CN113063049A - 一种用于超长重力流输水系统的溢流式调压塔及调压方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于超长重力流输水系统的溢流式调压塔，包括引流竖管、连接横管、顶部连接槽、溢流堰、排水竖管；引流竖管包括进流竖管和出流竖管，进、出流竖管底部分别连接上、下游输水管道；连接横管将进、出流竖管的中上部连通，用于水位较低的稳态工况过流；顶部连接槽内设有溢流堰，被其分为引流区和溢流区，引流区将进、出流竖管的顶部连通，用于水位较高的稳态工况过流，溢流堰用于控制最大水压，溢流区设排水竖管，用于将外溢水排出。本发明在过渡过程中，通过溢流堰防止升压水位造成爆管，通过连接横管阻断降压水锤的传播；溢流以控制最大水锤压强，分隔系统以控制事故影响范围；既可增强系统安全性，又可大幅降低管线工程造价。

Description

一种用于超长重力流输水系统的溢流式调压塔及调压方法

技术领域

本发明属于水利工程输水技术领域，涉及一种输水安全附件，具体涉及一种用于超长重力流输水系统的溢流式调压塔及调压方法。

背景技术

超长距离重力流输水系统，即输水管路长度达到上百公里且通过水的重力势能来输水的管路系统，其驱动水头是进出口水位差，能量主要被沿程阻力消耗。在过渡过程中，如输水系统紧急关闭时，系统中水锤压强迅速上升并快速传播，若最大压强超过系统的承压极限，则可能发生爆管；为了防止爆管，系统管线承压标准必须按远高于稳态运行压强的瞬态压强确定。无论是由于水锤爆管还是其他原因(如地震、人为破坏)爆管，系统内水压力会突然急剧降低，产生的降压水锤会在整个输水系统中快速传播，可能导致大范围的连锁性破坏。为控制输水系统过渡过程最大压强和最小压强，不少平压措施被提出，如泄压阀、气罐、调压室、空气阀等。这些平压措施各有针对的问题和适用条件，其中调压室被认为是最可靠的方式。根据工作原理，调压室可分为简单式、阻抗式、溢流式、差动式、水室式等，在水电站和输水系统中被广泛使用。另外，位于地表的调压室可称为调压塔，位于地下的可称为调压井。

在长距离重力流输水系统中，可采用溢流式调压塔，其顶部设置有溢流堰，在水锤压强上升的过渡过程中，水位升高至溢流堰顶后开始溢流，限制水位的进一步升高，从而限制系统中的最大水锤压强。

然而，常规的溢流式调压塔虽然能控制最大水锤压强，但在系统某处发生爆管事故时，并不能控制事故影响范围，因为降压水锤能通过其底部传播至系统其它部位。

因此，需要一种新的适用于超长重力流输水系统的溢流式调压塔，在输水系统紧急关闭时限制最大水锤压强，在爆管事故中能隔断系统，防止事故蔓延。这种溢流式调压塔要能保证系统造价的经济性、正常运行的稳定性、过渡过程的安全性。

发明内容

本发明针对超长重力流输水系统，提供一种新型溢流式调压塔，它不仅能在过渡过程中外溢水流以控制线路最大水锤压强，而且能分割系统以控制爆管事故影响范围；既可增强系统安全性，又可大幅降低管线工程造价。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于超长重力流输水系统的溢流式调压塔，其特征在于：包括引流竖管和顶部连接槽，至少两个引流竖管安装在顶部连接槽底部，多个引流竖管中包括至少一个进流竖管和至少一个出流竖管，所述进流竖管底部与上游输水管道相连，所述出流竖管底部与下游输水管道相连，所述进流竖管和出流竖管的中上部之间通过连接横管相连通，顶部连接槽将进流竖管和出流竖管顶部连通，顶部连接槽上还设有溢流结构。

进一步地，所述溢流结构包括溢流堰、下游排水管道和排水竖管，所述溢流堰安装在顶部连接槽内将其内部分为溢流区和引流区两部分，所述引流竖管安装在顶部连接槽内的引流区，所述排水竖管顶部安装在顶部连接槽内的溢流区，排水竖管底部与下游排水管道相连。

进一步地，所述溢流堰顶部高程低于顶部连接槽的顶部高程。

进一步地，所述引流竖管为两个，一个是进流竖管，一个是出流竖管。

进一步地，所述出流竖管底部和排水竖管底部均设有用于形成水垫进行消能的加长管。

进一步地，所述加长管的长度约等于其顶部相应管道的直径。

进一步地，所述顶部连接槽为顶部连通大气的敞开槽。

进一步地，所述出流竖管、连接横管和进流竖管的直径相同。

进一步地，稳态运行时(正常工况)，所述进流竖管和出流竖管内的水位不低于连接横管的顶部高程，且不高于溢流堰的顶部高程；过渡过程中(事故工况)，通过溢流以控制最大水锤压强，分隔系统以控制爆管事故影响范围。

一种超长重力流输水系统的调压方法，将上述溢流式调压塔接入超长重力流输水系统中，其特征在于，调压方法如下：

正常工况：当输水系统水位偏低时：上游输水管道中的水通过进流竖管-连接横管-出流竖管路线直接进入下游输水管道，当输水系统水位偏高时，上游输水管道中的水还通过进流竖管-顶部连接槽-出流竖管路线进入下游输水管道；

当输水系统中产生升压水锤，如紧急关闭时，水锤波到达所述溢流式调压塔时会被反射，同时引流竖管中水位上升至溢流堰顶高程后开始溢流，溢流水位限制了输水系统压力上升，从而控制系统的最大水锤压强；

当输水系统中产生降压水锤，如爆管事故时，当水锤波到达所述溢流式调压塔时，溢流式调压塔在反射水锤波的同时，引流竖管中水位下降，进流竖管和出流竖管的水流断开，隔断了水锤波传播路径。

本发明进流竖管和流竖管的断面均为圆形，作用是引流输水。所述连接横管为一条与引流竖管直径相同的圆管，在一定高程上将进流竖管和出流竖管连通，保证上游水位最低且管线糙率最大的稳态运行工况下能通过设计流量。所述顶部连接槽是明渠型式，在连接横管上方，将多个引流竖管顶部连接起来，用于上游水位最高且管线糙率最小的稳态运行工况过流。所述溢流堰用于过渡过程中通过溢流来控制系统最大压强，其高程要保证所有正常运行工况不溢流。

进一步地，所述排水竖管是圆截面管道，设在溢流堰外侧，用于将外溢流量排出系统。

进一步地，所述溢流式调压塔可根据超长重力流输水系统的水力坡降线和地形地势，在适当位置设置若干，将整个输水系统分隔成数段。

所述溢流式调压塔在正常稳态工作时，水流首先从上游输水管道流至进流竖管，在进流竖管中向上流动，然后通过连接横管到达出流竖管，在出流竖管中向下流动，然后进入下游输水管道，经下游输水管道流向下游。在输水系统进口不同水位(最高水位、最低水位、设计水位)、管道系统不同糙率(不确定性和发展变化性)、系统上分水口引用不同流量(系统上通常设多个分水支线)情况下，正常运行中进流竖管和出流竖管中水位维持在连接横管顶部高程至顶部连接槽内溢流堰顶高程之间，即高于连接横管顶部高程，低于溢流堰顶部高程，这样既保证输水系统正常稳态运行工况输水连续顺畅，也保证不发生溢流。

如果输水系统因各种原因需要紧急关闭，则各分水口关闭所产生的升压水锤会在系统中传播并导致系统水压力迅速上升，水锤波到达所述溢流式调压塔时会被反射，同时引流竖管内水位上升至溢流堰顶高程后开始溢流，溢流水位限制了系统压力上升，从而控制系统的最大水锤压强。整个系统布置多个所述溢流式调压塔时，系统过渡过程最大水锤压强包络线只比正常运行时的压强分布线略高。相比于常规系统，设置了所述溢流式调压塔的管路系统的设计承压标准可以降低，特别是在管路系统中部和后部，降低幅度较大，这对节约系统投资有重要意义。

如果输水系统中某处发生爆管事故，爆管处水压力突然急剧降低，产生的降压水锤将会通过输水管道向系统其它处传播，系统沿线压力下降，当水锤波到达所述溢流式调压塔时，其在反射水锤波的同时，也由于其水位下降，进流竖管和出流竖管的水流断开，隔断了水锤波传播路径，从而起到隔断系统，减小爆管等事故影响范围的作用。

本发明有益效果是：

本发明所述的溢流式调压塔相比于现有的常规溢流式调压塔，其结构特点是：(1)调压塔上下游系统通过高程较高的连接横管和顶部连接槽连通，而非常规调压塔的下部管道直接连通；(2)调压塔有进流和出流两条竖管，正常稳态运行中有流量通过，而非常规调压塔的一条竖井，在正常稳态运行中无水进出。所述的溢流式调压塔相比于现有的常规溢流式调压塔，在过渡过程中系统压力大幅下降时，特别是爆管等极端事故中，所述溢流式调压塔能将系统自动分隔成多段，控制事故影响范围，保证系统中其它非事故段的安全；事故发生后，其它上游段可很快恢复输水运行。

附图说明

图1为根据本发明实施例的溢流式调压塔的立体图。

图2为根据本发明实施例的溢流式调压塔的正视图。

图3为根据本发明实施例的溢流式调压塔的侧视图。

图4为根据本发明实施例的溢流式调压塔的俯视图。

1-上游输水管道，2-进流竖管，3-连接横管，4-出流竖管，41-出流竖管底部消力塘，5-下游输水管道，6-顶部连接槽，7-溢流堰，8-排水竖管，81-排水竖管底部消力塘，9-下游排水管道。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

在本发明实施例中，输水系统为超长距离重力流输水系统，输水线路有一条主线和多条支线，最长的输水线路超过200km，上游进口水位高，下游出口水位低，通过水的自重输水，系统的若干适当位置设置有本发明所述的溢流式调压塔。下面以一个进流竖管2和一个出流竖管4为例对本发明溢流式调压塔进行说明。

图1展示的是根据本发明实施例的溢流式调压塔的立体图。一种用于超长重力流输水系统的溢流式调压塔，包括进流竖管2、出流竖管4、连接横管3、顶部连接槽6、溢流堰7和排水竖管8，进流竖管2和出流竖管4统称为引流竖管。进流竖管2的底部和上游输水管道1相连，出流竖管4的底部和下游输水管道5相连。连接横管3位于进流竖管2和出流竖管4的中间偏上方，用于将进流竖管2和出流竖管4连通。上游输水管道1、进流竖管2、连接横管3、出流竖管4和下游输水管道5的管道直径均相等。顶部连接槽6位于调压塔顶部，本实施例中，顶部连接槽6顶部敞开的三角形水槽，顶部连接槽6内设有将其内部分为溢流区和引流区两部分的溢流堰7，顶部连接槽6的引流区底部两个引流竖管连通，顶部连接槽6的溢流区底部与排水竖管8连通，其顶部开敞，与大气连通。溢流堰7为薄壁堰，薄壁堰靠近引流竖管的侧面与两个引流竖管截面的内圆相切。排水竖管8的顶部与顶部连接槽6的溢流侧相连，而其底部与下游排水管道9相连。出流竖管4和排水竖管8的底部均加长各自管径的长度，分别构成出流竖管底部消力塘41和排水竖管底部消力塘81，以便形成水垫进行消能，防止水流跌落时直接冲击管道，保护管道底部。上述所有管道均为圆管。

图2和图3展示的分别是根据本发明实施例的溢流式调压塔的正视图和侧视图。本发明所述的溢流式调压塔在稳态运行工况下，为使得引水稳定连续且不溢流，两引流竖管中的水位应不低于连接横管3顶部高程(图2和图3中的较低高程)，且不高于溢流堰7顶高程(图2和图3中的较高高程)，故为保证其在稳态运行工况时能正常运作，需确定合适的连接横管3顶部高程和溢流堰7顶高程。连接横管3顶部高程的确定：输水系统上游进口水位取最低，管道糙率取最大，且系统主线和各支线均引用设计流量时的稳态运行工况下，水力坡降线在本发明所述溢流式调压塔安装位置的高度，即为连接横管3顶部高程。溢流堰7顶高程的确定：输水系统上游进口水位取最高，管道糙率取最小，且系统各支线均关闭，仅主线引用设计流量时的稳态运行工况下，水力坡降线在本发明所述溢流式调压塔安装位置的高度，即为溢流堰7顶高程。

图4展示的是根据本发明实施例的溢流式调压塔的俯视图。

本发明实施例的溢流式调压塔在稳态运行工况下，当水位较低(高于连接横管3顶部高程但低于顶部连接槽6底高程)时，仅连接横管3引流，即水流首先从上游输水管道1流至进流竖管2后向上流动，再通过连接横管3到达出流竖管4后向下流动，最后经下游输水管道5流向下游；当水位较高(高于顶部连接槽6底高程但低于溢流堰7顶高程)时，连接横管3和顶部连接槽6同时引流，即部分水流从进流竖管2向上进入顶部连接槽6，再通过出流竖管4流向下游。稳态工况正常工作时，进流竖管2和出流竖管4中的水位均维持在连接横管3顶部高程与溢流堰7顶高程之间，并随输水系统运行工况不同而变化，最低引流竖管水位为连接横管3顶部高程，最高引流竖管水位为溢流堰7顶高程，从而保证输水连续稳定且不溢流水量。

需要说明的是，本发明进流竖管2和出流竖管4的数量不限于一个，对于一个溢流式调压塔来说，可以设置多个进流竖管2，也可以设置多个出流竖管4，即有一进一出、一进多出、多进一出、多进多出等多种情况，无论哪种情况，只需要将进流竖管2和出流竖管4中上部之间通过连接横管3相连即可。

在本发明实施例中，当输水系统因各种原因紧急关闭时，各分水口阀门迅速关闭，将产生较大升压水锤，并通过输水管道向上游侧传播，导致沿线压力升高；当升压水锤到达根据本发明实施例的溢流式调压塔时，引流竖管水位将上升，若引流竖管水位继续上升至溢流堰7顶高程时，开始发生溢流，限制水位的进一步上升，从而控制系统的最大水锤压强。相比于常规的溢流式调压塔，本发明实施例的溢流式调压塔能通过限制系统最大压力，降低输水管路系统的设计承压标准，尤其管路系统的中后部降低幅度较大，可有效节省管路系统的建设投资。

在本发明实施例中，当输水系统某处发生爆管事故时，爆管处水压力迅速减小，其产生的降压水锤会通过输水管道向系统其它部位传播，引起沿线压力降低；当降压水锤到达根据本发明实施例的溢流式调压塔时，由于其引流路径曲折的结构特点，可有效反射水锤波，同时由于其引流竖管水位下降，原本通过连接横管3连通的，进流竖管2和出流竖管4中的水流断开，隔断了水锤波的传播路径，进而起隔断系统的作用。相比于常规的溢流式调压塔，本发明实施例的溢流式调压塔能在爆管等事故发生时，更加有效地阻止水锤传播，隔断输水系统，保证系统其它非事故段的正常运行，减小爆管等事故的影响范围。

以上所述和附图仅是对本发明较佳实施例的示例性说明，而并非限制保护范围。本领域技术人员在不背离本发明实质或范围的情况下，可对实施例做出改进。本发明的范围以权利要求和它们的同等物限定。

Claims (10)

1.一种用于超长重力流输水系统的溢流式调压塔，其特征在于：包括引流竖管和顶部连接槽，至少两个引流竖管安装在顶部连接槽底部，多个引流竖管中包括至少一个进流竖管和至少一个出流竖管，所述进流竖管底部与上游输水管道相连，所述出流竖管底部与下游输水管道相连，所述进流竖管和出流竖管的中上部之间通过连接横管相连通，顶部连接槽将进流竖管和出流竖管顶部连通，顶部连接槽上还设有溢流结构。

2.根据权利要求1所述的溢流式调压塔，其特征在于：所述溢流结构包括溢流堰、下游排水管道和排水竖管，所述溢流堰安装在顶部连接槽内将其内部分为溢流区和引流区两部分，所述引流竖管安装在顶部连接槽内的引流区，所述排水竖管顶部安装在顶部连接槽内的溢流区，排水竖管底部与下游排水管道相连。

3.根据权利要求2所述的溢流式调压塔，其特征在于：所述溢流堰顶部高程低于顶部连接槽的顶部高程。

4.根据权利要求2所述的溢流式调压塔，其特征在于：所述引流竖管为两个，一个是进流竖管，一个是出流竖管。

5.根据权利要求2所述的溢流式调压塔，其特征在于：所述出流竖管底部和排水竖管底部均设有用于形成水垫进行消能的加长管。

6.根据权利要求5所述的溢流式调压塔，其特征在于：所述加长管的长度约等于其顶部相应管道的直径。

7.根据权利要求2所述的溢流式调压塔，其特征在于：所述顶部连接槽为顶部连通大气的敞开槽。

8.根据权利要求2所述的溢流式调压塔，其特征在于：所述出流竖管、连接横管和进流竖管的直径相同。

9.根据权利要求2-8任意一项所述的溢流式调压塔，其特征在于：稳态运行时，即正常工况，所述进流竖管和出流竖管内的水位不低于连接横管的顶部高程，且不高于溢流堰的顶部高程；过渡过程中，即事故工况，通过溢流以控制最大水锤压强，分隔系统以控制爆管事故影响范围。

10.一种超长重力流输水系统的调压方法，将权利要求9所述溢流式调压塔接入超长重力流输水系统中，其特征在于，调压方法如下：

正常工况：当输水系统水位偏低时：上游输水管道中的水通过进流竖管-连接横管-出流竖管路线直接进入下游输水管道，当输水系统水位偏高时，上游输水管道中的水还通过进流竖管-顶部连接槽-出流竖管路线进入下游输水管道；

当输水系统中产生升压水锤，如紧急关闭时，水锤波到达所述溢流式调压塔时会被反射，同时引流竖管中水位上升至溢流堰顶高程后开始溢流，溢流水位限制了输水系统压力上升，从而控制系统的最大水锤压强；

当输水系统中产生降压水锤，如爆管事故时，当水锤波到达所述溢流式调压塔时，溢流式调压塔在反射水锤波的同时，引流竖管中水位下降，进流竖管和出流竖管的水流断开，隔断了水锤波传播路径。

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