專利名稱：水輸送系統中的溢流式穩壓塔的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及長距離輸水、配水管網系統技術領域，具體地說是一種保證輸、配 水系統運行安全的水輸送系統中的溢流式穩壓塔。
背景技術：
眾所周知，隨著人類社會的集中化城市化，城市內的水資源將日益潰乏。以我們遼 寧省為例，大伙房水庫輸水工程的主要供水對象為遼寧中部地區城市群的城市生活和工業 用水。目前，渾河、太子河、大遼河流域生態環境惡化，地下水超采，水資源嚴重短缺，已成為 制約當地經濟可持續發展的重要因數。為緩解渾、太地區水資源供需矛盾，加快老工業基地 產業結構調整和改造，促進該地區水資源合理配置，使水環境得到改善，推動當地國民經濟 可持續發展，國家計委批準了大伙房水庫的輸水(二期)工程，該工程的建設目的旨在解 決遼寧中部城市生活和工業用水供不應求矛盾，使城市基礎設施與城市建設迅速發展相適 應，與人民生活水平的逐步提高相適應。大伙房輸水二期工程屬于規模630萬噸/日、向7個城市供水、供水距離長達 238km的密閉壓力輸水系統，其系統復雜、規模之大，都是前所未有的，這樣系統目前屬于國 內最大最復雜的輸水系統，而且所供之水量均占各市的總水量56%以上，工程的安全性就 顯得極為重要。由于加壓站的上游有長達142. 14Km的重力流輸水管道，加壓站下游有70多km的 壓力流輸水管線，工程的安全保證，需考慮系統的靜水壓問題及各種運行工況之間的切換 時所產生的水力過渡過程的壓力變化等問題，目前國內主要采用圓筒式溢流塔，其技術方 案是，在塔頂設堰下水室，匯集堰下水流入溢流水道，然后在地面設消力池和排水渠。這種 溢流塔上部結構體積龐大、復雜，在高出地面25-55m的情況下，塔身結構復雜，穩定性差， 施工難度大，投資多。同時在管路事故關閥后，很難快速泄流。
發明內容本實用新型的目的是提供一種水輸送系統中的溢流式穩壓塔。其主要工作原理是 當管路水平進水管水頭大于上水豎管高程時，在塔頂產生溢流，經下水豎管和水平出水管 將水排出本實用新型的溢流式穩壓塔，達到減小管路壓力和大量泄水的目的。本實用新型的目的是這樣實現的它包括有在水平輸送管線的一處切斷而形成的 水平進水管及水平出水管，其特征是在水平進水管端部通過彎頭連接有一垂直于地面的 上水豎管，在上水豎管頂部通過拱形水管連接有一與上水豎管平行設置的下水豎管，在下 水豎管的底部通過三通彎頭與水平出水管固定連接，在下水豎管底部以下相對應的位置上 還設置有一減少塔頂部溢流的水流對下部沖擊的緩沖式水墊層；在拱形水管上均勻分布有 塔頂進、排氣閥，在下水豎管的內側至少設置有兩個消能整流環，該消能整流環的孔徑為下 水豎管管徑的0. 8-0. 9。本實用新型溢流式穩壓塔的結構及工作原理[0008]溢流式穩壓塔結構穩壓塔是水系統中的一個重要的安全保障設施。本實用新型主要由上水豎管、下 水豎管及拱形水管組成的倒“U”型管穩壓塔結構，當輸水管內壓力超過臨界壓力時，溢流塔 會自動溢流，能有效減小輸水管路的壓力，起到保護管路，防止爆管的作用，同時不會對主 管道系統產生水力波動影響，可保證主管道水系統的穩定。本實用新型的倒“U”型穩壓塔中水流為水氣兩相流的復雜流態，其結構形式像虹 吸管，這要求塔頂部應設置進氣口，破壞虹吸產生以及避免空蝕，同時又要在頂部溢流處保 證一定的負壓，能在主管道系統事故關閥時，使泄流量較大。同時又要具備排氣功能，以排 除水中聚集在“U”型管頂部的氣體，因此則塔頂部設置了進排氣閥，進排氣閥的進氣孔孔徑 和排氣孔孔徑要根據不同工況計算確定。考慮到溢流水位較高和保證下水豎管流態為穩定流，需在泄水豎管溢流段，即在 所述的靠近拱形水管的上水豎管上部設置有消能整流孔板結構，根據需要，在上水豎管上 一般設置有2-10個消能整流環，該消能整流環的孔徑為下水豎管管徑的0. 8-0. 9，并通過 設在下水豎管底部的緩沖式水墊行消能，所述的緩沖式水墊層的深度范圍為水平出水管管 徑的1-1. 5倍。本實用新型的溢流式穩壓塔工作原理當水進入拱形水管(180°彎管)時，拱形水管的內壁對水流起著約束作用，使水 流沿彎管做曲線運動，從而在拱形水管內形成特有的急變流運動規律。流過拱形水管的液 體在離心力的作用下，在彎曲管段部分產生的壓力和速度分布不均勻，這種不均勻的分布 會傳遞到下游很長一段距離，引起下游液體的速度、壓力分布發生變化。由于液體流過拱 形水管時所受的離心力較大，液體有向拱形水管外側運動的趨勢，氣體則被擠壓到拱形內 側。由于外側壓力較高，液體就向壓力較低的內側流動，在拱形處占據了整個管道截面，形 成了液封，氣體就被堵塞、壓縮，而部分液體則產生回流，從而在下降管內形成間歇性流動， 造成下降管段內氣液兩相流流態嚴重，管內的壓力波動較大。為了減小180°彎頭對垂直下降管內流動的影響，在下水豎管的內側至少設置有 兩個消能整流環；在下水豎管的內側放置整流環后，整流作用使得整流環前、后的壓降為 負，在負壓的作用下流體不斷向前運動，抑制了回流的產生，同時，整流環使得垂直段內部 的壓力增加，從而使內部氣液流動趨于穩定，通過在整流和未整流條件下測得的氣液兩相 流的壓力發現，整流環的作用大大削弱了管內的壓力波動，保證了氣液流動趨于穩定。進氣是本實用新型的溢流式穩壓塔的一個關鍵因素，進氣量太少，在下水豎管中 容易產生負壓，會引起空蝕；進氣量太多，又會使出水豎管產生水、氣兩相流，流態不穩，故 要嚴格設定進氣孔的大小和數量。本實用新型溢流式穩壓塔的功能及技術特點一、功能(1)起到消除水系統管道中的水錘、并可避免二次水錘發生的作用；(2)起到向主管道系統補水的作用、防止管道產生真空、拉斷的作用；(3)起到避免水系統靜壓超壓發生、并可大量泄水的作用；二、技術特點(1)整流環的尺寸[0023]整流環的尺寸大小直接影響溢流式穩壓塔內流體的流動特性，尺寸太大，起不到 減小彎頭影響的作用，尺寸太小，容易在整流環后面產生二次流，而且會增加管道內的流動 阻力，對垂直管內的流動產生新的影響。通過大量的數值計算反復驗證發現，當消能整流環 的孔徑為下水豎管管徑的0. 8-0. 9，整流作用顯著，而且不會對垂直管內的流動產生新的影 響。整流環抑制了彎頭對流動的影響。(2)整流環的效果通過整流環整流后3 5下水豎管管徑的距離內水流達到穩定，即整流裝置對管 內單相流動起到了穩定的作用。(3)整流環的位置若第一個整流環(消能孔板)太靠近塔頂，容易使管中水充滿，影響進氣，而導致 豎管負壓較大。出水豎管的上半部布置一個以上整流環，下半部應布置一個以上整流環。上 水豎管上部第一個整流環位置設置在距塔頂溢流水位的8米以內。(4)塔頂進排氣進氣是本溢流塔的一個關鍵因素，進氣量太少，在下水豎管中容易產生負壓，會引 起空蝕；進氣量太多，又會使水平出水管產生水，氣兩相流，流態不穩，故要嚴格設定進氣孔 的大小和數量。排氣的作用主要是考慮起初運行時的排氣和正常運行時排除水中溶解的空氣。起 初運行時是排除塔內進水流量的等量排氣量。正常運行時考慮水中溶解空氣量按0. 5 1. 0%考慮。(5)溢流式穩壓塔的循環管為保證溢流式穩壓塔內水質潔凈，應在塔內正常高水位一定深度下的上水豎管與 下水豎管之間設置一根循環管，其上設置一個電動閥門，可定期將上水豎管內的水排放至 下水豎管內。(6)水墊層為了減少塔頂部溢流的水流對下部的沖擊，同時考慮水流跌水至底部后的摻氣問 題，應在出水豎管底部設置一定深度的緩沖式水墊層，緩沖式水墊層的深度范圍應為溢流 高度的1/3 1/4。考慮出水水平管的流態，避免明滿流交替發生，應保證水平出水管頂有一定的淹 沒深度，緩沖式水墊層的深度范圍為水平出水管管徑的1-1. 5倍。(7)溢流式穩壓塔的保溫在寒冷地區，本實用新型溢流式穩壓塔需做外保溫，保溫可采用電伴熱帶和外保 溫層，即在上水豎管、拱形水管及下水豎管的外表面設置一帶有電加熱裝置的外保溫層， 所述的外保溫層為巖棉保溫或聚氨酯泡沫塑料層。電伴熱帶可根據塔內水溫的情況自動加 熱，以保證水不結冰。本實用新型的溢流式穩壓塔結構，維護結構平面尺寸僅為14. 5X14. 5m，而且塔體 上部僅為DN3000的鋼管結構，水的有效容積僅為70m3，其重量由鋼管本身承擔，維護結構僅 承擔鋼管及自身的穩定，維護結構相對簡單。對于50m高的穩壓塔，本實用新型的穩壓塔工 程造價為820萬元，傳統式帶豎管穩壓塔工程造價為2146萬元，可見，本實用新型的溢流式 穩壓塔要比傳統式穩壓塔省近2/3。[0039]如果采用傳統式穩壓塔多采用帶豎管式穩壓塔，其上部中心為圓形溢流池，上 水豎管進入溢流池后，通過跌水堰溢流至環形集水槽，然后通過下水豎管排至塔外；該傳 統的帶豎管式穩壓塔，其上部溢流池僅水的有效容積為2000m3，維護結構的平面尺寸為 27 X 27m,高出地面50m的水池的重量靠塔體承擔，塔體結構復雜。
圖1是本實用新型的整體結構示意簡圖；圖2是本實用新型的消能整流環結構示意簡圖；圖3是圖2的俯視結構示意簡圖；圖4是本實用新型自由出流的管路壓強與流量關系示意簡圖；圖5是本實用新型淹沒出流的管路壓強與流量關系示意簡圖。附圖主要部分的符號說明1-90°彎頭；2-上水豎管；3-法蘭盤；4_拱形水管；5_整流環；6_下水豎管；7_出 水三通；8-水墊層；9-水平進水管；10-水位傳感器；11-浮球式進、排氣閥；12-溫度傳感 器；13-電動蝶閥；14-正常高水位；15-水平出水管；16-地平面線。下面將結合附圖并通過實例對本實用新型作進一步詳細說明，但下述的實例僅僅 是本實用新型其中之一的例子而已，并不代表本實用新型所限定的權利保護范圍，本實用 新型的權利保護范圍以權利要求書為準。實例1 由圖1-3所示，圖中的9為水平進水管，15為水平出水管，在水平進水管9端部通 過90°彎頭1連接有一垂直于地面的上水豎管2，在上水豎管2頂部通過兩個90°彎頭對 接而成的拱形水管4連接有一與上水豎管2平行設置的下水豎管6，在下水豎管6的底部 通過出水三通7與水平出水管15固定連接，在下水豎管6底部以下相對應的位置上還設置 有一減少塔頂部溢流的水流對下部沖擊的緩沖式水墊層8，該緩沖式水墊層8的深度范圍 為水平出水管管徑的1-1. 5倍；在拱形水管4上均勻分布有塔頂-浮球式進、排氣閥11 ；由 于本實用新型的穩壓塔高度在高出地面50m左右，因此，上水豎管2和下水豎管6是由若 干個管通過法蘭盤3連接組成，在法蘭盤3連接處的內側分別至少設置有兩個消能整流環 (整流孔板)5，該消能整流環的孔徑為下水豎管管徑的0. 8-0. 9 (減壓孔板的直徑為dO/d =0. 8 0. 9)，如圖2、3所示。溢流式穩壓塔通過溢流來減小管路的壓強，在上水豎管2和下水豎管6的底部分 別設置有水位傳感器10，進行測量管路壓強與溢流量的關系(即通過設置在上水豎管2 和下水豎管6底部的水位傳感器10進行測量)，通過反復實驗及計算，推導出了推薦方案的 溢流量與水平進水管處的管路壓強關系函數，其曲線關系如圖4、圖5所示。自由出流:P/ P g = 51. 61-0. 1780 X (1-exp (0. 07778Q。·9490))淹沒出流:P/pg = 51. 61-0. 2617 X (1-exp (0. 1180Q。·8264))具體實施方式
實例1 由圖1-3所示，圖中的9為水平進水管，15為水平出水管，在水平進水管9端部通 過90°彎頭1連接有一垂直于地面的上水豎管2，在上水豎管2頂部通過兩個90°彎頭對 接而成的拱形水管4連接有一與上水豎管2平行設置的下水豎管6，在下水豎管6的底部通過出水三通7與水平出水管15固定連接，在下水豎管6底部以下相對應的位置上還設置 有一減少塔頂部溢流的水流對下部沖擊的緩沖式水墊層8，該緩沖式水墊層8的深度范圍 為水平出水管管徑的1-1. 5倍；在拱形水管4上均勻分布有塔頂-浮球式進、排氣閥11 ；由 于本實用新型的穩壓塔高度在高出地面50m左右，因此，上水豎管2和下水豎管6是由若 干個管通過法蘭盤3連接組成，在法蘭盤3連接處的內側分別至少設置有兩個消能整流環 (整流孔板)5，該消能整流環的孔徑為下水豎管管徑的0. 8-0. 9 (減壓孔板的直徑為dO/d =0. 8 0. 9)，如圖2、3所示。溢流式穩壓塔通過溢流來減小管路的壓強，在上水豎管2和下水豎管6的底部分 別設置有水位傳感器10，進行測量管路壓強與溢流量的關系(即通過設置在上水豎管2 和下水豎管6底部的水位傳感器10進行測量)，通過反復實驗及計算，推導出了推薦方案的 溢流量與水平進水管處的管路壓強關系函數，其曲線關系如圖4、圖5所示。自由出流:P/ P g = 51. 61-0. 1780 X (1-exp (0. 07778Q0·9490))淹沒出流:P/pg = 51. 61-0. 2617 X (1-exp (0. 1180Q°·8264))在上水豎管2與下水豎管6之間還設置有一帶電動閥門13的循環管，根據需要， 可定期將上水豎管內的水排放至下水豎管內。另外，如圖中所示，在上水豎管的底部設置有溫度傳感器12，以便對水溫進行隨時 測；14為運行時的正常高水位；16為地平面線。
權利要求1.一種水輸送系統中的溢流式穩壓塔，它包括有在水平輸送管線的一處切斷而形成的 水平進水管及水平出水管，其特征是在水平進水管端部通過90°彎頭連接有一垂直于地 面的上水豎管，在上水豎管頂部通過拱形水管連接有一與上水豎管平行設置的下水豎管， 在下水豎管的底部通過出水三通與水平出水管固定連接，在下水豎管底部以下相對應的位 置上還設置有一減少塔頂部溢流的水流對下部沖擊的緩沖式水墊層；在拱形水管上均勻分 布有塔頂進、排氣閥，在下水豎管的內側至少設置有兩個消能整流環，該消能整流環的孔徑 為下水豎管管徑的0. 8-0.9。
2.根據權利要求1所述的水輸送系統中的溢流式穩壓塔，其特征是所述的消能整流 孔板結構設置在靠近拱形水管的上水豎管上部。
3.根據權利要求1或2所述的水輸送系統中的溢流式穩壓塔，其特征是上水豎管上 部第一個整流環位置設置在距塔頂溢流水位的8米以內。
4.根據權利要求1所述的水輸送系統中的溢流式穩壓塔，其特征是所述的緩沖式水 墊層的深度范圍為水平出水管管徑的1-1. 5倍。
5.根據權利要求1所述的水輸送系統中的溢流式穩壓塔，其特征是在上水豎管與下 水豎管之間還設置有一帶電動閥門的循環管。
6.根據權利要求1所述的水輸送系統中的溢流式穩壓塔，其特征是在上水豎管、拱形 水管及下水豎管的外表面設置一帶有電加熱裝置的外保溫層。
7.根據權利要求6所述的水輸送系統中的溢流式穩壓塔，其特征是所述的外保溫層 為巖棉保溫或聚氨酯泡沫塑料層。
8.根據權利要求1所述的水輸送系統中的溢流式穩壓塔，其特征是在上水豎管和下 水豎管的底部分別設置有水位傳感器。
9.根據權利要求1所述的水輸送系統中的溢流式穩壓塔，其特征是在上水豎管的底 部設置有溫度傳感器。
專利摘要一種水輸送系統中的溢流式穩壓塔，它包括有在水平輸送管線的一處切斷而形成的水平進水管及水平出水管，技術要點是在水平進水管端部通過90°彎頭連接有一垂直于地面的上水豎管，在上水豎管頂部通過拱形水管連接有一與上水豎管平行設置的下水豎管，在下水豎管的底部通過出水三通與水平出水管固定連接，在下水豎管底部以下相對應的位置上還設置有一減少塔頂部溢流的水流對下部沖擊的緩沖式水墊層；在拱形水管上均勻分布有進、排氣閥，在下水豎管內側至少設置有兩個整流環。本實用新型是當管路水平進水管水頭大于上水豎管高程時，在塔頂產生溢流，經下水豎管和水平出水管將水排出本實用新型的溢流式穩壓塔，達到減小管路壓力和大量泄水目的。
文檔編號E03B7/09GK201843170SQ20102025212
公開日2011年5月25日 申請日期2010年7月9日 優先權日2010年7月9日
發明者劉永林, 劉睿, 周慶春, 唐星, 孟昭飛, 孟浩, 宋學東, 宋桂玲, 龐晶晶, 張恩祥, 李忠, 楊宇, 楊曉瑩, 楊莉麗, 王懷斌, 耿迎旭, 趙海鵬, 郭勇, 陳永彰, 黃伶偉 申請人:遼寧省水利水電勘測設計研究院