CN206328815U - 一种防护泵供水系统用的新型空气罐结构 - Google Patents

Abstract

一种防护泵供水系统用的新型空气罐结构，包括空气罐、减压阀、高压储气罐、止回阀，所述空气罐与高压储气罐通过输气管路连接，所述输气管路中顺序设置止回阀、常开电磁阀、减压阀、检修阀，所述空气罐还顺序连接常闭电磁阀与空气阀。本实用新型具有如下特点：防护水锤效果好；安装位置不受地形条件限制，一般安装在水泵房附近；结构简单，运行安全可靠；使用方便、容易维护。

Description

一种防护泵供水系统用的新型空气罐结构

技术领域

本实用新型涉及水输送的技术领域，尤其涉及长距离输水管路系统中用于水锤防护装置中的一种防护泵供水系统水锤用的新型空气罐结构。

背景技术

实际在泵输水系统运行中，由于停电或者误操作等原因，经常发生停泵水锤，致使水泵出水管道、阀门以及水泵机组遭受破坏，供水中断，造成严重的损失。发生停泵水锤事故时，如果能及时防止泵出口压力降低，那么管道中压力也不会升得太高。

目前，防止水锤发生时压力降低的方法有两种：一种是向管道内注水，另一种是向管道内注气。向管道内注水的水锤防护装置主要包括单、双向调压塔、空气罐，向管道内注气的水锤防护措施主要有空气罐。然而空气阀只有当管道内的压力小于大气压时才能进气，不能及时有效的防止管道内压力降低。

空气罐是输水管路系统一种用于防止产生正负压的特殊水锤防护装置，它装设在水泵出口附近，空气罐在发生水锤事故时，水泵出口处管道由于流量下降导致压力下降，空气罐内初始的气体压力大于管道中液体压力，空气罐中的水被压入到管道中，以补充管道内液体的流量下降，从而缓解水泵出口处的压力下降；当正压波到达水泵出口处时，管道内的压力大于空气罐内的气体压力，管道内的液体由于压差的作用被压入到罐体内，从而缓解水泵出口的压力升高。空气罐内压缩气体的存在可以释放压力能或者吸收管道中的压力波。

因此空气罐在设计阶段需要考虑的因素较多，包括空气罐的体积、罐内初始气体压力、罐内初始液体体积、罐体与输水管道的连接管阻抗等，目前工程师们一般依靠工程设计经验和图表进行空气罐的参数选择，一般要经过比较繁琐的试算过程，属于十分耗时而且笨拙的方法。

目前，常用的空气罐有两种类型，非分离型空气罐和分离型空气罐，对于非分离型空气罐而言，空气与水的接触面处存在空气溶于水的现象，但是无论是分离型空气罐还是非分离型空气罐，都存在一个问题就是气体流失，因此需要空气压缩机对其进行补气。除此之外，对于长距离输水工程或者对水锤防护要求高、调节能力大的工程，需要的空气罐的容积过大，这就使得传统的空气罐很难大规模推广到实际工程应用中。

实用新型内容

针对上述现有技术的问题，提供了结构简单，使空气和水分别在两个罐子内的一种防护泵供水系统水锤用的新型空气罐结构。

本实用新型提供的技术方案：

一种防护泵供水系统水锤用的新型空气罐结构，包括空气罐、减压阀、高压储气罐、止回阀，所述空气罐与高压储气罐通过输气管路连接，所述输气管路中顺序设置止回阀、常开电磁阀、减压阀、检修阀，所述空气罐还顺序连接常闭电磁阀与空气阀。

本实用新型具有如下特点：防护水锤效果好；安装位置不受地形条件限制，一般安装在水泵出口附近；结构简单，运行安全可靠；使用方便、容易维护。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施模型的结构示意图。

图2为实施例工程示意图。

图3最大最小压力水头包络线。

图4水泵无量纲特征量变化曲线。

图5水泵出口压力变化曲线。

图6本实用新型所述的新型空气罐结构内水位变化曲线。

图7本实用新型所述的新型空气罐结构内空气质量变化曲线。

其中:1-水泵；2-两阶段缓闭蝶阀；3-空气罐；4-高压储气罐；5-止回阀；6-常开电磁阀；7-减压阀；8-检修阀；9-常闭电磁阀；10-空气阀。

具体实施方式

下面将结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种防护泵供水系统水锤用的新型空气罐结构，包括空气罐、减压阀、高压储气罐、止回阀，所述空气罐与高压储气罐通过输气管路连接，所述输气管路中顺序设置止回阀、常开电磁阀、减压阀、检修阀，所述空气罐还顺序连接常闭电磁阀与空气阀。

止回阀的作用是防止管道中压力增大时，空气罐中的水进入高压储气罐，水泵正常工作时，常闭电磁阀处于关闭状态，只有当水泵发生事故断电时常闭电磁阀才打开。此时，高压储气罐中的空气膨胀使空气罐中的水可以进入管道，从而起到水锤防护的作用。

所述压力罐的模型边界条件算法演算过程为：

基本参数：Hp(j)为水泵扬程，m；Q_p(j)水泵流量，m3/s；Q(N,j)为流出节点N的管道流量，m3/s；H(N,j)为节点N水头，m；Q_s(j)为通过空气罐的节流孔口的流量，m3/s；A为阀门断面积，㎡；ε为阀门的阻力系数；w为节流孔口断面积，㎡；Hs为空气罐内水位，m；hh(j)为空气罐内水头，m；Vs(j)为空气罐气体体积，m³；Ps(j)为空气罐气体压强，pa；As为空气罐断面积，㎡；H为大气压，m³；k为空气罐节流孔口阻力系数；Hair为减压阀初始压力水头，m。

本实用新型的工作原理：水泵正常运行时空气罐内的压力与输水管道P点处的压力相等，此时空气罐内充满水。当突然停泵时，将会引起水泵的转速下降并且其流量也会减小，这时空气罐内压力高于输水管道点P的压力，并且当空气罐内的压力低于减压阀设定压力Hair值时，减压阀便会打开从高压储气罐向空气罐内补气，使空气罐内的水流出补给管道，从而减缓管道中水流流速下降的速率，以避免管道内压力下降至大气压以下或者蒸汽压力。同样地，当管道内水流发生倒流，两阶段关闭蝶阀将迅速关闭，使管道内的压力升高。当点P的压力值大于空气罐内压力值时，管道内的水进入空气罐内从而减缓管道内水流流速的变化率，因此抑制了管道内压力的升高。

压力罐的数学模型为：

基本参数：Hp(j)为水泵扬程，m；Q_p(j)为水泵流量，m³/s；Q(N,j)为流出节点N的管道流量，m³/s；H(N,j)为节点N水头，m；Q_s(j)为通过空气罐的节流孔口的流量，m³/s；A为阀门断面积，㎡；ε为阀门的阻力系数；w为节流孔口断面积，㎡；Hs为空气罐内水位，m；hh(j)为空气罐内水头，m；Vs(j)为空气罐气体体积，m³；Ps(j)为空气罐气体压强，pa；As为空气罐断面积，㎡；H为大气压水头，m；k为空气罐节流孔口阻力系数；Hair为减压阀初始压力水头，m。

第一种情况：当空气罐内压力hh(j)≤Hair时

(1)空气罐内压力与减压阀设定压力之间的关系为：

hh(j)＝Hair

(2)流量平衡方程：

Q_p(j)+Q_s(j)＝Q(N,j)

(3)空气罐水位H_s、气体体积V和流量Q_s的关系：

V(j)＝V(j-1)+0.5dt[Q_s(j)+Q_s(j-1)]

(4)假设不考虑罐内水体和罐壁的弹性，那么节点P的测压管水头H(N,j)、罐内水头hh(j)以及空气罐水位H_s(j)的关系为：

(5)特征线方程：

H(N,j)＝C_M+BQ(N,j)

第二种情况：当空气罐内压力hh(j)＞Hair时

(1)空气罐内压力：

Ps(j)*Vs(j)＝Ps(j-1)*Vs(j-1)

(2)流量平衡方程：

Q_p(j)+Q_s(j)＝Q(N,j)

(3)空气罐水位H_s、气体体积V和流量Q_s的关系：

V(j)＝V(j-1)+0.5dt[Q_s(j)+Q_s(j-1)]

(4)假设不考虑罐内水体和罐壁的弹性，那么节点P的测压管水头H(N,j)、罐内水头hh(j)以及空气罐水位H_s(j)的关系为：

(5)特征线方程：

H(N,j)＝C_M+BQ(N,j)

第三种情况：当泵出口阀门全部关闭时

(1)空气罐内压力：

Ps(j)*Vs(j)＝Ps(j-1)*Vs(j-1)

(2)流量平衡方程：

Q_s(j)＝Q(N,j)

(3)空气罐水位H_s、气体体积V和流量Q_s的关系：

V(j)＝V(j-1)+0.5dt[Q_s(j)+Q_s(j-1)]

(4)假设不考虑罐内水体和罐壁的弹性，那么节点P的测压管水头H(N,j)、罐内水头hh(j)以及空气罐水位H_s(j)的关系为：

(5)特征线方程：

H(N,j)＝C_M+BQ(N,j)

采用牛顿——雷伏生方法分别对上述三种不同工况下的边界条件进行迭代求解。

以实际现场的实施例说明本实用新型专利技术方案各项参数的选择：

榆林市某工业园区供水工程由水源工程、加压泵站工程、高位水池工程、输水干支管道工程以及管理道路工程五部分组成。供水工程由水源工程从水源地取水，经四级泵站分级加压后，通过35km长的输水干管(双管)输水至工业园区净水厂，该工程的任务是向工业园区供水，满足园区生产、生活用水，并兼顾供水沿线各村庄居民生活用水需要，供水保证率不低于95％。

该供水工程的设计输水流量1.11m³/s，总输水距离约35km。每级加压泵站均设置4台离心泵并联运行，且3台工作1台备用。根据图2所示，一级加压泵站的单泵流量为0.37m³/s，扬程为149.5m，一级加压泵站到二级加压泵站的管线长度为1340.73m。二级加压泵站的单泵流量为0.37m³/s，扬程为128.9m，二级加压泵站到三级加压泵站的管线长度为1883.10m。三级加压泵站的单泵流量为0.37m³/s，扬程为137.4m，三级加压泵站到四级加压泵站的管线长度为10507.89m，四级加压泵站的单泵流量为0.37m³/s，扬程为139.7m，四级加压泵站到高位水池的管线长度为15478.18m，一级加压泵站到高位水池之间的管道均采用DN800的无缝钢管。一级泵站的特性参数如表1所示。

表1 一级泵站特性参数表

为量保证泵站系统的安全运行，并且达到预期的水锤防护目的，在选择停泵水锤防护措施时要注意以下几个方面的因素：所选用的水锤防护措施，应与所处的泵站和管路系统的规模、作用对安全性的要求以及技术上必须安全可靠、经济上较为合理、管理维修上比较方便的防护措施；在技术上主要从以下几个方面得到体现：a.管线上的最大水锤压力应小于1.3～1.5倍的水泵出口额定压力；b.水泵机组的倒转转速不应超过1.2倍的额定转速，且倒转不得超过2分钟；c.全管线不应出现极具危害的水柱分离现象；防护措施的选择，必须和停泵水锤分析及计算相互配合、同时进行。

根据上述注意事项，综合实际工程，选择本实用新型所述的一种防护泵供水系统水锤用的新型空气罐结构，根据图1所示，新型空气罐结构安装在两阶段缓闭蝶阀后，水泵正常运行时，空气罐充满水，并且空气罐内的压力与管道内的压力相等。当突然停电或停泵时，水泵的转速下降并且流量减小，这时空气罐内压力高于输水管道的压力，与此同时当空气罐内的压力低于减压阀设定压力时，常闭电磁阀打开，高压储气罐向空气罐内补入压缩空气，从而使空气罐内的水流入管道，以减缓管道中水流流速下降的速率，避免管道内压力下降至大气压以下或者蒸汽压力。同样地，当管道内水流发生倒流，两阶段缓闭蝶阀将迅速关闭，使管道内的压力升高。当管道内压力值大于空气罐内压力值时，管道内的水进入空气罐内从而减缓管道内水流流速的变化率，因此抑制了管道内压力的升高。

实施例中，在水泵出口安装DN400的蓄能罐式液控缓闭蝶阀，并且水泵出口后的主管道上安装本实用新型所述的压力罐，减压阀最大设定压力不能超过水泵出口的静水压，在该工程中不能超过1.454MPa。由给排水设计手册可知：(1)空气罐出口管道的直径一般为干管管径的1/4～1/2；(2)从空气罐出水水头损失要小，而进水水头损失要大，其比值一般为1:2.5；(3)为了防止在管道出现最低压力时，空气罐内的空气进入管道，因此空气罐的体积可取所需最小体积的1.1～1.3倍。

本实用新型所述的压力罐优化计算中的变量有：液控缓闭蝶阀的快关时间t₁、快关角度θ₁、慢关时间t₂、空气罐出口的阻力系数ξ₁、空气罐出口的管道直径D₁、空气罐的直径Ds、空气罐的高度Hs及其减压阀压力Hair等八个变量，下面将对上述八个变量分别进行分析，最终确定最优的本实用新型所述的压力罐体积。

1)当θ₁＝65°，t₂＝60s，ξ₁＝1.6，D₁＝0.35m，Ds＝1.5m，Hs＝5m，Hair＝1.378MPa时，利用MATLAB计算液控缓闭蝶阀的快关时间t₁取不同值时的水锤计算结果如下表2所示。

表2：t₁取不同值时的水锤计算结果

由表2可知:当其他变量一定时，随着快关时间的延长，水泵出口的最大压力的升高并不明显，管道的最小压力并不发生变化，而空气罐内的最小水位呈下降趋势。在满足泵站设计规范的前提下，选择液控缓闭蝶阀的快关时间为t₁＝1.5s。

2)当t₁＝1.5s，t₂＝60s，ξ₁＝1.6，D₁＝0.35m，Ds＝1.5m，Hs＝5m，Hair＝1.378MPa时，利用MATLAB计算液控缓闭蝶阀的快关角度θ₁取不同值时的水锤计算结果如下表3所示。

表3 θ₁取不同值时的水锤计算结果

θ1(°)	60	65	70	75	80
						n	1.032	1.027	1.025	1.024	1.023
Hmin(m)	2.137	2.137	2.137	2.137	2.137
						Hsmin(m)	0.965	1.173	1.301	1.370	1.401
V(m3)	8.83	8.83	8.83	8.83	8.83

由表3可以看出：当其他变量一定时，随着快关角度的增大，水泵出口的最大压力逐渐减小，管道的最小压力并不发生变化，而空气罐内的最小水位逐渐增大。在满足泵站设计规范的前提下，选择液控缓闭蝶阀的快关角度为θ₁＝80°。

3)当θ₁＝80°，t₁＝1.5s，ξ₁＝1.6，D₁＝0.35m，Ds＝1.5m，Hs＝5m，Hair＝1.378MPa时，利用MATLAB计算液控缓闭蝶阀的慢关时间t₂取不同值时的水锤计算结果如下表4所示。

表4 t₂取不同值时的水锤计算结果

由表4可知：当其他变量一定时，随着慢关时间的延长，水泵出口的最大压力和管道的最小压力均不发生变化，空气罐内的最小水位呈下降趋势。在满足泵站设计规范的前提下，选择液控缓闭蝶阀的慢关时间为t₂＝2.5s。

4)当θ₁＝80°，t₁＝1.5s，t₂＝2.5s，D₁＝0.35m，Ds＝1.5m，Hs＝5m，Hair＝1.378MPa时，利用MATLAB计算本实用新型所述的压力罐出口的阻力系数ξ₁取不同值时的水锤计算结果如下表5所示。

表5 ξ₁取不同值时的水锤计算结果

由表5可知：当其他变量一定时，随着本实用新型所述的压力罐出口的阻力系数的增大，水泵出口的最大压力及管道的最小压力均呈减小趋势，但其变化不大，空气罐内的最小水位呈增大趋势。综合考虑上述因素，选择本实用新型所述的压力罐出口的阻力系数为ξ₁＝2.1。

5)当θ₁＝80°，t₁＝1.5s，t₂＝2.5s，ξ₁＝2.1，Ds＝1.5m，Hs＝5m，Hair＝1.378MPa时，利用MATLAB计算本实用新型所述的压力罐出口的管道直径D₁取不同值时的水锤计算结果如下表6所示。

表6 D₁取不同值时的水锤计算结果

由表6可知：当其他变量一定时，随着本实用新型所述的压力罐出口的管道直径的增大，水泵出口的最大压力呈增大趋势，但不是特别明显；管道的最小压力明显增大，而空气罐内的最小水位不断减小。由给排水设计手册可知：空气罐出口管道的直径一般为干管管径的1/4～1/2，因此取本实用新型所述的压力罐出口的管道直径D₁＝0.25m。

6)当θ₁＝80°，t₁＝1.5s，t₂＝2.5s，ξ₁＝2.1，D₁＝0.25m，Hs＝5m，Hair＝1.378MPa时，利用MATLAB计算本实用新型所述的压力罐的直径Ds取不同值时的水锤计算结果如下表7所示。

表7 Hs＝5m时，Ds取不同值时的水锤计算结果

在其它参数不变的情况下，Hs＝4m时，利用MATLAB计算本实用新型所述的压力罐的直径Ds取不同值时的水锤计算结果如下表8所示。

表8 Hs＝4m时，Ds取不同值时的水锤计算结果

在其它参数不变的情况下，Hs＝3.5m时，利用MATLAB计算本实用新型所述的压力罐的直径Ds取不同值时的水锤计算结果如下表9所示。

表9 Hs＝3.5m时，Ds取不同值时的水锤计算结果

由表7～表9可以看出：当其他参数不变，随着本实用新型所述的压力罐的高度减小，本实用新型所述的压力罐的直径取不同值时，管道的最小压力均大于零。但在Hs≤4m时本实用新型所述的压力罐的最低水位有的出现了负值，即本实用新型所述的压力罐内的空气进入了主管道内。

因此，在满足水锤防护要求的前提下，可以减小减压阀的设定压力。在其它参数不变的情况下，Hs＝3.0m、Hair＝1.329MPa时，利用MATLAB计算本实用新型所述的压力罐的直径Ds取不同值时的水锤计算结果如下表10所示。

表10 Hs＝3.0m，Hair＝1.329MPa时，Ds取不同值时的水锤计算结果

在其它参数不变的情况下，Hs＝2.8m、Hair＝1.329MPa时，利用MATLAB计算本实用新型所述的压力罐的直径Ds取不同值时的水锤计算结果如下表11所示。

表11 Hs＝2.8m，Hair＝1.329MPa时，Ds取不同值时的水锤计算结果

在其它参数不变的情况下，Hs＝2.7m、Hair＝1.329MPa时，利用MATLAB计算空气罐的直径Ds取不同值时的水锤计算结果如下表12所示。

表12 Hs＝2.7m，Hair＝1.329MPa时，Ds取不同值时的水锤计算结果

在其它参数不变的情况下，Hs＝2.6m、Hair＝1.329MPa时，利用MATLAB计算空气罐的直径Ds取不同值时的水锤计算结果如下表13所示。

表13 Hs＝2.6m，Hair＝1.329MPa时，Ds取不同值时的水锤计算结果

从表10～13可以看出：当Hair＝1.329MPa，其他参数均不变时，随着本实用新型所述的压力罐的高度减小，管道的最小压力逐渐减小。因为水在-9.95m时出现水柱分离。为了安全起见，本文取最小负压不超过-5m，由此可见，本实用新型所述的压力罐的高度小于2.6m时，负压将不再满足要求。

7)在上述结论的基础上，对减压阀的压力取不同值，基本参数θ₁＝80°，t₁＝1.5s，t₂＝2.5s，ξ₁＝2.1，D₁＝0.25m均不发生改变。

当Hs＝2.6m，Ds＝1.1m时，利用MATLAB计算减压阀压力PP取不同值时的水锤计算结果如下表14所示。

表14 Hs＝2.6m，Ds＝1.1m时，Hair取不同值时的水锤计算结果

当Hs＝2.7m，Ds＝1.10m时，利用MATLAB计算减压阀压力Hair取不同值时的水锤计算结果如下表15所示。

表15 Hs＝2.7m，Ds＝1.10m时，Hair取不同值时的水锤计算结果

当Hs＝2.7m，Ds＝1.05m时，利用MATLAB计算减压阀压力Hair取不同值时的水锤计算结果如下表16所示。

表16 Hs＝2.7m，Ds＝1.05m时，Hair取不同值时的水锤计算结果

当Hs＝2.8m，Ds＝1.05m时，利用MATLAB计算减压阀压力Hair取不同值时的水锤计算结果如下表17所示。

表17 Hs＝2.8m，Ds＝1.05m时，Hair取不同值时的水锤计算结果

当Hs＝3.0m，Ds＝1.05m时，利用MATLAB计算减压阀压力Hair取不同值时的水锤计算结果如下表18所示。

表18 Hs＝3.0m，Ds＝1.05m时，Hair取不同值时的水锤计算结果

从表14～17可以看出：当本实用新型所述的压力罐的高度及直径一定时，随着减压阀压力的增大，最大压力几乎不发生变化，管道的最小压力逐渐增大，而本实用新型所述的压力罐的最低水位不断减小。当满足泵站水锤防护要求以及最小压力不小于-5m时，减压阀的压力为Hair＝1.329MPa，本实用新型所述的压力罐的体积为2.42m³。

该防护措施的关阀程序为：快关80度历时1.5s，余下10度慢关历时2.5s关完，关阀总历时4s。减压阀压力为Hair＝1.329MPa，本实用新型所述的压力罐的体积为2.42m³。按照此方案的水锤计算结果如图3～图7所示：

从图3～图7可以看出：本实用新型水锤防护效果完全符合泵站设计规范的要求即：(分别描述图3—7的含义)

从图3中最大最小压力包络线变化可以看出，最高压力没有超过水泵出口可定压力的1.3～1.5倍，输水系统不会出现水柱断裂。

从图4相对转速变化线可以看出，泵的最高反转速没有超过额定转速的1.2倍。

从图5水泵出口压力水头线可以看出，水泵出口最大压力为正常压力的1.06倍，远小于1.3～1.5倍.

从图6空气罐水位变化可以看出，压力罐的最低水位接近于0，因此压力罐体积取最小体积的1.25倍。

从图7压力罐中空气质量变化曲线可以看出，压力罐内进气量为41.06Kg。

(1)最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3～1.5倍；

(2)输水系统任何部位不应出现水柱断裂；

(3)离心泵最高反转速度不应超过额定转速的1.2倍；超过额定转速的持续时间不应超过2min。

(4)水泵出口最大压力为正常压力的1.06倍，远远小于1.3～1.5倍的正常压力；

(5)水泵机组未发生倒转；

(6)沿着全管线局部出现负压，最大负压为-4.88m，且其不超过-7.5m，因此不会产生断流弥合水锤；

(7)本实用新型所述的新型空气罐结构的最低水位接近于0，为了防止本实用新型所述的新型空气罐结构内的空气进入主管道内，本实用新型所述的新型空气罐结构的体积取最小体积的1.25倍，即空气罐的体积为3.03m³；

(8)本实用新型所述的新型空气罐结构内的进气量为41.06kg。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种防护泵供水系统用的新型空气罐结构，其特征在于：包括空气罐、减压阀、高压储气罐、止回阀，所述空气罐与高压储气罐通过输气管路连接，所述输气管路中顺序设置止回阀、常开电磁阀、减压阀、检修阀，所述空气罐还顺序连接常闭电磁阀与空气阀。