减小空气罐总容积的水锤防护结构及方法

摘要

本发明公开了一种减小空气罐总容积的水锤防护结构及方法，是在管道系统两端均设置空气罐，首部空气罐靠近水泵，尾部空气罐靠近管道末端阀门，当水泵抽水断电时，尾部阀门接收信号按照提前设定的规律自动快速关闭。本发明在满足其他调保要求的前提下，可以大大减小长距离供水工程中空气罐的容积，节约投资，特别是对于长距离供水系统，效果更加显著。

说明书

技术领域

本发明涉及长距离供水技术领域，具体涉及一种在管线布置平缓的长距离供水工程 中，用于减小空气罐的总容积的水锤防护结构及方法。

背景技术

在泵站输水系统中，由于抽水断电事故的发生，水泵机组转速迅速减小，泵后压力 迅速降低，降压波向泵后管道传递，导致输水系统管道沿线出现严重降压，管道初始压 力较小点可能因为降压过大而降至汽化压力，产生液柱分离现象，其诱发的弥合水锤将 产生很大压力，危及管道的安全。

空气罐是密闭的高压容器，其上部为高压气体，下部为水体，底部通过短管与主管 道相连，利用罐体壁面与水面所形成的封闭气室，依靠气体的压缩和膨胀特性，来反射 水锤波，抑制水位波动，保证输水系统的安全稳定运行。当在泵后设置空气罐防护后， 罐内高压气体驱使罐内水体向管道补充，以避免管道中压力下降过快，其防护原理类似 于电站中气垫调压室。为了充分发挥空气罐的水锤调节能力，空气罐应当尽量地靠近水 泵布置，以防止泵后管道出现负压。在消除长距离输水泵站上的负压措施中，空气罐具 有安装管理方便，对场地没有严格要求等优点。

空气罐作为有效的负水锤防护措施，在泵站输水系统中得到了良好的应用。然而， 若输水管道较长，流量较大，管道中水体惯性较大，所需的空气罐体型也必然较大，进 而会造成防护成本过高及运行管理不便。设置的空气罐体积较大主要原因是：(1)管道 距离较长，所需补水量大；(2)管线布置较平缓，系统首尾地形扬程很小，水倒流动力 小，断电后管道系统的补水主要来自泵后空气罐。第一点是系统本身决定的，较难克服， 在断电时需要快速关闭泵后阀，尽量避免空气罐向压力前池及管道双向补水；对于第二 点，则需要快速关闭供水系统尾部阀门，避免管道内水体流失过多。对于长距离供水工 程，尾部阀的快速关闭极易产生直接水锤，导致管道破坏，但如阀门关闭过慢，管道中 水量流出较多，则起不到减小首端空气罐体积的效果。

对于管道布置相对平缓的长距离供水工程，其管道较长，管道内水体的惯性较大， 其管线布置相对平缓的特性使得水体倒流动力小，在发生停泵事故后，管道末端会流出 较多的水量，而这些水量需要泵后空气罐内水体来补充，空气罐在运行的过程中又不允 许出现漏空，这就导致了空气罐容积很大。因此，理论上通过加快管道干线流量减缓的 速度，即可减小空气罐的补水量，已达到缩小空气罐体积的目的。可以从以下两个方面 考虑，其一可以加速泵后空气罐底部压力的下降，但若泵后空气罐底部压力下降过快， 管道中驼峰点可能出现负压；其二可以加速管道末端压力的上升，此过程中的正压可加 快管道干线流量的减缓速度，而且产生的正压波可以弥补导致泵后空气罐水位下降的负 压波，减缓泵后空气罐内水位的下降，有效地缩小空气罐容积，同时，管道沿线的最小 压力也可得到相应的提高。相比而言，加速管道末端压力的上升更具可行性，可通过关 闭尾部阀来实现。但是，长距离供水工程尾部阀门的快速关闭极易产生直接水锤，导致 管道破坏，但如阀门关闭过慢，管道中流出的水量较多，则起不到减小首端空气罐容积 的效果。

可见，设计一种合理的水锤防护方案，使其既能够减少首端空气罐容积，又不产生 过大的内水压力，已成为亟待解决的技术问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种既能够减少首端空气 罐容积又不产生过大的内水压力的合理水锤防护结构及方法，在满足调保控制要求的前 提下，可以有效的减少首端空气罐的总容积，节省工程投资。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的减小空气罐总容积的水锤防护结构， 包括依次连接的压力前池、输水管道和出水池，所述输水管道靠近压力前池的一端安装 有水泵和首端空气罐，所述输水管道靠近出水池的一端安装有自动控制阀门，所述自动 控制阀门前部的输水管道上安装有尾端空气罐。

具体地，首部空气罐靠近水泵，尾部空气罐靠近末端自动控制阀门，首部空气罐的 体积大于尾部空气罐体积。

本发明同时提供一种减小空气罐总容积的水锤防护方法，是在压力前池与出水池之 前连接输水管道，并在输水管道上依次安装水泵、首端空气罐、输水管道、尾部空气罐 和末端自动控制阀门，所述尾部空气罐配合末端自动控制阀门的关闭与首端空气罐共同 防护输水系统的水锤压力。

具体地，输水管道末端自动控制阀门接收水泵断电信号后，自动按照预设的关闭规 律快速关闭。

具体地，首部空气罐靠近水泵，尾部空气罐靠近末端自动控制阀门，首部空气罐的 体积大于尾部空气罐体积。

具体地，尾部空气罐与输水管道的连接管的管径小于输水管的管径。提高尾部空气 罐的孔口阻抗作用。

具体地，所述关闭规律是在满足系统最大压力标准的情况下，采用线性关闭且关闭 速度尽量快。

本发明的理论依据为：当管道较长时，流出管道的水量较大，而这些水量则需要空 气罐内水体弥补。空气罐内气体体积变化较大，空气罐所需体型得不到良好的减小，因 此，理论上应加快管道干线流量的减缓速度，使空气罐所需补水量减小。可以从两方面 考虑，其一可以加速首端空气罐底部压力的下降，但若首端空气罐底部压力下降过快， 管道中驼峰点可能出现负压；其二可以加速管道末端压力的上升，其产生的升压波可以 有效地减缓首端空气罐的水位下降速度，从而降低首端空气罐的体型，同时，管道沿线 的最小压力也可得到相应的提高。而要提高管道末端压力可以考虑在发生断电事故的同 时，末端阀门接收信号自动按照设定好的规律快速关闭，使其产生的正压波弥补空气罐 水位下降的负压波。但由于管道长度因素，若管道末端阀门关闭过快，管道中产生的正 压将偏大，可能超过管道压力承受标准；而若末端阀门关闭较慢，水量减小不明显，空 气罐体型则不能得到有效的降低。综合考虑，在管道末端设置一缓冲关阀所产生的正压 波装置，使压力上升至一定程度后维持，从而避免由阀门关闭导致的压力过大问题，同 时使管道末端压力维持在一较高水平以加剧管道流速的衰减。管道尾部设置空气罐可取 到良好的正压防护效果。注意到，泵掉电后，末端阀门接收信号自动快速关闭，管道水 体迅速流向尾部空气罐，为增加管道压力上升幅度，可以适当提高防护装置的阻抗系数， 从而增大关阀时管道压力，空气罐底部压力在变化过程中均能维持一个较高水平。因此 管道末端的较高压力将加速水体动量的衰减，从而使首端空气罐的补水体积减小，进而 缩小空气罐体型，尾部阀门关闭规律为满足系统最大压力标准的的情况下采用线性关闭 且关闭速度尽量快。

发生停泵事故后，泵后压力降低，首端空气罐向管道内补水，尾部阀门关闭所产生 的正压传递至管道首端时，泵后压力升高，水体流出首端空气罐的速度减缓；同时由 于设置尾部空气罐，发生停泵事故后，泵后压力降低，首端空气罐向管道内补水，尾部 阀门关闭所产生的正压传递至管道首端时，泵后压力升高，水体流出首端空气罐的速 度减缓；同时由于设置尾部空气罐，发生停泵事故后，尾部阀门接收信号按照提前设定 的规律自动快速关闭，尾部空气罐底部压力迅速上升，水体进入罐体内，尾部空气罐内 气体压缩，缓冲了关阀产生的水锤压力，避免过大正压破坏。采用首尾布置空气罐并结 合末端阀门自动关闭的改进方案，使得空气罐容积大幅缩小，且水泵断电时管道沿线压 力均在控制标准之内。

下面将以管道布置相对平缓的长距离供水工程为例，说明首尾空气罐防护措施的工 作原理和效果。

输水系统正常运行时，管道内压力处在平衡状态。当水泵发生抽水断电工况时，泵 转速迅速下降导致扬程急剧降低，使管道压力迅速降低。此时水泵停止工作，为了避免 由于泵后管道水量减少出现负压而造成管道破坏，通常在水泵后面布置空气罐以避免危 险的发生。对于管道中的水流来说，因其管道较长，管道内水体的动量较大，发生抽水 断电工况时，水体在惯性的作用下依旧继续向前流动。此时泵已经停止工作，管道内的 水体全部由空气罐内的水体来补充。当输水距离较长时，便需要较多的水体来补充，因 而需要较大的空气罐体积。

理论上若加快管道干线流量的衰减速度，便可以使空气罐所需补水量减小，即可达 到缩小空气罐容积的目的。本发明便是从加速管道末端压力的上升来考虑。管道末端压 力上升产生的升压波可以有效地减缓首端空气罐的水位下降速度，从而降低首端空气罐 的体积，同时，管道沿线的最小压力也可得到相应的提高。在管道末端再设置一个小型 空气罐，用以缓冲关阀所产生的正压，使压力上升至一定程度后维持，同时使管道末端 压力维持在一较高水平以加快管道流速的减缓。管道内水体流速的减缓，使得首端空气 罐的补水体积减小，从而缩小了空气罐体型。

有益效果：本发明通过在输水系统末端自动控制阀门前端设置体积较小的尾部空气 罐并结合末端自动控制阀门的自动关闭来减小首端空气罐的容积。有效地解决了管道布 置相对平缓的长距离供水工程中空气罐气体体积过大的问题，这对输水管线布置优化及 空气罐的选取，特别是长距离供水工程相对于平缓的管道布置方式下的空气罐的体型优 化，具有十分显著的效果。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术 方案的技术特征所带来的优点外，本发明的减小空气罐总容积的水锤防护结构及方法所 能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优 点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1为现有的无防护措施的模拟输水系统布置示意图；

图2为现有的泵后布置空气罐的模拟输水系统布置示意图；

图3为本发明的首尾布置空气罐的模拟输水系统布置示意图；

图4为无防护措施时泵后流量及泵后压力随时间变化趋势图；

图5为三种不同布置方案下最小压力包络图；

图6为两种不同布置下首端空气罐水深随时间变化趋势图；

图7为两种不同布置下首端空气罐底部压力随时间变化趋势图；

图8为本发明首尾布置空气罐实施例尾部空气罐水深及底部压力变化图；

图中标记为：进水前池1，水泵2，首端空气罐3，输水管道4，尾部空气罐5，下 游阀门6，出水池7。

具体实施方式

本实施例的适用于有效减小长距离供水工程中空气罐总容积的水锤防护方案，如图 3所示，在泵后布置首端空气罐3，输水管道末端布置相对较小的空气罐5，当水泵发生 抽水断电时，通过压缩空气罐气体体积以增加下游管道的压力来加速管道内水体的流速 减小，以达到减小首端空气罐气体体积的目的。

当输水系统正常运行时，管道内压力处在平衡状态。当水泵发生抽水断电工况时， 泵转速迅速下降导致扬程急剧降低，使管道压力迅速降低。此时水泵停止工作，为了避 免由于泵后管道水量减少出现负压而造成的管道破坏，通常在水泵后面布置空气罐以避 免危险的发生。对于管道中的水流来说，因其管道较长，管道内水体的惯性较大，发生 抽水断电工况时，水体仍旧在惯性的作用下继续向前流动。此时泵已经停止工作，泵后 管道内的水体全部由空气罐内的水体来补充。当输水距离超长时需要较多的水体来补 充，便需要较大的空气罐体积。

理论上若加快管道干线流量的减缓速度，便可以使空气罐所需补水量减小。本发明 便是从增加管道末端压力以加快管道中速度的衰减来考虑。管道末端压力上升产生的升 压波可以有效地减缓首端空气罐的水位下降速度，从而降低首端空气罐的体型。同时， 管道沿线的最小压力也可得到相应的提高。在管道末端再设置一个小型空气罐，用以缓 冲关阀所产生的正压，使压力上升至一定程度后维持，同时使管道末端压力维持在一较 高水平以加快管道流速的减缓。管道尾部设置空气罐可取到良好的正压防护效果。当快 速关闭末端阀门后，管道水体迅速流向尾部空气罐，提升了空气罐内的水体高度，增加 了空气罐内的压力。空气罐底部压力的增加，加快了管道内水体流速的衰减。当水流停 止向尾水空气罐流动时，此时尾部空气罐内水位达到最高，底部压力达到最大；首端空 气罐内水位达到最低，底部压力达到最小，在两边压差的作用下，管道内的水体开始倒 流，首端空气罐的水体开始上升，底部压力开始增大。当首端空气罐内水位达到最高， 底部压力达到最大；尾部空气罐内水位达到最低，底部压力达到最小，管道内的水体又 开始向下游流动，如此循环往复，加快管道中水体波动的衰减。

某长距离输水工程布置方式如图1所示，其中输水系统长约45km，设计流量 1.32m³/s，水泵设计扬程65m，其中地形扬程11.6m，克服管道摩阻扬程53.4m。要求输 水管道内不出现负压，以60m的水锤压力作为管道最大控制压力，以管道不出现负压为 最小压力控制标准。

本实例分别采取三种不同的布置方式，布置方式一为无防护措施的输水系统布置， 如图1所示；布置方式二为首端布置空气罐的输水系统布置，如图2所示。布置方式三 为首尾布置空气罐的输水系统布置，如图3所示。其中，布置方式二与布置方式三中空 气罐体型参数如图表1所示。

表1两种布置形式空气罐体型参数

目前研究过渡过程一般以数值模拟为主，本实施例利用较为成熟的长距离供水过渡 过程计算软件对该工况进行模拟，通过研究空气罐内水位变化以及空气罐底部压力变化 过程，对该发明在减小空气罐总容积的作用中的实用性作进一步分析。

本应用实例中通过三种不同的布置方式，即采用无防护措施布置，首端设置空气罐 以及首尾布置空气罐的三种不同的布置形式进行对比，具体计算结果如图4～图8所示。

图4为无防护措施实施例泵后流量及泵后压力变化图，由图4可知，在停泵事故发 生后，泵后流量和压力不断减小，引起的降压波使得管道沿线产生较严重降压，大部分 管道压力降至汽化压力以下，为保证输水系统安全运行，需设置防护措施。综合考虑， 在输水系统中应设置防护措施，保证输水系统的安全运行。

图5为三种不同布置方案下输水系统最小压力包络图，在无防护措施的布置形式下， 输水系统管线压大部分处于气化压力一下，不利于输水系统的安全运行。在泵后设置空 气罐后，系统大部分压力值升至0以上，有利于输水系统的安全。由于输水系统管线较 长，管线布置较为平缓，地形扬程相对较小，致使管道内的水流流速衰减较慢，管道内 的水体便全部由空气罐提供，因此需要较大的空气罐体积来避免空气罐发生漏空。如图 5所示，当采用首尾空气罐的布置方式时，空气罐的体积已经大幅减小，此时管线的大 部分压力依旧在0以上，较首端布置空气罐的方式防护效果更优。由表1可以看出，当 采用首尾空气罐布置方式时，在保证输水系统管线压力安全以及避免空气罐漏空的前提 下，首端空气罐的总体积由原来的640.9m³降至213.5m³，虽然此时尾部也增设了81.6 m³空气罐，但首尾布置空气罐方式下的空气罐总容积为295.1m³，总容积减小了 53.96％，节省了工程的投资。

图6和图7分别为两种不同布置下首端空气罐水深及空气罐底部压力随时间变化趋 势图，可以看出，首尾布置空气罐的布置形式虽然减小了空气罐的容积，但空气罐依旧 没有漏空，最低水位仍旧高于首端布置空气罐的方式，且空气罐底部压力亦高于首端布 置空气罐的形式。

如图8所示，由于增设了尾部空气罐，发生抽水断电工况后，输水管道中的水流一部 分流向出水池，另一部分流入尾部空气罐，提升了空气罐内的水体高度，增加了空气罐 内的压力。空气罐底部压力的增加，加快了管道内水体流速的衰减。当水流停止向尾部 空气罐流动时，此时尾部空气罐内水位达到最高，底部压力达到最大；首端空气罐内水 位达到最低，底部压力达到最小，在两边压差的作用下，管道内的水体开始倒流，首端 空气罐的水体开始上升，底部压力开始增大。当首端空气罐内水位达到最高，底部压力 达到最大；尾部空气罐内水位达到最低，底部压力达到最小，管道内的水体又开始向下 游流动，如此循环往复。由于尾部空气罐的存在，缩短了系统的波动周期，加快了系统 的衰减，有利于输水系统的安全运行。