关于锥形消能阀在工程中的应用

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锥形消能阀是采用水流和空气大面积的摩擦生产雾化来进行消能，消能效果十分突出，同时对环境损害很小，由于其布置紧凑，占地小，操作灵活，维修要求低，运行管理方便、可靠，综合成本较低，因此非常适用于大型水利水电工程的生态流量排放和中小水利水电工程的泄流消能。

一．概述

在我国早期的水利水电工程设计中，大多没有考虑生态流量对下游的环境影响，这些工程经过几十年的运行，由于脱流河段环境发生了巨大的变化，使得脱流河段环境出现了恶化的趋势，有的十分严重。随着时间推移，大家对环境的认识越来越重视，要求很多工程进行改造，在脱流河段下泄生态流量，但由于受地形和已建工程的限制，使得工程布置拙荆见肘，十分困难。如何用最小的代价增设下泄生态流量的设施，是工程设计人员急需解决的难题。锥形消能阀正是在这样的情况下被引入我国的。锥形消能阀最早由美国的亨利普安在1926年发明，至今已有70多年的运行历史，最早用于水利水电工程的排放流量，目前已在多个方面得到应用。如印度尼西亚ASAHAN水电站的采用锥形消能阀进行泄流，伊朗Kowsar、Zenouz-Dam、Raees Ali Delvori Dam三个工程用锥形消能阀进行大坝底孔泄流，德国的German water和Lingen工程用锥形消能阀进行生态流量排放，英国的Scott Water Reservoir工程用锥形消能阀进行泄流；我国也有部分工程应用此设备，如宜兴抽水蓄能电站用锥形消能阀进行下水库的放空、泄洪、导流，甘肃的崆峒水库将输水洞平板闸门改建为锥形消能阀进行输水等，但总体来说我国应用还是比较少的。

二．锥形消能阀的优点

Asahan水电站下游有日本公司的给目前亚洲最大的铝厂供电的两个水电站，由于要始终保持下泄流量124m3/s不变，因此，如何解决水电站由于检修、故障一台机不能工作而导致流量不足的状况，通过对比增加一台机组和消能阀，采用了增加消能阀解决此问题。

锥形消能阀是采用水流和空气大面积的摩擦生产雾化（也叫雨伞效应）来进行消能，用于工程消能优点十分突出，且出口水流不直接冲击地面，对环境损害很小，非常适用于大型工程的生态流量和中小水利水电工程的泄流，同时由于其布置紧凑，占地很小，操作灵活简单，维修要求低，运行管理方便、可靠，综合成本低，因此在工程下泄生态流量、消能和泄流布置中，采用锥形消能阀的方式越来越多。锥形消能阀的优点主要如下：

1．结构简单、布置简便：其结构主要包含埋设管、锥形阀体、套筒、蜗轮减速螺杆机（有电动、液压和手动三种）、拉杆、平衡梁、消能罩等几个部份。相比溢洪道、泄洪闸及泄洪洞等建筑物，锥形消能阀体积小、占地小、布置简便，适合布置在狭窄河流区域进行消能，同时其工程造价低低廉。Asahan水电站厂房位置处工作面十分狭窄，可供布置的地方有限，布置专门的泄洪设施，既无地方同时造价也高，经研究，最后采用了从压力管道上引支管接锥形消能阀的方式下泄停机时的流量。伊朗的Kowsar、Zenouz-Dam、Raees Ali Delvori Dam三个工程两岸陡峻，如布置专门的泄洪设施，需要长引水隧洞，造价太高，经工程设计人员研究后，采用大坝底孔泄流的方式。底孔泄流有两种方案，即用闸门和消能阀，闸门方案需要在坝体设计专门的启闭设备，和大坝的表孔泄流启闭设备发生冲突，无法布置，最后采用底孔安装锥形消能阀泄流，布置也十分简单。

2．水力条件：印度尼西亚ASAHAN水电站水头162.5m，同时由于主要停机就需马上开启阀门，所以普通的阀门难以承受频繁的开关以下泄62m3/s，经过对蝶阀、锥形消能阀等几种阀门的对比，最后采用了锥形消能阀。其他工程如伊朗Kowsar、Zenouz-Dam、Raees Ali Delvori Dam、德国的German water和Lingen等工程，其流量系数均在0.82~0.85之间。因此锥形消能阀水力条件突出，具有较高的流量系数，一般流量系数在u=0.80～0.86之间。对于泄流流量较小的工程，锥形消能阀可完全胜任，且其消能效果好。

3．运行管理：锥形消能阀结构简单，重量轻，所需启闭力小，可进行电动、液压及人力操作，操作十分轻便，也适用于无电源的中小型水利水电工程泄流及大型工程的生态流量排放，这使得其布置不必考虑电源的限制，目前设计的锥形消能阀都具备手动和电动（液压）两种操作方式。这些特点决定了其运行管理十分方便，可靠。

三．锥形消能阀的水力及结构计算

目前锥形消能阀的流量计算主要为两种方法：第一采用公式法；第二采用水头和流速关系图法。

1．流量计算公式

Q＝Cd×(2gH)1/2×A；

Q：流量(m3/s)；

Cd：流量系数（一般最大取0.86）；

A：管道内径的截面积（m2）；

H：上游的水头（m）；

G：重力加速度，取9.8m/s2；

根据公式，锥形消能阀的流量决定于水头的高低和管道内径的大小，但实际上由于锥形消能阀要承受高水头、高流速的冲击，从而决定其结构一般采用整体铸造加工，由于受加工设备的限制，根据笔者的统计，目前尚无超过2m口径的消能阀运行记录。目前世界上运行记录中流量最大的是印度尼西亚ASAHAN水电站锥形消能阀，其管径为1.6m，设计水头162m。

2．由于锥形消能阀的水流以宽广的锥形角度扩散，水流条件十分复杂，使得精确计算流量十分困难，为此，通过对很多运行工程的总结和统计，得出水压和流速关系图，通过图表查阅流量是目前比较常用的一种。水头与流量关系曲线如下图。

3．锥形消能阀的长度计算

目前锥形消能阀的阀体长度计算公式各个制造公司的不尽相同，但大多为阀门口径的3倍左右，即：阀体长度＝3×阀门口径。

四．锥形消能阀结构设计中应注意的问题

锥形消能阀由一个固定的锥体和一个可移动的不锈钢套管组成，流量的控制通过不锈钢套管前后移动来实现。

锥形消能阀的结构设计需要注意以下几个问题：

1．如何消除消能时产生的振动：锥心消能阀往往要通过近30m/s的流速，流速极高，如何消除泄流的震动十分关键。Asahan水电站主要采用在锥体和套筒上焊接加强肋（也叫导向叶片）进行加强来解决，加强肋的数量需制造公司计算确定，多为6个，加强肋的厚度需根据水压进行计算；锥体和套筒一般采用采用Q345A材质钢板，目前尚无工程先例采用高强钢制造此阀。钢板厚度需要根据水压进行计算，阀杆采用不锈钢。

2．密封：套管和锥体之间的密封十分关键，最早的锥形阀采用一层软密封，后经工程实践运行，软密封比较容易坏，后来随着制造技术的发展，采用两层密封方式，主密封采用金属密封（硬密封），次密封采用橡胶密封（软密封），采用双重密封来确保零泄漏。Asahan水电站锥心消能阀也采用了双层密封的方式。

3．气蚀：由于通过锥形消能阀的水流流速大，水头压力高。如何确保泄流时在套筒和锥体中不生产气蚀十分关键，特别是在安装有导流罩的情况下，这种情况更为明显。目前制造公司（如德国的VAG、美国的Pratt、英国的AVK公司等）均通过安装专门的补气设备来消除气蚀，即在套筒中安装补气管通到大气中，在泄流时，有大量的气体在水流的高速作用下，补充到套筒中，起到保护套筒和锥体的作用。