1 工程概况
张坊水源应急供水工程位于北京西南部，水源为拒马河胜天渠引水。该工程建成后主要供北京西南部的燕山石化总公司、长辛店水厂及田村山水厂等企事业单位的工业和生活用水。以上用户现均由密云水库供水，通过本工程的建设可替换水源，以此来尽量保留密云水库蓄水，减轻水库的供水负担，缓解目前北京市城市用水的紧张状况。
引水水源地地势高，为充分利用这一优势，节省运行费用，经多方案比较，并考虑到本次工程的应急特点，最终采用重力输水方案，即自张坊西关上胜天渠引水口利用
2工程运行要求与调节措施
2.1工程运行要求
根据工程总体布置，输水管道前后端分别与清水池和末端水池相连，在重力自流输水方式下，管道最大输水能力
末端水池共有2根出水管道，管径分别为DN1600和DN1200，两管道最大分水能力分别为
2.2调节措施
在类似本工程这样需要减压调流的管路系统中，最早的做法通常是采用多组蝶阀或闸阀配合使用来满足工况要求，但闸阀只有全开全闭功能，一般不应在半开启状况下运行；蝶阀在开启度小于40%时，汽蚀、振动较为严重；所以这种方法往往是以牺牲设备使用寿命和系统的运行安全为代价来满足运行工况要求。随着技术发展，国外出现能较好解决此问题的调节阀。20世纪90年代我国阀门企业在消化吸收国外同类产品的基础上，开发研制出自己的调节阀，并在市政供水、水利电力工程上得到很好的应用。根据这一情况，本工程决定采用调节阀作为输水管路的调节措施。
2.3 调节阀设置的位置
本工程为保证供水管道的流态稳定，降低关阀水锤等对管道的危害，在距清水池
出于同样考虑，并为了便于操作、管理，末端水池出水管道上的2个调节阀分别设在靠近用户端的燕化和田村山处。工程总体布置见图1。
2.4 对调节阀的要求
为了满足工程的运行需要，调节阀必须具备以下条件：
（1）干管调节阀应满足表1中流量、压力关系。
（2）末端水池DN1600和DN1200分水管上的调节阀应分别满足表2和表3中流量、压力关系。
（3）调节阀运行中所产生的汽蚀、振动、噪音应很小。
（4）调节特性好、调节范围宽。
（5）能根据压力或流量变化自动调节。
表1 干管调节阀流量、压力对应关系
|
管中流量/ |
4.0 |
3.8 |
3.6 |
3.4 |
3.2 |
3.0 |
2.8 |
2.6 |
2.4 |
|
阀前水位/m |
120.4 |
121.1 |
121.7 |
122.3 |
122.9 |
123.4 |
123.9 |
124.4 |
124.8 |
|
阀后水位/m |
119.4 |
117.1 |
113.9 |
110.9 |
108.1 |
105.4 |
103.0 |
100.7 |
98.5 |
|
管中流量/ |
2.2 |
2.0 |
1.8 |
1.6 |
1.4 |
1.3 |
1.2 |
1.1 |
1.0 |
|
阀前水位/m |
125.2 |
125.6 |
125.9 |
126.2 |
126.4 |
126.5 |
126.6 |
126.7 |
126.8 |
|
阀后水位/m |
96.6 |
94.8 |
93.1 |
91.7 |
90.4 |
89.8 |
89.1 |
88.8 |
88.2 |
表2 末端水池DN1600流量、压力对应关系
|
管中流量/ |
2.55 |
2.05 |
1.55 |
1.05 |
0.55 |
|
阀前水位/m |
66.7 |
71.39 |
79.37 |
83.22 |
85.38 |
|
阀后水位/m |
66.7 |
66.7 |
66.7 |
66.7 |
66.7 |
表3 末端水池DN1200流量、压力对应关系
|
管中流量/ |
2.0 |
1.45 |
1.35 |
1.15 |
1.0 |
0.8 |
|
阀前水位/m |
83.37 |
84.88 |
85.03 |
85.30 |
85.47 |
85.66 |
|
阀后水位/m |
82.0 |
82.0 |
82.0 |
82.0 |
82.0 |
82.0 |
3 调节阀的选型设计
3.1 调节阀种类与应用情况
根据结构形式的不同可以把调节阀分成孔板式、疏齿式、活塞式（针式）、环喷式、网孔式等几种。下面对以上几种调节阀从结构型式、优缺点、应用情况等几方面进行比较。
（1）孔板式调节阀采用带孔阀板结构。此类调节阀流阻大，水头损失大，易形成负压，产生汽蚀，调节范围小，调节效果差。仅适用于小口径和调节要求不高的工况。
（2）疏齿式调节阀是在普通蝶阀阀板上安装了整流片分散水流。其阀板开度范围为25%~65%，控制程度和精度都不高，仅适用于调节效果不高的工况。
（3）活塞式调节阀（针阀），关闭部件形似活塞，通过它沿管路作轴向运动来调节过流面积，根据出口部件型式的不同又分为E，F，S，L型，此阀具有过水流量大，汽蚀较轻，可通过调换出口部件来改变水流特性等优点，但也有流阻大，关键部件体积大，制造成本高，流道尺寸难以控制、且有背压要求等缺点。该产品国内外均有生产，是早期产品，技术比较成熟。2003年北京十三陵水库采用铁岭阀门厂生产的DN900的活塞调节阀作为放空阀，2000年北京自来水集团分钟寺调压站使用德国VAG公司2台DN1200的活塞式调节阀来调节管网压力。
（4）环喷式调节阀，阀内关闭部件是一个能前后移动的活塞筒，出口部位有一导流作用的锥形顶帽，使水流斜向前形成环形喷射流，通过改变活塞筒与锥形导流体之间的面积达到调节的目的。由于阀后设有补气阀门，因此具有较小的汽蚀系数，运行时振动、噪音较小，流量调节范围大，调节性能好。2000年湖北锁金山水电站采用湖北洪城股份公司生产的DN1400的环喷调节阀，作为电站进水管道调节流量使用。
（5）网孔套筒调节阀（多喷孔调节阀），该阀过流部件是四周布有网状锥孔的喷管，喷管外有可以前后轴向移动的套筒，随着套筒的移动，喷管上锥孔露出的数目随之增加或减少，这样就达到调节的目的。由于水是通过喷管四周均匀向内喷射并碰撞后流出阀外，因此消能效果好，运行振动、噪音小，调节精度高，并具有优良的耐汽蚀性，但喷管的材质以及锥孔的加工要求较高，设备造价高，对过阀水质要求高。2002年长沙阀门厂生产的DN1400的网孔套筒调节阀被应用于万家寨引水工程中。
3.2适用于本工程的调节阀的选型设计
经过以上技术经济比较，初步选择网孔调节阀和环喷式调节阀使用于本工程，但哪一种能作为干管调节阀适用其需削减压力大、流量调节范围广、使用条件差、调节精度高的工况呢?需对2种型式的调节阀做进一步比较选择，下面从汽蚀性能、振动、流量-开度曲线、流阻系数一开度曲线等4方面进行分析比较。
汽蚀一般分为2个阶段。第1阶段，当液体流经调节阀的缩流处，由于过流断面减少，流速增加，此处液体的静压力降低，当低于此温度下液体的饱和蒸汽压力时，部分液体将汽化成气泡或空腔，这种现象称为闪蒸。第2阶段是这些气泡和空腔向缩流处的后面流去，随着流束截面扩大，液体静压力逐渐恢复，当恢复到高于其饱和蒸汽压力时，气泡迅速破裂而液化，此过程称为空化。由于气泡和空腔的迅速崩溃，释放出来的能量产生强大的局部压力，使阀门运行时产生有害噪音和振动，并对阀体和管道产生侵蚀而破坏材料组织。
判定阀门在管路中的汽蚀性能如何，一般是看阀门的允许汽蚀系数δk是否小于使用工况的汽蚀系数δ。
其计算公式为：
式中：
H - 大气压与其温度相对应的饱和蒸汽压力之差，/0.10MPa；
H1- 阀后（出口）压力，/MPa；
ΔP- 阀前后的压差，/MPa.
以压差较大的干管调节阀处的工况计算H1=0.029MPa，ΔP=0.39MPa，故可计算出此工况下汽蚀系数为0.33，而蝶阀、环喷式调节阀和网孔式调节阀的允许汽蚀系数δk分别为2.5，0.21，0.19，可看出，如使用蝶阀调节，将会发生严重汽蚀，而环喷式调节阀和网孔式调节阀均能安全使用。但相对而言，网孔式调节阀的抗汽蚀性能要优于环喷式调节阀，从其结构型式也能看出，环喷式调节阀的缩流处为活塞筒与导流锥体之间，汽蚀将发生在此处和后面的出流部件上，网孔调节阀由于喷射孔是锥孔而非直孔，这就避免了在喷射孔的边缘发生汽蚀，水流从喷管四周的锥孔进入喷管内部相互撞击不但削减了能量而且大量气泡也随之破裂，这样大部分汽蚀就不会发生在阀体内壁了，因此网孔式调节阀具有较优良的抗汽蚀性能。
2种型式的调节阀在工作时，流体对阀所产生的作用力都是径向载荷，受力平衡，不象蝶阀那样调节时会产生偏激振动。调节时由于阀内外水压能自身平衡，故开关操作时轻便平稳。
从图2可以看出，网孔式调节阀的流量-开度曲线的线性度比环喷式调节阀要好。对调节阀来说，其流量-开度曲线的线性度越好，其操作执行机构越简化，也更易于实现自动调节，提高调节精度。对于流量-开度曲线是非线性的调节阀，为了满足自动控制的要求，则需要较为复杂的执行系统和控制软件，调节精度也不高。因此在这方面网孔式调节阀要优于环喷式调节阀。
从图3可以看出，2种调节阀在开度较小时，流阻系数都很大，此时过流量小而水头损失大；在开度较大时，流阻系数则较小，此时调节阀流量大而水头损失小，它们的这种特性符合输水管路流量、压力调节的要求。但在全开状态下网孔式调节阀的阻力系数要略大于环喷式调节阀，即在全开时网孔式调节阀的过阀损失要略大于环喷式调节阀。
通过以上比较分析，最终选定网孔式调节阀应用于干管上。并由调节阀流量系数
水头损失
计算可知，由1台口径为DN1600调节阀或2台DN1200调节阀并联运行均可满足工况要求。但目前国内网孔调节阀厂家尚无DN1600规格的生产能力，如采用DN1600网孔式调节阀则需国外采购，设备投资将增大且要延长供货期，满足不了工程施工进度要求，因此最后采用2台DN1200并联运行的方案，工作时2台调节阀以同样的开度同时运行，当1台故障时则另1台完全承担调节任务。同样通过计算选定DN1000的环喷式调节阀和DN1200的环喷式调节阀分别用在末端水池DN1200和DN1600的分水管上，来调节管中水流的流量和压力以满足用户的需要。
4 结语
安全运行了一段时间，据运行单位反馈意见知，该阀操作简单、性能稳定，运行中的振动和噪音较小，调节精度和效果都达到了预期目的。
除在类似张坊水源应急供水的重力输水系统中应用外，调节阀还广泛地使用在水库泄水系统、市政供水管网、热电厂冷却循环水系统等场合，担负着流量、压力的调节作用。同时，随着科学技术的发展，结构型式不同、调节性能更高、运行效果更好的调节阀将被研制出来，因此在调节阀的选型设计时，要根据工程的实际情况和需求，从调节阀的调节特性、过流能力、汽蚀指数、可调比等技术角度进行分析比较，并从适用性、先进性、运行管理和价格等多方面综合比较，以便选出适合工况要求的调节阀，使系统能够安全、稳定、高效运行。