一種防水錘的差壓空氣罐和設計方法與流程

本發明涉及一種防水錘的差壓空氣罐和設計方法，是一種水工設施，是一種管道輸水的安全防護設施和設計方法。

背景技術：

空氣罐又稱為蓄壓器，是泵站常用的控制水力瞬變、保證工程安全的設備之一，它的主要作用是在停電和停泵過程中：1）避免管道中水壓降至大氣壓以下；2）限制管道水壓的最大值；3）限制水泵的反向飛逸轉速。

空氣罐一般安裝在靠近水泵位置處，它是一個充滿流體的密閉容器，上部為空氣，下部為水，見圖1。它的工作原理概述如下：當水泵失去傳動或突然停止后，水泵轉速下降，流量減小，管路壓力降低。此時，空氣罐內的壓力大于連接點壓力。罐內的壓縮空氣膨脹，并迫使下層水體流出空氣罐，進入管道，維持流水的動量。由此，管路的壓力可維持在飽和蒸汽壓力之上，防止壓力下降過大以致出現液柱分離。當水流流速降低至某一數值時，止回閥開始關閉。隨著止回閥的關閉，管路的壓力增加。當連接點壓力大于空氣罐壓力時，管道內的水進入空氣罐。空氣罐的液位升高，氣體體積減小；這就避免了管路產生過高的壓力。通過在系統中引入空氣罐，降低了管路的流速變化率，削減了高壓，并且避免了液柱分離。在設計空氣罐時，為了防止管道中產生過低的壓力，水流從罐內流出盡可能自由，而流入水量則被限制以減小空氣罐體積，通俗來講，水流出空氣罐容易，流入空氣罐相對較難。孔口入流和出流存在水頭損失差異，一般采用2.5:1作為孔口入流和出流存在水頭損失差異之比。這個自然的差異還不足以達到減小空氣罐或最優保護的目的。因此，傳統的空氣罐通過差動孔口與管道連接的，以增加空氣罐入流和出流之間的阻力之比，以圖達到減小空氣罐和優化保護的目的。差動孔口為一錐形孔，錐形孔的錐角指向管道方向。這樣，水流由空氣罐進入管道容易，由管道進入空氣罐困難。但它的不足也是很明顯的，進出流的阻力系數難以調整，使其數值及比例達到最優，同一空氣罐的防護效果達到最佳。

技術實現要素：

為了克服現有技術的問題，本發明提出了防水錘的差壓空氣罐和設計方法。所述的空氣罐在進出口處采用差壓控制閥，增加進出流量的差異，并設計中通過調整差壓控制閥進出流量的差異，達到減小空氣罐或最優保護的目的。

本發明的目的是這樣實現的：一種防水錘的差壓空氣罐，包括：安裝在水泵出水管上的連接段，所述的連接段的另一端與豎直安裝的罐體連接，所述的連接段上設有差壓控制閥，所述的差壓控制閥具有兩個開啟方向相反的單向開啟閥瓣：出流閥瓣和入流閥瓣，出流閥瓣的過流面積大于入流閥瓣的過流面積。

進一步的，所述的差壓控制閥是升降式差壓控制閥。

進一步的，所述的差壓控制閥是旋啟式差壓控制閥。

一種上述空氣罐的設計方法，所述方法的步驟如下：

初選阻力系數的步驟：泵站過渡過程分析，初步擬定空氣罐體積和出流與入流的阻力系數ξ1和ξ2，進行數值計算；

調整阻力系數的步驟：根據泵站過渡過程分析，獲得對應節點的壓力、流速和水位波動的信息，以防護效果最優為目標，通過壓力、流速和水位波動的對比，對阻力系數ξ1和ξ2進行反復調整和數值計算，選取最優阻力系數ξ1和ξ2；

計算閥門開度的步驟：通過ξ1和ξ2分別計算出流閥瓣和入流閥瓣開啟的高度h1、h2和過流通道直徑d01、d02；

調整空氣罐體積的步驟：使用選出的最優阻力系數ξ1和ξ2，調整空氣罐的體積，進行數值計算，對比分析壓力、流速和水位，獲得空氣罐的最優體積。

進一步的，所述的空氣罐所使用的差壓控制閥是升降式差壓控制閥，差壓控制閥的兩個閥瓣開度h的計算公式如下：

ξ1=2.7－β2＋β3

式中：，；

ξ2=2.7－β2＋β3

式中：，。

本發明產生的有益效果是：本發明采用差壓控制閥調整空氣罐出流和入流的阻力系數，通過調整獲得兩者最優的匹配值，以使同一體積、初始氣體體積的空氣罐，獲得最優的防護效果，或者在獲得滿足安全生產的前提下，所需求的空氣罐體積最小，降低空氣罐的制造費用，節約成本。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

圖1是本發明的實施例一所述空氣罐的結構示意圖；

圖2是本發明的實施例一所述的差壓控制閥出水閥瓣打開的示意圖；

圖3是本發明的實施例一所述的差壓控制閥入水閥瓣打開的示意圖；

圖4是本發明的實施例三所述的旋啟式差壓控制閥出水閥瓣打開的示意圖；

圖5是本發明的實施例三所述的旋啟式差壓控制閥入水閥瓣打開的示意圖。

具體實施方式

實施例一：

本實施例是一種防水錘的差壓空氣罐，如圖1所示。本實施例包括：安裝在水泵1出水管2上的連接段3，所述的連接段的另一端與豎直安裝的罐體4連接，所述的連接段上設有差壓控制閥，所述的差壓控制閥具有兩個開啟方向相反的單向開啟閥瓣：出流閥瓣501和入流閥瓣502，出流閥瓣的過流面積大于入流閥瓣的過流面積。

本實施例所述的空氣罐安裝在水泵的出水管道上，圖1中的箭頭b表示水泵出水管的水流方向。多數情況下，水泵出水口一般設置逆止閥2（見圖1），在逆止閥的下游設置一段與出水管交叉的連接段，連接段與豎直的空氣罐連接。空氣罐是豎直安裝的密封罐，上半部分充有空氣，下半部分充滿水。

差壓控制閥是一個可雙向開啟的閥門，它由兩塊閥瓣組成，其閥瓣面積分別為a1和a2，a1>a2。圖2給出了空氣罐內水流向管道的情況。此時，差壓控制閥的大閥瓣在水流的作用下開啟，而小閥瓣處于關閉狀態，水由大閥瓣對應的流道通過（圖2中箭頭c表示的方向），過流面積為a1。圖3給出了管道內水流向空氣罐的情況。此時，差壓控制閥的大閥瓣在水流的作用下關閉，小閥瓣處于開啟狀態，水由小閥瓣所對應的流道通過（圖3中箭頭d表示的方向），過流面積為a2。通過改變a1和a2的大小及差壓控制閥的開度，就可以調整空氣罐出流與入流的阻力系數ξ1和ξ2。

這樣，在進行泵站過渡過程分析時，就可以對不同的空氣罐出流與入流的阻力系數ξ1和ξ2進行數值計算，通過調整獲得兩者最優的匹配值，以使同一體積、初始氣體體積的空氣罐，獲得最優的防護效果，或者在獲得滿足安全生產的前提下，所需求的空氣罐體積最小，節約成本。而之前傳統的空氣罐，由于無法根據實際需求調整空氣罐出流與入流的阻力系數ξ1和ξ2，也就難以達到最優的防護效果。

通過過渡過程計算確定阻力系數ξ1和ξ2的最優匹配值后，可按照下式進行初步估算兩個閥門的開度h。

式中：，。其中，h為閥瓣開啟的高度，d0為過流通道的直徑。

差壓控制閥可以是升降式，所謂升降式是指閥瓣在導軌（桿）的作用下做直線運動，垂直上升或下降。

差壓控制閥也可以是旋啟式，所謂旋啟式是指閥瓣類似于平開門，一端有鉸鏈連接在閥體上，另一端繞鉸鏈回轉中心做圓弧運動。

實施例二：

本實施例是實施例一的改進，是實施例一關于差壓控制閥的細化。本實施例所述的差壓控制閥是升降式差壓控制閥。

圖1表示的一種出水閥瓣在入水閥瓣中間的示意圖，兩個閥瓣的安裝形式還可以是其他方式，如：兩個閥瓣并排安裝等。

實施例三：

本實施例是實施例一的改進，是實施例一關于差壓控制閥的細化。本實施例所述的差壓控制閥是旋啟式差壓控制閥，如圖4、圖5所示。

圖4是出水閥瓣打開，入水閥瓣關閉的示意圖。圖5是入水閥瓣打開，出水閥瓣關閉的示意圖。

圖4、圖5表示的一種出水閥瓣在入水閥瓣中間的示意圖，兩個閥瓣的安裝形式還可以是其他方式，如：兩個閥瓣并排安裝等。

實施例四：

本實施例一種上述實施例所述空氣罐的設計方法。本實施例所述方法先根據泵站過渡過程分析，初步擬定一個流出和流入空氣罐的阻力系數ξ1和ξ2，并以此為設計起點，以使同一體積、初始氣體體積的空氣罐，獲得最優的防護效果，或者在滿足安全生產的前提下，空氣罐體積最小。

本實施例所述方法的具體步驟如下：

（一）初選阻力系數的步驟：泵站過渡過程分析，初步擬定空氣罐體積和出流與入流的阻力系數ξ1和ξ2，進行數值計算。選擇泵站運行的不利工況（突然斷電停泵、突然啟動、不同運行水位組合等），進行數值計算，獲得控制節點（泵站出口、管道駝峰、空氣罐與管道連接點等）處的壓力、流速的峰值、谷值和衰減時間以及空氣罐內的水位波動，作為基礎數據。

（二）調整阻力系數的步驟：根據泵站過渡過程分析，獲得對應節點的壓力、流速和水位波動的信息，以防護效果最優為目標，通過壓力、流速和水位波動的對比，對阻力系數ξ1和ξ2進行反復調整和數值計算，選取最優阻力系數ξ1和ξ2。調整ξ1和ξ2的過程：對步驟（一）中研究的相同工況進行數值計算，獲得對應節點的壓力、流速、水位波動等信息，并與步驟（一）中獲得的基礎數據進行對比，所需實現的效果是壓力、流速的峰值和谷值小、衰減速度快以及空氣罐水位波動小。若調整后的防護效果較優，則以調整后的ξ1和ξ2以及計算的結果，作為新的基礎數據。多次調整ξ1和ξ2，對比分析壓力、流速、水位等計算結果，直到空氣罐的防護效果最優。該ξ1和ξ2即為出流和入流阻力的最優匹配值。

（三）計算閥門開度的步驟：通過選取的最優阻力系數ξ1和ξ2分別計算出流閥瓣和入流閥瓣開啟的高度h1、h2和過流通道直徑d01、d02。

（四）調整空氣罐體積的步驟：使用選出的最優阻力系數ξ1和ξ2，調整空氣罐的體積，進行數值計算，對比分析壓力、流速和水位，獲得空氣罐的最優體積。空氣罐體積的調整：減小空氣罐的體積，由選擇出的最優阻力系數ξ1和ξ2重新進行壓力、流速、水位波動等工況計算，并與空氣罐減小之前的數據進行比較，檢驗其是否滿足要求，如果滿足要求則再次減小空氣罐的體積，繼續進行調整計算，如果不滿足要求，則認為上一次確定的空氣罐體積為最優空氣罐體積。

實施例五：

本實施例是實施例四的改進，是實施例四關于閥瓣開度的計算方法。本實施例所述的空氣罐所使用的差壓控制閥是升降式差壓控制閥，差壓控制閥的兩個閥瓣開度h的計算公式如下：

ξ1=2.7－β2＋β3

式中：，；

ξ2=2.7－β2＋β3

式中：，。

旋啟式差壓控制閥的開度也可以參考上述公式計算。

最后應說明的是，以上僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案（比如閥門的形式、閥門的安裝位置、空氣罐的形式、步驟的先后順序等）進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍。