用于农业灌溉节流和防护管道水锤的球阀系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及农业灌溉和压力管道技术领域，具体涉及一种控制方法用于农业灌溉 节流和防护管道水锤的球阀系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 目前节水灌溉系统中的输配水管网一般采用PVC、PE等塑料管道，这种管道的承 压能力一般比钢管低，材料在多次水力高压冲击下会导致老化和破坏，使其耐压能力降低。 而在管网的运行管理中，由于泵的突然启动或停止，阀门给水栓的突然启闭，往往会导致管 网水锤的发生。水锤也称水击，它是流体的一种非恒定流动，在压力管流中因流速变化引起 动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象，水锤现象的延 续时间虽然短暂，但它会造成严重的工程事故。
[0003] 通常防止管道水锤的方法是采用补水或补气装置，例如在长距离输水管道中布置 单向塔或者空气罐等设施，但这些工程设计复杂，工程量较大，造价很高。在输水管道中还 可以设置空气阀进行补气。在停泵时候，空气进入管道虽然可以暂时弥补负压，但是进入管 道后又会阻碍水体的流动，如果空气不及时排除，会累积成气团，更容易发生弥合水锤，对 管道的破坏影响更为严重。在我国《泵站设计规范》的《条文说明》中有："扬程高，管道长 的大中型泵站，事故停泵可能导致机组长时间超速倒转或造成水锤压力过大，因而推荐在 水泵出口安装两阶段关闭的缓闭蝶阀";传统的两阶段缓闭蝶阀或者缓闭止回阀结构都比 较复杂，维护水平要求较高，一般应用于高扬程、大流量、水锤升压较大的比较重要的泵站 系统以及自动化水平要求较高的泵站系统，而且这些阀门一般设置在泵后，防止水体倒流 对泵的冲击或者管道落空产生水锤的危害，而对于输水管路中间的水锤防护起到的作用很 小。节水灌溉系统的泵扬程和流量都较低，输水管道的管径一般较小，但是布置较复杂，滴 灌工程和喷灌工程的田间管网基本上呈"树枝状"，一般呈丰字或梳子形布置。当阀门同时 关闭时，一旦发生水锤波叠加现象，对管道安全会造成极大危害，而应用于微灌管网中防止 水锤的阀门类型尚未见报道。
[0004] 在农业节水灌溉系统中，现有球阀最适宜直接做开闭使用，但是其调节流量和控 制流量的作用并不十分突出。现有球阀的结构如图1和图2所示，在关闭时，通过操作阀柄 2绕阀杆3的轴线旋转90度，阀杆3底部的突起4带动阀芯5的球面在阀座7内转动，主流 孔6与阀体1的直线通道错开，以阻挡水的流动，在灌溉结束时刻，由于突然关阀，流速瞬时 降为零，阀门处压力陡增，管道中就会产生水锤现象，过大的压力会对阀门和管网安全产生 较大的威胁。在开启时，通过操作阀柄2绕阀杆3的轴线由关闭至开启，旋转90度，采用阀 芯主孔6与阀体1的通道相连接，管路中的水流处于连通状态。
[0005] 现有球阀主要应用于支管进口处，由于其结构简单，体积小，对水流的阻力也小， 缺点是开启或关闭太快，会在管道中产生水锤，微灌管网结构复杂，当管网布置在大落差、 大坡度等复杂地形时，管道沿线坡度陡缓不均，极易引起管内流速的变化，从而容易发生水 锤。任意一级管道发生水锤事故，都可能对整个系统造成破坏。虽然目前的V型球阀可以 调节和控制介质流量，但由于其利用阀芯垂直节流，阀体在小开度工作时容易产生振荡，长 时间使用也会缩短装置的使用寿命。设计一种在正常灌溉使用中既能起到节流作用，且在 关阀时候起到消除管道水锤作用的阀门系统已成为亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0006] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于农业灌溉节流 和防护管道水锤的球阀系统及其控制方法。
[0007] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的用于农业灌溉节流和防护管道水 锤的球阀系统，包括串联的一级球阀和二级球阀，所述一级球阀的阀芯上具有主流孔，以及 与主流孔贯通的节流孔，所述一级球阀通过旁通管与释压阀体并联。
[0008] 作为优选，所述释压阀体内装有双向缓冲弹簧，所述双向缓冲弹簧的两端安装有 挡块。
[0009] 作为优选，所述挡块的面积大于旁通管的面积。
[0010] 作为优选，所述节流孔包括孔径依次增大的第一节流孔、第二节流孔、第三节流孔 和第四节流孔。
[0011] 作为优选，所述阀体上安装有刻度盘，所述阀芯与阀杆固定连接，所述阀杆上固定 安装有指针，所述刻度盘的刻度与节流孔的位置相对应。
[0012] 作为优选，所述旁通管道上还安装有调节筏板。
[0013] 本发明同时提出一种用于农业灌溉节流和防护管道水锤的球阀系统的控制方法， 其特征在于包括以下步骤： 步骤一，设置球阀系统，包括串联的一级球阀和二级球阀，所述一级球阀的阀芯上具有 主流孔和节流孔，所述节流孔与主流孔贯通，所述一级球阀通过旁通管与释压阀体并联； 步骤二，控制一级球阀的开度，控制通过一级球阀后的流量，一部分水流通过一级球 阀，另一部分水流经旁通管进入释压阀体，通过释压阀体消减水锤压力； 步骤三，操作二级球阀关闭。
[0014] 使用时，本发明的一种用于农业灌溉节流和防护管道水锤的装置及方法，通过在 管网支管进水口处设置球阀串联系统得以实现，它主要由一级球阀和二级球阀及旁通管、 释压阀体组成。当灌溉中需要减少流量时，可以调节系统中的一级球阀的开度，使球阀转动 于不同等级节流孔和阀体进水口相通的一面，这样水流通过小面积的节流通道，从而流量 减少，起到了节流的作用。旁通管道的调节筏板要保持关闭状态，正常时候不需要旁通泄 流。
[0015] 当灌溉任务完成，需要关闭阀门时候，可以先调节一级球阀的开度，转动阀柄使阀 芯从主孔到最小等级节流孔顺次与管道入口相通，水流的流量和流速逐渐降低，避免了由 于快速关阀对后面二级球阀的水力冲击。在调节球阀开度时候，同时打开旁通管道上的调 节筏板，使管道一部分水流经旁通管流入释压阀体，水流推动挡快进行来回的运动，起到了 旁通泄流作用，很好的防止了由于流速改变而造成管道压力上升。经过一级球阀和缓冲弹 簧的消能，水流流速已经缓慢减弱，这时候可以快速关闭二级球阀，二级球阀的构造和普通 的球阀一致，只有主孔道而没有节流孔，适宜作直接开启或关闭，关闭时二级球阀采用球面 阻止水的流动，开启时通过主孔道与输水管道相连接。
[0016] 一级球阀开启时，主孔道和进水口相连，两侧球体壁面布置有节流孔，从节流孔面 积至主孔道面积划分出四个等级，其中主孔最大，剩余的都属于节流孔，依次减小。一级球 阀的阀柄下紧挨着刻度盘，刻度盘上标示有相对开度的大小分布。四个等级对应的开度可 以在刻度盘上相应表示出来。一般在干管与支管连接处设置压力传感器，可以根据压力范 围来调节一级球阀开度大小来选择不同等级节流孔来过流，从而控制支管所受压力。或者 在干管与支管连接处设置水量表，根据灌溉水量目标来调节一级球阀开度选择不同等级节 流孔来过流。
[0017] 通过一级球阀的开度变化，可以控制阀芯进水面积在通道内的开启大小，从而可 以控制过阀流量的多少。当开启节流孔时候，节流孔的面积相比主孔要小，流量减小造成了 过阀损失，水流通过一级球阀后压力和流速都减小。可以建立流量与相对开度的关系。由 于不同类型的阀门过流特性均不同，球阀的流量系数或者阻力系数可由阀门厂家提供。当 灌溉实施中需要改变流量时，可以通过一级球阀的阀柄按照刻度盘的指针进行调节，将球 阀开启面积调到对应的开度上，这时候旁通管的调节筏板呈关闭状态，二级球阀呈正常开 启状态。
[0018] 一级球阀和释压阀体并联，在释压阀体内设置有缓冲弹簧，缓冲弹簧的长度是可 以调节的，它可以根据进入释压阀体的水流冲击力大小设置弹簧长度，在理想状态下，根据 能量守恒规律，可以认为旁通水流的动能全部转化成弹簧的弹性势能。释压阀体与旁通管 相连，但释压阀体的面积要大于旁通管的面积，这样设计是为了一级球阀关闭时，水流更容 易进入释压阀体内，避免对旁通管造成过大的压力，水流携带的冲击能量通过缓冲弹簧来 回伸缩而减弱，这样水流的流速会逐渐减小，对弹簧的压力也会逐渐减弱，水流再进入管道 汇合后流速减弱许多，这样二级球阀关闭时遇到的压力就会变小，关阀形成的水锤波在管 道中的传递也会减弱。当依次关闭二级球阀时候，一部分水流又会通过回流管再次进入释 压阀体，这时弹簧起到了反向缓冲水压作用，起到了降低二级球阀关闭的水锤压力和水流 对一级球阀的回流冲击。
[0019] 有益效果：本发明采用球阀串联的方式可以更加有效的减少水锤压力的上升，防 止水锤现象的发生，从而消除了管网水锤对管道系统安全产生的危害，这一套装置和方法 具有节流和消除水锤的功能。
[0020] 除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技 术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的用于农业灌溉节流和防护管道水锤的球阀系 统及其控制方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术 特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。
【附图说明】
[0021] 图1是现有球阀在开启状态下的结构示意图； 图2是现有球阀在关闭状态下的结构示意图； 图3是本发明实施例一的球阀系统的结构示意图； 图4是图3中刻度盘的局部放大图； 图5是图3中1级节流阀阀芯的节流孔设置样式； 图6是现有球阀串联组合的简图； 图7是现有球阀并联组合的简图； 图8是本发明实施例一中球阀装置的简图； 图9是本发明实施例二的模拟系统布置图； 图10是球阀不同组合方式下的流量系数与开度变化曲线； 图11为一级球阀的过流特性曲线； 图12为单球阀关闭时阀门处压力变化过程图； 图13为该发明装置关闭时一级球阀处压力变化过程图； 图14是图3中释压阀的另一种结构的示意图； 图中：阀体1，阀柄2,阀杆3,突起4,