CN101907227A - 水输送系统中的溢流式稳压塔 - Google Patents

Abstract

一种水输送系统中的溢流式稳压塔，它包括有在水平输送管线的一处切断而形成的水平进水管及水平出水管，技术要点是：在水平进水管端部通过90°弯头连接有一垂直于地面的上水竖管，在上水竖管顶部通过拱形水管连接有一与上水竖管平行设置的下水竖管，在下水竖管的底部通过出水三通与水平出水管固定连接，在下水竖管底部以下相对应的位置上还设置有一减少塔顶部溢流的水流对下部冲击的缓冲式水垫层；在拱形水管上均匀分布有进、排气阀，在下水竖管内侧至少设置有两个整流环。本发明是当管路水平进水管水头大于上水竖管高程时，在塔顶产生溢流，经下水竖管和水平出水管将水排出本发明的溢流式稳压塔，达到减小管路压力和大量泄水目的。

Description

水输送系统中的溢流式稳压塔

技术领域

本发明涉及长距离输水、配水管网系统技术领域，具体地说是一种保证输、配水系统运行安全的水输送系统中的溢流式稳压塔。

背景技术

众所周知，随着人类社会的集中化城市化，城市内的水资源将日益溃乏。以我们辽宁省为例，大伙房水库输水工程的主要供水对象为辽宁中部地区城市群的城市生活和工业用水。目前，浑河、太子河、大辽河流域生态环境恶化，地下水超采，水资源严重短缺，已成为制约当地经济可持续发展的重要因数。为缓解浑、太地区水资源供需矛盾，加快老工业基地产业结构调整和改造，促进该地区水资源合理配置，使水环境得到改善，推动当地国民经济可持续发展，国家计委批准了大伙房水库的输水(二期)工程，该工程的建设目的旨在解决辽宁中部城市生活和工业用水供不应求矛盾，使城市基础设施与城市建设迅速发展相适应，与人民生活水平的逐步提高相适应。

大伙房输水二期工程属于规模630万吨/日、向7个城市供水、供水距离长达238km的密闭压力输水系统，其系统复杂、规模之大，都是前所未有的，这样系统目前属于国内最大最复杂的输水系统，而且所供之水量均占各市的总水量56％以上，工程的安全性就显得极为重要。

由于加压站的上游有长达142.14Km的重力流输水管道，加压站下游有70多km的压力流输水管线，工程的安全保证，需考虑系统的静水压问题及各种运行工况之间的切换时所产生的水力过渡过程的压力变化等问题，目前国内主要采用圆筒式溢流塔，其技术方案是，在塔顶设堰下水室，汇集堰下水流入溢流水道，然后在地面设消力池和排水渠。这种溢流塔上部结构体积庞大、复杂，在高出地面25-55m的情况下，塔身结构复杂，稳定性差，施工难度大，投资多。同时在管路事故关阀后，很难快速泄流。

发明内容

本发明的目的是提供一种水输送系统中的溢流式稳压塔。其主要工作原理是当管路水平进水管水头大于上水竖管高程时，在塔顶产生溢流，经下水竖管和水平出水管将水排出本发明的溢流式稳压塔，达到减小管路压力和大量泄水的目的。

本发明的目的是这样实现的：它包括有在水平输送管线的一处切断而形成的水平进水管及水平出水管，其特征是：在水平进水管端部通过弯头连接有一垂直于地面的上水竖管，在上水竖管顶部通过拱形水管连接有一与上水竖管平行设置的下水竖管，在下水竖管的底部通过三通弯头与水平出水管固定连接，在下水竖管底部以下相对应的位置上还设置有一减少塔顶部溢流的水流对下部冲击的缓冲式水垫层；在拱形水管上均匀分布有塔顶进、排气阀，在下水竖管的内侧至少设置有两个消能整流环，该消能整流环的孔径为下水竖管管径的0.8-0.9。

本发明溢流式稳压塔的结构及工作原理：

溢流式稳压塔结构

稳压塔是水系统中的一个重要的安全保障设施。本发明主要由上水竖管、下水竖管及拱形水管组成的倒“U”型管稳压塔结构，当输水管内压力超过临界压力时，溢流塔会自动溢流，能有效减小输水管路的压力，起到保护管路，防止爆管的作用，同时不会对主管道系统产生水力波动影响，可保证主管道水系统的稳定。

本发明的倒“U”型稳压塔中水流为水气两相流的复杂流态，其结构形式像虹吸管，这要求塔顶部应设置进气口，破坏虹吸产生以及避免空蚀，同时又要在顶部溢流处保证一定的负压，能在主管道系统事故关阀时，使泄流量较大。同时又要具备排气功能，以排除水中聚集在“U”型管顶部的气体，因此则塔顶部设置了进排气阀，进排气阀的进气孔孔径和排气孔孔径要根据不同工况计算确定。

考虑到溢流水位较高和保证下水竖管流态为稳定流，需在泄水竖管溢流段，即在所述的靠近拱形水管的上水竖管上部设置有消能整流孔板结构，根据需要，在上水竖管上一般设置有2-10个消能整流环，该消能整流环的孔径为下水竖管管径的0.8-0.9，并通过设在下水竖管底部的缓冲式水垫行消能，所述的缓冲式水垫层的深度范围为水平出水管管径的1-1.5倍。

本发明的溢流式稳压塔工作原理

当水进入拱形水管(180°弯管)时，拱形水管的内壁对水流起着约束作用，使水流沿弯管做曲线运动，从而在拱形水管内形成特有的急变流运动规律。流过拱形水管的液体在离心力的作用下，在弯曲管段部分产生的压力和速度分布不均匀，这种不均匀的分布会传递到下游很长一段距离，引起下游液体的速度、压力分布发生变化。由于液体流过拱形水管时所受的离心力较大，液体有向拱形水管外侧运动的趋势，气体则被挤压到拱形内侧。由于外侧压力较高，液体就向压力较低的内侧流动，在拱形处占据了整个管道截面，形成了液封，气体就被堵塞、压缩，而部分液体则产生回流，从而在下降管内形成间歇性流动，造成下降管段内气液两相流流态严重，管内的压力波动较大。

为了减小180°弯头对垂直下降管内流动的影响，在下水竖管的内侧至少设置有两个消能整流环；在下水竖管的内侧放置整流环后，整流作用使得整流环前、后的压降为负，在负压的作用下流体不断向前运动，抑制了回流的产生，同时，整流环使得垂直段内部的压力增加，从而使内部气液流动趋于稳定，通过在整流和未整流条件下测得的气液两相流的压力发现，整流环的作用大大削弱了管内的压力波动，保证了气液流动趋于稳定。

进气是本发明的溢流式稳压塔的一个关键因素，进气量太少，在下水竖管中容易产生负压，会引起空蚀；进气量太多，又会使出水竖管产生水、气两相流，流态不稳，故要严格设定进气孔的大小和数量。

本发明溢流式稳压塔的功能及技术特点：

一、功能

(1)起到消除水系统管道中的水锤、并可避免二次水锤发生的作用；

(2)起到向主管道系统补水的作用、防止管道产生真空、拉断的作用；

(3)起到避免水系统静压超压发生、并可大量泄水的作用；

二、技术特点

(1)整流环的尺寸

整流环的尺寸大小直接影响溢流式稳压塔内流体的流动特性，尺寸太大，起不到减小弯头影响的作用，尺寸太小，容易在整流环后面产生二次流，而且会增加管道内的流动阻力，对垂直管内的流动产生新的影响。通过大量的数值计算反复验证发现，当消能整流环的孔径为下水竖管管径的0.8-0.9，整流作用显著，而且不会对垂直管内的流动产生新的影响。整流环抑制了弯头对流动的影响。

(2)整流环的效果

通过整流环整流后3～5下水竖管管径的距离内水流达到稳定，即整流装置对管内单相流动起到了稳定的作用。

(3)整流环的位置

若第一个整流环(消能孔板)太靠近塔顶，容易使管中水充满，影响进气，而导致竖管负压较大。出水竖管的上半部布置一个以上整流环，下半部应布置一个以上整流环。竖管上面第一个整流环应布置在距塔顶溢流水位不超过8m为宜。

(4)塔顶进排气

进气是本溢流塔的一个关键因素，进气量太少，在下水竖管中容易产生负压，会引起空蚀；进气量太多，又会使水平出水管产生水，气两相流，流态不稳，故要严格设定进气孔的大小和数量。

排气的作用主要是考虑起初运行时的排气和正常运行时排除水中溶解的空气。起初运行时是排除塔内进水流量的等量排气量。正常运行时考虑水中溶解空气量按0.5～1.0％考虑。

(5)溢流式稳压塔的循环管

为保证溢流式稳压塔内水质洁净，应在塔内正常高水位一定深度下的上水竖管与下水竖管之间设置一根循环管，其上设置一个电动阀门，可定期将上水竖管内的水排放至下水竖管内。

(6)水垫层

为了减少塔顶部溢流的水流对下部的冲击，同时考虑水流跌水至底部后的掺气问题，应在出水竖管底部设置一定深度的缓冲式水垫层，缓冲式水垫层的深度范围应为溢流高度的1/3～1/4。

考虑出水水平管的流态，避免明满流交替发生，应保证水平出水管顶有一定的淹没深度，缓冲式水垫层的深度范围为水平出水管管径的1-1.5倍。

(7)溢流式稳压塔的保温

在寒冷地区，本发明溢流式稳压塔需做外保温，保温可采用电伴热带和岩棉保温层或聚氨酯泡沫塑料层。电伴热带可根据塔内水温的情况自动加热，以保证水不结冰。

本发明的溢流式稳压塔结构，维护结构平面尺寸仅为14.5×14.5m，而且塔体上部仅为DN3000的钢管结构，水的有效容积仅为70m³，其重量由钢管本身承担，维护结构仅承担钢管及自身的稳定，维护结构相对简单。对于50m高的稳压塔，本发明的稳压塔工程造价为820万元，传统式带竖管稳压塔工程造价为2146万元，可见，本发明的溢流式稳压塔要比传统式稳压塔省近2/3。

如果采用传统式稳压塔多采用带竖管式稳压塔，其上部中心为圆形溢流池，上水竖管进入溢流池后，通过跌水堰溢流至环形集水槽，然后通过下水竖管排至塔外；该传统的带竖管式稳压塔，其上部溢流池仅水的有效容积为2000m³，维护结构的平面尺寸为27×27m，高出地面50m的水池的重量靠塔体承担，塔体结构复杂。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意简图；

图2是本发明的消能整流环结构示意简图；

图3是图2的俯视结构示意简图；

图4是本发明自由出流的管路压强与流量关系示意简图；

图5是本发明淹没出流的管路压强与流量关系示意简图。

附图主要部分的符号说明

1-90°弯头；2-上水竖管；3-法兰盘；4-拱形水管；5-整流环；6-下水竖管；7-出水三通；8-水垫层；9-水平进水管；10-水位传感器；11-浮球式进、排气阀；12-温度传感器；13-电动蝶阀；14-正常高水位；15-水平出水管；16-地平面线。

下面将结合附图并通过实例对本发明作进一步详细说明，但下述的实例仅仅是本发明其中之一的例子而已，并不代表本发明所限定的权利保护范围，本发明的权利保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

实例1：

由图1-3所示，图中的9为水平进水管，15为水平出水管，在水平进水管9端部通过90°弯头1连接有一垂直于地面的上水竖管2，在上水竖管2顶部通过两个90°弯头对接而成的拱形水管4连接有一与上水竖管2平行设置的下水竖管6，在下水竖管6的底部通过出水三通7与水平出水管15固定连接，在下水竖管6底部以下相对应的位置上还设置有一减少塔顶部溢流的水流对下部冲击的缓冲式水垫层8，该缓冲式水垫层8的深度范围为水平出水管管径的1-1.5倍；在拱形水管4上均匀分布有塔顶-浮球式进、排气阀11；由于本发明的稳压塔高度在高出地面50m左右，因此，上水竖管2和下水竖管6是由若干个管通过法兰盘3连接组成，在法兰盘3连接处的内侧分别至少设置有两个消能整流环(整流孔板)5，该消能整流环的孔径为下水竖管管径的0.8-0.9(减压孔板的直径为d0/d＝0.8～0.9)，如图2、3所示。

溢流式稳压塔通过溢流来减小管路的压强，管路压强(通过设置在上水竖管2和下水竖管6底部的水位传感器10进行测量)与溢流量的关系，通过反复实验及计算，推导出了推荐方案的溢流量与水平进水管处的管路压强关系函数，其曲线关系如图4、图5所示。

自由出流：P/ρg＝51.61-0.1780×(1-exp(0.07778Q^0.9490))

淹没出流：P/ρg  ＝51.61-0.2617×(1-exp(0.1180Q^0.8264))

在上水竖管2与下水竖管6之间还设置有一带电动阀门13的循环管，根据需要，可定期将上水竖管内的水排放至下水竖管内。

另外，图中的12为所设置的温度传感器，以便对水温进行随时测；14为运行时的正常高水位；16为地平面线。

Claims (9)

1.一种水输送系统中的溢流式稳压塔，它包括有在水平输送管线的一处切断而形成的水平进水管及水平出水管，其特征是：在水平进水管端部通过90°弯头连接有一垂直于地面的上水竖管，在上水竖管顶部通过拱形水管连接有一与上水竖管平行设置的下水竖管，在下水竖管的底部通过出水三通与水平出水管固定连接，在下水竖管底部以下相对应的位置上还设置有一减少塔顶部溢流的水流对下部冲击的缓冲式水垫层；在拱形水管上均匀分布有塔顶进、排气阀，在下水竖管的内侧至少设置有两个消能整流环，该消能整流环的孔径为下水竖管管径的0.8-0.9。

2.根据权利要求1所述的水输送系统中的溢流式稳压塔，其特征是：所述的消能整流孔板结构设置在靠近拱形水管的上水竖管上部。

3.根据权利要求1或2所述的水输送系统中的溢流式稳压塔，其特征是：上水竖管上部第一个整流环位置设置在距塔顶溢流水位的8米以内。

4.根据权利要求1所述的水输送系统中的溢流式稳压塔，其特征是：所述的缓冲式水垫层的深度范围为水平出水管管径的1-1.5倍。

5.根据权利要求1所述的水输送系统中的溢流式稳压塔，其特征是：在上水竖管与下水竖管之间还设置有一带电动阀门的循环管。

6.根据权利要求1所述的水输送系统中的溢流式稳压塔，其特征是：在上水竖管、拱形水管及下水竖管的外表面设置一带有电加热装置的带外保温层。

7.根据权利要求6所述的水输送系统中的溢流式稳压塔，其特征是：所述的外保温层为岩棉保温或聚氨酯泡沫塑料层。

8.根据权利要求1所述的水输送系统中的溢流式稳压塔，其特征是：在上水竖管和下水竖管的底部分别设置有水位传感器。

9.根据权利要求1所述的水输送系统中的溢流式稳压塔，其特征是：在上水竖管的底部设置有温度传感器。

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