水力减压阀在压力控制中的应用

《水污染防治行动计划》(“水十条”)明确要求2017年漏损率控制在12%，2020年控制在10%的地方政府责任目标。供水企业对供水管网漏损管理的重视程度日益提高，尤其是水资源匮乏的城市，解决管网漏损和节约水资源等问题迫在眉睫。为了加快达成“水十条”要求的目标，快速实现节水，降低漏损率，采用压力控制手段是解决问题的有效途径之一。

与使用闸阀或蝶阀进行压力控制相比，水力减压阀具有更强的快速节水效果、平衡管网压力、减少爆管、延长管网使用寿命等优势，能稳定、精准调压，降低漏失率。水力减压阀控制阀后的压力波动越小，说明减压阀的性能越好。水力减压阀使用卷帘式隔膜，能够在低流量下精准调压，使管网正常运行。市场上的减压阀品牌众多，良莠不齐，节水效果也不同。笔者研究了适合供水管网实施压力控制的减压阀应该具备的性能，并分析了水力减压阀性能对压力控制的影响。

1 水力减压阀的节水效果与管网运行

某区域有2个DN600入水口，其上游管道为同一条DN1200的管道。该区域供水服务面积约为10 km2，供水服务人口约为26.8万，用水户约为10万，管线总长为215 km，以球墨铸铁管为主。该区域在水厂附近，管网压力较高，有冗余水头。为实现区域精细化压力管理，平衡区域压力，延长管网资产寿命，采取压力控制策略。由于管网拓扑结构和水力工况复杂，2个入水口直线距离相距2 km，增加了压力控制的难度。选择品牌X水力减压阀，图1中圆点表示减压阀的安装位置，三角形表示压力监测关键节点。

图1 减压阀安装示意
Fig.1 Schematic diagram of installation of PRV operation curve

图2所示为实施压力控制前管网的运行情况，水司调整了2个入水口管道上的闸阀开启度，以控制水压。在高峰用水阶段管网水头损失较大，管网平均压力波动在16.93%，管网压力不均衡。

图2 压力控制前管网运行情况
Fig.2 Operation of the pipe network before pressure control

从图3可以看出，利用减压阀控制后，管网平均压力波动为1.8%，实现了管网压力平衡。

图3 压力控制后管网运行情况
Fig.3 Operation of the pipe network after pressure control

从表1可以看出，PRV1和PRV2阀后压力波动分别为0.63%和0.42%。安装减压阀前，利用闸阀控制区域的压力，年节水量为20×104 m3。安装水力减压阀后，采取固定输出压力控制法，年节水量为115×104 m3。

表1 压力控制分析
Tab.1 Analysis of pressure control

2 水力减压阀在低流量下的稳定性

某市城中村A村的供水管道老化，腐蚀严重。供水管道私拉乱接、随意占公共管道情况严重，巡查难度大，漏点定位困难，爆管事件较多，检修难以及时有效进行，影响管网压力。管网改造资金短缺、房屋老旧、住房密集等因素，导致改造难度加大。通过投入产出比的分析，采用压力控制手段解决问题。

最初投入品牌A水力减压阀，根据该村用户的用水习惯和临时压力监测点的数据，发现夜间22时以后用户的合理用水量大幅度减少。因此，制定压力控制策略为5:01—22:00，阀后压力设定为20 mH2O；22:01—次日5:00，阀后压力设定为5 mH2O。由于夜间处于低流量状态，水力减压阀常产生震动，或出现无法启动工作的情况，不能满足用户的用水需求，用户满意度下降。使用数月后，更换为品牌X水力减压阀，压力控制前后水量和管网压力见图5。减压前、后平均日间水量分别为84和51 m3/h；平均夜间水量分别为77和12 m3/h。减压前管网压力为27 mH2O，减压后日间和夜间管网压力分别为17和3 mH2O。

图4 压力控制前后管网运行情况
Fig.4 Operation of the pipe network before and after pressure control

品牌X减压阀运行至今已有4年，未发生故障。尤其在低流量时段，水力减压阀仍能够保证阀后压力稳定，调压精确，未出现因减压阀无法启动造成的停水事件。平均日节水量为1 000 m3，年节水量为136×104 m3，投资回收期为3个月。压力控制前后所对应的半年维修量分别为239和21处，减少了爆管事件和维修工单，提高了用户满意度。

3 水力减压阀在未调压状态下的水头损失

水力减压阀安装后，会让其稳定一段时间再进行调压工作，以排除设备本身引起的管网运行异常。在这段期间，减压阀处于未调压工作状态，即全开状态。以甲DMA为例，该DMA最高日用水量为530 m3/d，最高时用水量为36.56 m3/h，入口安装DN200的品牌B水力减压阀，采取固定输出压力控制法，压力策略制定为30 mH2O。图5所示为减压阀在全开状态下的水头损失情况。

图5 减压阀A全开状态下的流量
Fig.5 Flow quality of RV A at fully open state

由图5可以看出，由于减压阀未进行调整，所以阀后压力即是设备本身的水头损失后的压力。该品牌的减压阀在此管网水力工况下，水头损失平均为5.13 mH2O。

乙DMA的管网水力工况与甲DMA相似，该DMA最高日用水量为542 m3/d，最高时用水量为35.98 m3/h，入口安装DN200的品牌X水力减压阀，采取固定输出压力控制法，压力策略制定为30 mH2O。减压阀全开状态下的运行情况如图6所示，该设备的平均水头损失为2.01 mH2O。

图6 减压阀X全开状态下的运行情况
Fig.6 Operation of PRV X at fully open state

4 水力减压阀的设备故障分析

以丙DMA为例，该DMA最高日用水量为950 m3/d，最高时用水量为68.56 m3/h，入口安装DN200的品牌C水力减压阀，采取固定输出压力控制法，压力策略制定为30 mH2O。减压阀从2014年3月安装调试运行至今，对2014—2017年的运行数据进行分析研究，如表2所示。

表2 丙DMA水力减压阀运行情况
Tab.2 Operation of PRV in DMA Ⅲ

续表2 (Continue)

2014年3月开始，平均每隔1个月减压阀会出现故障。维修正常后，阀后压力波动也随着时间幅度不断增大。2015年12月重新更换减压阀主要部件后运行至今，压力波动稳定。

品牌X已在200个区域或DMA投入使用，稳定运行最长时间为5年，仅发生1例减压阀故障维修事件：DN400管道供水的区域实施压力控制，由于阀前后压差比较大(2 ∶1)，导致该区域更换了运行3.5 a后的隔膜。

5 结论

① 从供水管网最大流量到接近于零流量的工况下，水力减压阀调节过程平稳，压力稳定，调压精确。

② 采用闸阀或蝶阀进行压力控制时，在高峰用水阶段管网水头损失较大，管网压力不平衡。水力减压阀能够稳定控制阀后压力并平衡管网的压力，调节精度高，快速实现显著的节水效果。同时，投入产出的性价比较高。

③ 水力减压阀能够保证调压过程的稳定性，尤其是在低流量下的稳定性。水力减压阀在低流量时不会因开度太小而产生震动，或出现无法启动的情况，避免了管道因长期震动产生渗漏、损坏等情况。对于性能比较差的水力减压阀，需要在主管道旁安装低流量旁通调节阀，以保障低峰时段的用水需求，但压力调控效果较差，安装空间要求大，土建和设备成本高。

④ 水力减压阀的阀体、导向阀轴、阀体、导阀、阀座、密封件等主要部件选择的安全材质和设计理念，以及选择的涂层涂料等，都会影响减压阀的工作性能和使用寿命。

⑤ 水力减压阀具备操作简便、可靠性高、提供现场便捷的维修性能，降低了维护成本费用以及减压阀损坏带来的直接或间接经济损失。