长距离供水管道事故快速关阀装置及方法与流程

本发明涉及长距离供水工程技术领域，涉及一种长距离供水工程中的阀门控制装置，用于减小长距离供水系统中管道水锤压力的快速关阀装置及方法。

背景技术：

长距离输水工程是解决水资源时空分布不均的有效方式，但工程运行中产生的水锤压力将严重威胁输水系统的安全。输水系统中最常见的设备就是阀门，对于长距离输水工程，一般只能通过缓闭阀门来切断水流，并通过控制关阀速度来控制关闭阀门时所产生的巨大水锤压力。正常情况下常规阀门的主要作用就是引入水头损失，从而调节流量，如果管道发生爆管事故，相邻的阀门必须关闭，以减少爆管带来的影响。当工程出现事故需紧急关闭管道末端阀门时，必须采用合理的关闭方法。系统中发生事故时，相应的阀门等控制机构应迅速动作切除事故源，但由于输水管道线路很长，一旦发生爆管事故，管道流量迅速增加，如果快速关闭阀门，可能导致非常大的压力，诱发二次事故。

为了避免发生过大水锤压力，方便操作阀门，目前长距离输水工程中一般采用线性一段直线关闭的常规方法。如果关阀速度过快的话，将会产生巨大的水锤压力，又会导致连续爆管事故。因此，长距离输水管道中的阀门关闭都是很缓慢的过程。缓慢关阀尽管可以控制水锤压力，但是，由于关阀时间较长，事故响应时间慢，一定程度上加剧了原先事故造成的损失。如何保证在关阀压力满足管道承压标准的条件下，尽快的关闭阀门，隔断事故管道，一直是本领域的亟待解决的问题。本发明在保证水锤压力满足管道承压标准的情况下，提出并设计了长距离供水工程中快速关阀的方法，尽快的关闭阀门，加快事故响应速度，以便降低事故造成的损失。

技术实现要素：

发明目的：目前长距离供水工程中一般采用直线关闭的常规方法。如果关阀过快的话，将会产生巨大的水锤压力，又会导致连续爆管事故。缓慢关阀尽管可以控制水锤压力，但是，由于关阀时间较长，事故响应时间慢，一定程度上加剧了原先事故造成的损失。为了克服现有输水工程阀门的这个缺点，本发明旨在提供一种应用于长距离供水工程中可实现快速关闭阀门的控制装置及方法。

技术方案：本发明的一种应用于长距离供水工程中实现快速关闭阀门的装置，包括液压油箱、液压管路和液压马达，所述液压马达与阀门连接，所述液压管路上具有并联的第一支路和第二支路，所述第一支路上串联有与液压马达联动的控制阀。油从液压油箱高压端进入液压马达，从液压马达的另一个入口进入低压端，可以通过控制液压管路中流量来控制液压马达的输出转速，从而可控制阀门的关闭速度的大小。

具体地，所述控制阀具有球体，球体里安装有旋转体，旋转体内具有连通管路，旋转体下方与连接杆固定连接，连接杆与直杆与固定连接；直杆可绕球体圆心水平转动，并带动旋转体转动，从而带动连通管路转动。当直杆绕球体圆心水平转动时，将带动旋转体转动，故布置有球体的支路被切断，液压管路中流量减小，导致阀门的关闭速度减小，实现先快后慢的关闭目的。

具体地，所述液压马达的轴向柱与阀门的阀杆固定连接，所述轴向柱上具有手柄，所述手柄与直杆搭接。以轴向柱为圆心，球心与轴向柱的距离为半径，保持直杆指向轴向柱，水平调整圆球的位置，即可改变手柄与直杆接触时阀门的开度，从而改变关闭过程中拐点的位置。

具体地，所述液压管路主路上串联有节流阀。液压马达的流量决定了液压马达的输出转速，可根据阀门关闭和开启规律通过计算调整液压管路中节流阀开度，通过调节节流阀来控制液压管路中的流量，改变压力油流速的大小，进而控制液压马达输出的转速，从而可控制阀门的关闭与开启的速度。

具体地，所述液压管路上设置有换向阀。启动换向阀可改变液压管路中油体的流向，从而改变液压马达输出的转速方向，实现阀门开启的目的。

本发明同时提出应用上述长距离供水管道事故快速关阀装置的长距离供水管道事故快速关阀方法，适用于长距离供水管道事故快速关阀。

在快速关闭阀门时，液压管路高压端两个支路都连通，此时液压管路总流量较大，液压马达输出的转速较大，轴向柱旋转速度较快，带动阀门快速旋转，实现快速关阀的目的；

当阀门关闭至拐点后，手柄触动直杆，并带动直杆绕球体的球心作旋转运动，直杆带动旋转体作旋转运动，连通管路也发生旋转，由于旋转体除连通管路以外部分均为实心，故此时液压管路的一条支路被切断，管路中的流量减小；由于液压马达的输出转速由流经液压马达的流量大小来决定，液压马达输出的转速减小导致轴向柱转速减小，与轴向柱连接的阀门关闭速度减小，实现缓慢关闭的目的；

由于直杆尺寸的原因，手柄触动直杆并带动直杆作小角度旋转后将与直杆脱离接触，此时直杆与旋转体停止旋转，流经球体的支路一直处于断路状态。

上述长距离供水管道事故快速关阀装置也适用于对阀门进行直线规律开启：

在开启阀门之前，启动换向阀，将高压端与低压端切换，使得接入液压马达流量流向完全相反，液压马达输出的转速相反，导致轴向柱转速相反，与轴向柱连接的阀门作与关闭时相反的动作，实现阀门开启；由于管路中流量恒定，液压马达输出的转速也保持恒定，导致轴向柱转速恒定，与轴向柱连接的阀门关闭速度恒定，实现直线开启的目的。

此时直杆仍偏离中心线一定角度，由于长度的原因，直杆与手柄任何情况都不接触，故流经球体的支路一直处于断路状态。

使用时，本发明的装置包括液压油箱高压端、低压端、换向阀、液压管路、节流阀、球体、连通管路、旋转体、连接杆、液压马达、手柄、阀门、直杆等。油从液压油箱高压端的两条支路流出，后又合为一条管路进入液压马达，从液压马达的出口流出，通过管路进入低压端。

通过调节节流阀来控制液压管路中的流量，进而控制液压马达输出的转速，从而可控制阀门的关闭速度。

液压管路分为两个支路，其中一个支路布置有球体，球体里安装有旋转体，其中旋转体可转动。内置有连通管路，旋转体除连通管路其他部分都是实心，旋转体下方与连接杆固定连接。直杆与连接杆固定连接，直杆可绕球体圆心水平转动，并带动旋转体转动，从而带动连通管路转动。

在液压油箱右侧设置有换向阀，可以切换液压管路的高压端和低压端以此来控制液压管路中的油体流向；液压马达的轴向柱与阀门的阀杆固定连接，轴向柱的旋转带动阀门的开启与关闭；

下面以输水工程发生紧急事故关闭阀门为例，说明该阀门系统的发明原理和有益效果。

目前输水工程中常规的阀门关闭方法一般为一段直线关闭的常规方法，但常规方法关闭时间过长，不能做到事故的快速响应，故本发明的阀门系统采取先快后慢的关闭方法。在快速关闭阀门时，液压管路高压端两个支路都连通，此时液压管路总流量较大，液压马达输出的转速较大，轴向柱旋转速度较快，带动阀门快速旋转，实现快速关阀的目的。当阀门关闭至拐点后，手柄触动直杆，并带动直杆绕球体的球心作旋转运动。直杆带动旋转体作旋转运动，连通管路也发生旋转，由于旋转体除连通管路以外部分均为实心，故此时液压管路的一条支路被切断，管路中的流量减小。由于液压马达的输出转速由流经液压马达的流量大小来控制，液压马达输出的转速减小导致轴向柱转速减小，与轴向柱连接的阀门关闭速度减小，实现缓慢关闭的目的。由于直杆尺寸的原因，手柄触动直杆并带动直杆作小角度旋转后将与直杆脱离接触，此时直杆与旋转体停止旋转，流经球体的支路一直处于断路状态。

一般输水工程中阀门开启方法采用直线开启规律，本发明阀门系统亦可实现对阀门的直线规律开启，在开启阀门之前，启动换向阀，将高压端与低压端切换，使得接入液压马达流量流向完全相反，液压马达输出的转速相反，导致轴向柱转速相反，与轴向柱连接的阀门作与关闭时相反的动作，实现阀门开启。此时直杆仍偏离中心线一定角度，由于长度的原因，直杆与手柄任何情况都不接触，故流经球体的支路一直处于断路状态，管路中流量恒定，液压马达输出的转速也保持恒定，导致轴向柱转速恒定，与轴向柱连接的阀门关闭速度恒定，实现直线开启的目的。

调整圆球与轴向柱的相对位置，即可改变手柄与直杆接触时阀门的开度，从而改变关闭过程中拐点的位置。

附图说明：

图1为本发明在液压管路两条支路处于连通状态时的结构俯视图；

图2为本发明在液压管路两条支路处于连通状态时的结构正视图；

图3为本发明在阀门关闭至拐点处局部放大图；

图4为本发明在直杆与手柄脱离接触时局部放大图；

图5为本发明在阀门开启时局部放大图；

图6为本发明实施例中阀门相对开度随时间变化过程线；

图7为本发明实施例中阀前压力随时间变化过程线；

图8为本发明实施例中管道流量随时间变化过程线。

图中标记为：液压油箱高压端1，低压端2，换向阀3，液压管路4，球体5，液压马达6，手柄7，直杆8，连通管路9，旋转体10，连接杆11，轴向柱12，阀门13，节流阀14。

具体实施方式：

实施例：

本实施例的应用于长距离输水工程中的阀门装置，如图1、图2、图3和图4所示，在关闭阀门时，由于连接液压油箱高压端1的两条支路都处于连通状态，液压管路4总流量较大，液压马达6输出的转速较大，轴向柱12旋转速度较大，带动阀门13较快旋转，实现快速关阀的目的。当阀门13关闭至开度拐点时，手柄7触动直杆8，并带动直杆8绕球体5球心作旋转，由于连接杆11固结于直杆8，旋转体10内置于球体5并且固结于连接杆11，故直杆8带动旋转体10作旋转运动，因此内置于旋转体10的连通管路9也发生旋转，由于旋转体10除连通管路9以外部分均为实心，故此时流经球体5的支路被切断，液压管路4中的流量减小，所以液压马达6输出的转速减小，导致轴向柱12转速减小，与轴向柱12相固结的阀门13关闭速度减小，实现缓慢关阀的目的。由于直杆8长度的原因，手柄7带动直杆8作旋转后将与直杆8脱离接触，此时旋转体10也停止旋转，流经球体5的支路一直处于断路状态。

一般输水工程中阀门开启采用直线开启规律，本发明亦可实现直线规律开启，如图5所示，在开启阀门13之前，启动换向阀3，将液压油箱高压端1与低压端2切换，使得液压管路4中油体的流向完全相反，接入液压马达6的油体流向完全相反，液压马达6输出的转速相反，导致轴向柱12转速相反，与轴向柱12相固结的阀门13作与关闭时相反的动作，实现阀门13开启。此时直杆8仍偏离中心线一定角度，由于长度的原因，直杆8与手柄7任何情况都不接触，故流经球体5的支路一直处于断路状态，液压管路4中流量恒定，液压马达6输出的转速也保持恒定，导致轴向柱12转速恒定，与轴向柱12相固结的阀门13开启速度恒定，实现一段直线开启的目的。

某长距离输水工程，总长72.08km，设计流量为12.67m³/s，由进出口段、沟埋PCCP段和跨河管桥段组成。管道工作压力0.4～0.8MPa，沿线布置镇墩及通排气阀、进人孔、放空阀、检修阀等附属设施，管道设两组检修阀门，分别为23.78km和55.08km处。设计工况运行时，上游水位143.6m，下游水位128.39m。本应用实例针对常规关阀方法和本发明关阀方法进行该过渡过程工况的模拟，具体计算结果如图6至图8所示。

如图6及图7所示，当阀门采用常规方法关闭时，阀门关闭时间为1500s，此时阀前最大压力为208.26m；当采用本发明方法关闭时，阀前最大压力为208.03m，与常规方法下的阀前最大压力接近，而关阀时间仅为533s。如图8所示，采用本发明方法关阀时，管道流量很快减少至0m³/s，大大加快了阀门的事故相应速度，节约大量水资源，减少事故损失。