CN101545570B - 一种控制管道瞬态液柱分离的空气阀调压室装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制管道瞬态液柱分离的空气阀调压室方法和装置，是一种水利工程方法和装置，所述装置的设施包括：水平或接近水平的长距离输水线路的干管，在所述的干管上形成凸起点的短管，所述短管布置在干管的上方，所述短管的底部与干管连通，所述短管的顶部密封，短管顶部安装有至少一个空气阀。本发明产生的有益效果是：在干管中设置凸起点，即本发明申请中的短管或称调压室，利用快速进气和慢速排气的方法有效地避免了液体汽化和冲击水压，稳定了长距离输水管道的工作状态。本发明还具有以下优点：只在出现气囊的条件下工作，不影响正常输水；设置不受地形限制，可以设置在线路凸起点，也可以设置水平段；投资小，结构简单。

Description

一种控制管道瞬态液柱分离的空气阀调压室装置

技术领域

本发明涉及一种控制管道瞬态液柱分离的空气阀调压室方法和装置，是一种水利工程方法和装置，用于长距离输水管道控制管道瞬态液柱分离的方法和装置。 

背景技术

长距离输水管道在输水过程中因为空气与水的作用会产生一些问题： 

（1）在首次充水或需要排空时，管道***要排出或吸入大量空气。特点是排出(或吸入)的空气量大，比较集中，而且不需要过高的压力。

（2）在管道***运行中，水体中残存的气体会不断逸出，聚集在管道***的高处，轻则降低运行效率，重则引发管路事故，因此应当及时地将这些气体排出。特点是要排出的气体量少，并且这些气体大都处于较高的压力环境之中。 

（3）在突发事故水泵断电的水力瞬变过程中，需要防止水压降低到大气压（负压）以下发生液体汽化，或者液柱分离现象，以及随后水压上升液体重新聚合产生巨大的冲击高压。特点是防止负压需要大量空气进入管道，而防止分离液体重新聚合形成冲击高压又必须缓慢排气。 

目前在国内长输水管道水锤控制过程中，设计师们对采用空气阀比较感兴趣，原因是可以利用为充水过程设置的空气阀完成事故工况，如水泵断电的水压控制，投资最少。大量的实践表明，当输水线路起伏较大时，在水泵事故断电条件下，线路高点的水压首先下降到大气压以下，所以常常只需在这些高点设置空气阀就可以防止整个线路水压下降到液体汽化压力，在这种情况下，每个空气阀可以控制相当长的管线水压变化，保证输水的安全。但是，当输水线路变化平缓时，按照规范设置空气阀常常不能满足设计要求，原因是每个空气阀只能控制很短线路的水压变化。 

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题提出一种控制管道瞬态液柱分离的空气阀调压室方法和装置。本发明所述方法和装置在输水管道的适当位置设置调压室，并在调压室的顶部设置排气阀，有效的控制了管道的瞬态液柱分离。 

本发明的目的是这样实现的：一种控制管道瞬态液柱分离的空气阀调压室装置，所述装置的设施包括：水平或接近水平的长距离输水线路的干管，在所述的干管上形成凸起点的短管，所述短管布置在干管的上方，所述短管的底部与干管连通，所述短管的顶部密封，短管顶部安装有至少一个空气阀。所述的干管直径为1.2米或1.4米，所述的短管直径与干管直径相同，所述的短管的高度为3米或5米，所述的空气阀和短管组合为空气阀调压室所述的空气阀调压室的空间大于空气阀调压室瞬时最大气囊体积。 

为了减少调压室的体积，调压井底部可以设置阻抗孔。 

使用上述装置的控制管道瞬态液柱分离的空气阀调压室方法，所述方法在三种状态下的工作步骤： 

干管开始输水：

水体逐渐充满干管，干管中的空气逐渐被挤入短管中；

短管中聚集的空气的压力超过大气压；

空气阀自动打开，将短管中的空气逐步的放入大气中；

干管正常输水：

短管内充满水体，没有气体；

空气阀处于关闭状态；

干管非正常失压：

干管中的水体继续流出，后续的水体不能接续，水压下降；

短管顶部的水压下降到大气压以下；

空气阀自动打开，快速的吸收大气中的空气进入短管。

本发明产生的有益效果是：在干管中设置凸起点，即本发明申请中的短管或称调压室，利用快速进气和慢速排气的方法有效地避免了液体汽化和冲击水压，稳定了长距离输水管道的工作状态。本发明还具有以下优点： 

（1）只在出现气囊的条件下工作，不影响正常输水；

（2）设置不受地形限制，可以设置在线路凸起点，也可以设置水平段；

（3）投资小，结构简单。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

图1是本发明实施例一所示装置的示意图； 

图2是本发明实施例二、三所述装置示意图，是图1 A-A的剖面图；

图3是本发明实施例三所述装置示意图。

具体实施方式

实施例一： 

本实施例是一种控制管道瞬态液柱分离的空气阀调压室装置，如图1所示。本实施例所述装置的设施包括：水平或接近水平的长距离输水线路的干管1，在所述的干管上形成凸起点的短管4，所述短管布置在干管的上方，所述短管的底部与干管连通，所述短管的顶部密封，短管顶部安装有至少一个空气阀5。

本实施例在结构简单的说是在输水干管的经选择的一些点上设置一向上的短管，这个短管的底部与干管完全连通，顶部密封，形成空气的气室，并在短管最容易容纳空气的顶端设置空气阀，称这个空气阀和短管的组合体为空气阀调压室。利用空气阀使空气排出或进入短管，以避免管路事故，提高输水运行效率。 

本实施例所述的干管是水平或近似水平的长距离输水干管，即比较平坦的输水线路。因为在较平坦的长距离输水干管中的空气的流动容易出现不正常的聚集或不正常的液体汽化、液柱分离现象。该种液体汽化、液柱分离现象会引起分离液体重新聚合形成冲击高压，造成输水管线的事故。因此本实施例的应用十分重要。 

本实施例所述的空气阀，可以是一个或多个，当然可以在手动情况下开启或关闭一个空气阀，而实现进、排气，但这种情况只是在理论上可以实现，在实际中实现起来十分困难。在实际中可以使用两种空气阀，一种排气阀，一种进气阀。为避免发生较大冲击水压，排气阀排出空气时应缓慢排气。 

每个空气阀调压室顶部配置空气阀的进气、排气孔径可以不同，目的是容许空气较快的进入空气阀调压室，以避免输水管道产生较大的真空度，但排气过程应当缓慢，以避免产生巨大的冲击水压。这可以通过设置两个空气阀来实现，如1个进气阀（真空破坏阀）和1个微量排气空气阀。 

空气阀调压室可以垂直布置，也可以倾斜布置。影响空气阀调压室调压性能的主要因素是：空气阀调压室的高度，体积，以及空气阀的配置。 

为了保证空气被约束在空气阀调压室中，空气阀调压室的空间必须大于空气阀调压室瞬时最大气囊体积，才能保证空气不进入输水管道。这里的最大气囊体积指的是：调压室内工作过程中气体所占最大体积。 

目前在水利水电工程中有两种类型的调压室：开敞式调压室（调压井），顶部完全封闭的气垫式调压室（空气罐）。开敞式调压室结构简单，但其高度必须超过输水线路中水压，如果水压较高的话，调压室也必须很高，体积势必过大，虽然开敞式调压室的水力瞬变控制效果好，但投资巨大。气垫式调压室（空气罐），需要配置空压机随时自动补气，投资较大，一般在输水流量小的工程中采用。相对于这些调压室，本实施例其结构简单，基本无需维护，使用成本极低。只要调压室体积设计得当，就可以获得优良的效果。 

实施例二： 

本实施例是实施例一的改进，是实施例所述短管的细化，如图2所示。本实施例所述的短管的中心轴线2与干管的中心轴线3在同一立面内201（该立面与图2纸平面垂直，在图2中成为一条线，并与短管中心轴线重合），或分别在两个相互平行的立面内201、202中。所述短管的中心轴线与干管轴线在立面内的投影的夹角β大于30°小于150°，如图3所示。

本实施例所表达的是短管与干管之间的空间位置，短管可以斜着***干管中，其中心轴线也可以不与干管的中心轴线相交。短管与干管无论如何相交，短管的底部与干管完全的联通十分重要。 

实施例三： 

本实施例是实施例二的改进，是实施例关于立面的细化，如图2所示。本实施例所述的立面与水平面的夹角α大于60°小于120°。

本实施例同样表达的是短管与干管之间的空间位置。设置什么样的短管与实际工程的需要有关，在实际设计中甚至可以设计弯曲的短管。 

实施例四： 

本实施例是实施例一、二、三的改进，是上述实施例关于空气阀的细化。所述的空气阀包括进气阀和排气阀。

为有效控制进气和排气的速度，可以使用不同进气和排气速度的空气阀。 

实施例五： 

本实施例是实施例四的改进，是实施例四关于进气阀和排气阀的细化。本实施例所述的进气阀是真空破坏进气阀，所述的排气阀是微量排气阀。

真空破坏进气阀是一种快速进气的空气阀，使大气中的空气可以快速的进入调压室中，防止干管中的水体在负压下液体汽化。 

微量排气阀是一种缓慢放气的排气空气阀，使调压室中聚集地空气可以缓慢的排入大气中，避免发生较大冲击水压，提高输水效率。 

实施例六： 

本实施例是使用上述实施例所述装置的控制管道瞬态液柱分离的空气阀调压室方法，本实施例所述方法在三种状态下的工作步骤：

干管开始输水：

水体逐渐充满干管，干管中的空气逐渐被挤入短管中；

短管中聚集的空气的压力超过大气压；

空气阀自动打开，将短管中的空气逐步的放入大气中；

干管正常输水：

短管内充满水体，没有气体；

空气阀处于关闭状态；

干管非正常失压：

干管中的水体继续流出，后续的水体不能接续，水压下降；

短管顶部的水压下降到大气压以下；

空气阀自动打开，快速的吸收大气中的空气进入短管。

本实施例所描述的是实施例一至五所述装置在干管输水过程的工作方法和状态。基本原理是：在正常输水时，空气阀关闭不工作，调压室（短管）充满水体，没有气体。当调压室顶部水压下降到大气压以下时，空气阀进气，在调压室中形成气囊，以防止输水管道发生液体汽化现象，或者超过管道承受能力的高度真空压力（负压）。当调压室底部水压超过大气压时，调压室中气体压缩，并由空气阀缓慢排出，以避免发生较大冲击水压。 

本实施例及上述实施例所述方法和装置的实际应用：引嫩入白城市供水工程输水线路，由二级泵站提水。一级由洋沙泡水库提水泵站取水（桩号0.0m），供水干管直径1.4m管线长24.695km, 采用PCCP双管。二级从镇赉加压泵站(桩号25.702km)，供水干管直径1.2m总长为66.155km, 采用PCCP双管。每个泵站安装5台机组，其中1台备用。 

通过大量计算研究，初步查明需要在输水线路81个位置设置空气阀，设置间隔平均在800m左右。设计采用组合式空气阀。参考美国GA自动排气阀，空气阀进气流量系数 

＝0.7，排气流量系数

＝0.7。低压大排气孔容许压差（管道压力与大气压之差，当排气压力达到该值时，大排气孔口关闭，然后由高压排气孔慢慢排气）采用常规推荐值3.5m水头，高压小排气孔径0.0254m（标准孔径1英寸）。取水泵站出水管空气阀低压进排气孔径为0.15m，加压泵站出水管空气阀低压进排气孔径为0.10m。 

取水泵站前池水位137.0m，加压泵站出水池水位165.0m。管道糙率：PCCP管综合糙率0.012，钢管糙率0.012。 

初始条件：每个泵站4台泵运行，额定转速，洋沙泡提水泵站单泵初始流量1.04m

/s, 镇赉加压泵站单泵初始流量0.82m

/s。 

为了防止事故断电空气阀排气过程中产生巨大冲击水压，需要在5个位置设置空气阀调压室，其中取水泵站出水管设置1个，位置在桩号14150.0m处；加压泵站出水管设置4个，位置分别在桩号34958.3m、47115.2m、54204.7m、60032m处。采用的空气阀调压室高度为3m，直径与连接的干管相同。每个空气阀调压室顶部设置1个进气阀（真空破坏阀）和1个微量排气阀，进气阀进气孔径0.05m，微量排气阀排气孔径0.0254m。这样配置的目的是容许空气较快的进入空气阀调压室，以避免产生较大的真空度，但排气过程应当缓慢，以避免产生巨大的冲击水压。 

经计算和实验研究，采用本实施例后不仅大部分管线最大水压等于初始水压，而且全线空气阀排气过程中的冲击水压大大减少：取水泵站、加压泵站出水管出口瞬时最大水压分别约为30m和40m水头，满足设计要求。全线管道中的负压>-3m，也满足设计要求。这表明采用空气阀调压室技术不仅能够减小管道的真空度，而且能够避免发生较大冲击水压。本例中，可以减少10m－20m的冲击水压，显著减少管道投资。 

研究也表明，增加空气阀调压室的高度到5m，取水泵站、加压泵站出水管出口瞬时最大水压略为减少，但差别在5m水头左右。考虑到本工程位于高寒地区，空气阀调压室高时，露出地面部分增加，不仅会大大增加防冻土建投资，而且影响环境美观。综上所述，推荐采用3m高的空气阀调压室。 

其它条件下的水力过渡过程，包括水泵出口蝶阀关闭，表明采用本实施例能够满足水锤控制的要求。 

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如短管与干管的连接、短管的形状、空气阀的安排等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。 

参考文献

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[4] Wylie E B and Streeter V L. Fluid Transients. McGraw-Hill International Book Company, 1978.

[5]陈乃祥. 水利水电工程的水力瞬变仿真与控制. 水利水电出版社,2005.

[6]杨开林.电站、泵站中的水力瞬变及调节.中国水利水电出版社，2000.

[7]杨开林等.吉林省中部城市供水引嫩入白城市供水工程水力过渡过程研究.中国水利水电科学研究院报告.2008. 

Claims (5)

1.一种控制管道瞬态液柱分离的空气阀调压室装置，所述装置的设施包括：水平或接近水平的长距离输水线路的干管，在所述的干管上形成凸起点的短管，所述短管布置在干管的上方，所述短管的底部与干管连通，所述短管的顶部密封，短管顶部安装有至少一个空气阀，所述的空气阀和短管组合为空气阀调压室，所述的干管直径为1.2米或1.4米，其特征在于，所述的短管直径与干管直径相同，所述的短管的高度为3米或5米，所述的空气阀调压室的空间大于空气阀调压室瞬时最大气囊体积。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的短管的中心轴线与干管的中心轴线在同一立面内，或分别在两个相互平行的立面内；所述短管的中心轴线与干管轴线在立面内的投影的夹角大于30°小于150°。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的立面与水平面的夹角大于60°小于120°。

4.根据权利要求1、2、3之一所述的装置，其特征在于，所述的空气阀包括进气阀和排气阀。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的进气阀是真空破坏进气阀，所述的排气阀是微量排气阀。

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