨工业大学给排水系统研究室 李虹孙松 大连市自来水集团有限公司 摘要：本文对给水管网系统中主要控制部件——阀门的流量特性进行了深入分析。在理 论上，分析了阀门“开启度”k与阀门流量调节强度F、阀门流量调节精度F。的关系，并建 立了k-F的数学模型。在此理论基础上，分析阀门动作对管网系统流量的调节功能。通过实 验室实验对不同类型，不同管径的阀门进行了实验研究，并绘制了每一个开启度下的过阀流 量特征线。通过现场实测验证，并应用于大连旅顺口区给水管网的水力分析，证实了模型的 可行性。为给水管网优化控制提供了可靠的参考依据。 关键词：开启度、流量调节强度、流量调节精度、特性曲线 1． 概述 城市给水管网系统是逐年发展起来的，不同时间铺设的管道年代会有很大差异，致使管道 内部腐蚀状况、粗糙程度及管道内过水断面的减少程度相差悬殊。导致管网中的局部阻力与 实际管网的局部阻力有较大的偏差。因此，用常规给水管网模拟计算得到的结果与实际管道 的流动状况很难吻合。阀门是产生局部阻力的主要因素，对阀门阻力系数确定的真实度直接 关系到对给水管网模拟计算的准确度。 本文对给水管网中常见阀门的阻力特性进行深入的研究，并对旅顺口区给水管网中阀门 进行模拟实验，获得相对开度与阀门流量特性的关系。通过研究阀门的“几何相对开度”与 阀门阻力系数的关系得出阀门流量的特性曲线，并通过阀门流量调节强度来分析阀门的有效 调节区。 2． 阀门流量调节特性的分析 2．1阀门流量调节精度 流量调节精度是衡量流量调节特性的一项重要技术指标。定义阀在某一开度下的流量调 节精度为占，，11’2。，即： 铲等 (2一1) 从流量调节精度分析，△g。i。和占。越小越有利于流量调节，只是该值减小后，改变相同 流最时所需要阀门动作的时间要加长。对于管网系统，阀门动作时间加长对管网的稳定性不 ——234—— 会影响很大，因为管流由一个恒定的流动状态变化到另一个恒定的流动状态，所需的时间， 往往要大于阀门的动作时间。 2．2阀门流量调节强度 阀门是变阻元件，其达到控制流量的功能是通过改变阻力来实现。 为了衡量阀门的流量调节特性，定义阀门流量调节强度为阀门单位开启所引起的流量变 化与该点流量之比I n 3I，即： F：!堕(2--2) q dk 式中 F——流量调节强度，简称为调节强度： q——在相同压差下，过阀流量与阀最大开度下的流量之比： k——阀相对开度，阀的开度，与阀最大开度，m。2_．Lh。 Ak：垒童，根据公式(2—1)和公式(2～2)可得： ￡：生鲤：垒!笪：坠鱼：坠F(2--3) q lq Ak l q Ak l ndk l 阀门的可识别最小的行程△，lni。是一个常数，由公式(2—3)可知s。的变化趋势决定于凡 流量调节强度，综合反映了阀门在某一开度下对流量的调节能力。阀门主要作用是通过改变 流量来达到控制目的，故，反映了阀门开度变化对流量调节作用的大小。尸值越大，调节能力 越强，当尸值超过某一值后，易出现超调现象；，值越小，阀门的调节能力越弱，而，值过 小会使阀门失去调节能力。因此将，作为衡量阀门优劣的主要指标。 3． 阀门阻力特性分析 当管道中安装有阀门时，管道的流动方程为： Ah，=@r+SH)Q2 (3一1) 式中 △玩——阀门诱端的总水头差(m)； Q——过阀流量(m3／s)； SⅣ——管道的阻抗(s2／m5)； SⅣ——阀门的阻抗(s2／m5)，它是阀门开启度k的函数； 令皿为管道的阻抗与阀门全开时的阻抗之比： ——235—— m：显 SⅢ 则公式(3—1)为： △而f=协sⅢ+sⅣ(七))Q2 当阀门全开时公式(3—3)为： Ah。、=@Ⅳ+S啪)Q。。2 由于公式(2—2)中，q表示在相同压差下，过阀流量与阀最大开度下的流量之比，故 将公式(3—4)除以公式(3一1)可得g的关系式： q 2 阻±兰型：／垃 1f SⅣ+S∥ 1『1+D矿 式中 DⅢ——阀门全开时的阻抗之比； ％=S＆VM=磊1 D旷——阀门在任意开度下的阻抗之比； 驴要 公式(3--5)描述了安装在管路中阀门的相对流量与阀门阻抗和管路阻抗的关系。通过 公式(2--1)与公式(3—5)可获得实验阀f-1的流量调节强度F： F：三堕：一 q班 2@Ⅳ+S矿)砒 (3—6) 通过F值可获得阀门的流量调节能力。在可调节的范围内，，值越大则调节能力越强。 当阀门安装在管道时，可将连接的管道与阀门看作为一个阀门，称为虚拟阀门，其阻抗 可表示为S P=S矿+S|￡，，则公式(3—6)可转换为： F：一土盟：一土盟(3--7)，■ =一———?———————————_一=：一2峪Ⅳ+Sl，)缎 2sv砒 由公式(3—7)通过阀门的调节可获得阀门与管段组