一种防水锤的差压空气罐和设计方法与流程

本发明涉及一种防水锤的差压空气罐和设计方法，是一种水工设施，是一种管道输水的安全防护设施和设计方法。

背景技术：

空气罐又称为蓄压器，是泵站常用的控制水力瞬变、保证工程安全的设备之一，它的主要作用是在停电和停泵过程中：1）避免管道中水压降至大气压以下；2）限制管道水压的最大值；3）限制水泵的反向飞逸转速。

空气罐一般安装在靠近水泵位置处，它是一个充满流体的密闭容器，上部为空气，下部为水，见图1。它的工作原理概述如下：当水泵失去传动或突然停止后，水泵转速下降，流量减小，管路压力降低。此时，空气罐内的压力大于连接点压力。罐内的压缩空气膨胀，并迫使下层水体流出空气罐，进入管道，维持流水的动量。由此，管路的压力可维持在饱和蒸汽压力之上，防止压力下降过大以致出现液柱分离。当水流流速降低至某一数值时，止回阀开始关闭。随着止回阀的关闭，管路的压力增加。当连接点压力大于空气罐压力时，管道内的水进入空气罐。空气罐的液位升高，气体体积减小；这就避免了管路产生过高的压力。通过在系统中引入空气罐，降低了管路的流速变化率，削减了高压，并且避免了液柱分离。在设计空气罐时，为了防止管道中产生过低的压力，水流从罐内流出尽可能自由，而流入水量则被限制以减小空气罐体积，通俗来讲，水流出空气罐容易，流入空气罐相对较难。孔口入流和出流存在水头损失差异，一般采用2.5:1作为孔口入流和出流存在水头损失差异之比。这个自然的差异还不足以达到减小空气罐或最优保护的目的。因此，传统的空气罐通过差动孔口与管道连接的，以增加空气罐入流和出流之间的阻力之比，以图达到减小空气罐和优化保护的目的。差动孔口为一锥形孔，锥形孔的锥角指向管道方向。这样，水流由空气罐进入管道容易，由管道进入空气罐困难。但它的不足也是很明显的，进出流的阻力系数难以调整，使其数值及比例达到最优，同一空气罐的防护效果达到最佳。

技术实现要素：

为了克服现有技术的问题，本发明提出了防水锤的差压空气罐和设计方法。所述的空气罐在进出口处采用差压控制阀，增加进出流量的差异，并设计中通过调整差压控制阀进出流量的差异，达到减小空气罐或最优保护的目的。

本发明的目的是这样实现的：一种防水锤的差压空气罐，包括：安装在水泵出水管上的连接段，所述的连接段的另一端与竖直安装的罐体连接，所述的连接段上设有差压控制阀，所述的差压控制阀具有两个开启方向相反的单向开启阀瓣：出流阀瓣和入流阀瓣，出流阀瓣的过流面积大于入流阀瓣的过流面积。

进一步的，所述的差压控制阀是升降式差压控制阀。

进一步的，所述的差压控制阀是旋启式差压控制阀。

一种上述空气罐的设计方法，所述方法的步骤如下：

初选阻力系数的步骤：泵站过渡过程分析，初步拟定空气罐体积和出流与入流的阻力系数ξ1和ξ2，进行数值计算；

调整阻力系数的步骤：根据泵站过渡过程分析，获得对应节点的压力、流速和水位波动的信息，以防护效果最优为目标，通过压力、流速和水位波动的对比，对阻力系数ξ1和ξ2进行反复调整和数值计算，选取最优阻力系数ξ1和ξ2；

计算阀门开度的步骤：通过ξ1和ξ2分别计算出流阀瓣和入流阀瓣开启的高度h1、h2和过流通道直径d01、d02；

调整空气罐体积的步骤：使用选出的最优阻力系数ξ1和ξ2，调整空气罐的体积，进行数值计算，对比分析压力、流速和水位，获得空气罐的最优体积。

进一步的，所述的空气罐所使用的差压控制阀是升降式差压控制阀，差压控制阀的两个阀瓣开度h的计算公式如下：

ξ1=2.7－β2＋β3

式中：，；

ξ2=2.7－β2＋β3

式中：，。

本发明产生的有益效果是：本发明采用差压控制阀调整空气罐出流和入流的阻力系数，通过调整获得两者最优的匹配值，以使同一体积、初始气体体积的空气罐，获得最优的防护效果，或者在获得满足安全生产的前提下，所需求的空气罐体积最小，降低空气罐的制造费用，节约成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述空气罐的结构示意图；

图2是本发明的实施例一所述的差压控制阀出水阀瓣打开的示意图；

图3是本发明的实施例一所述的差压控制阀入水阀瓣打开的示意图；

图4是本发明的实施例三所述的旋启式差压控制阀出水阀瓣打开的示意图；

图5是本发明的实施例三所述的旋启式差压控制阀入水阀瓣打开的示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种防水锤的差压空气罐，如图1所示。本实施例包括：安装在水泵1出水管2上的连接段3，所述的连接段的另一端与竖直安装的罐体4连接，所述的连接段上设有差压控制阀，所述的差压控制阀具有两个开启方向相反的单向开启阀瓣：出流阀瓣501和入流阀瓣502，出流阀瓣的过流面积大于入流阀瓣的过流面积。

本实施例所述的空气罐安装在水泵的出水管道上，图1中的箭头b表示水泵出水管的水流方向。多数情况下，水泵出水口一般设置逆止阀2（见图1），在逆止阀的下游设置一段与出水管交叉的连接段，连接段与竖直的空气罐连接。空气罐是竖直安装的密封罐，上半部分充有空气，下半部分充满水。

差压控制阀是一个可双向开启的阀门，它由两块阀瓣组成，其阀瓣面积分别为a1和a2，a1>a2。图2给出了空气罐内水流向管道的情况。此时，差压控制阀的大阀瓣在水流的作用下开启，而小阀瓣处于关闭状态，水由大阀瓣对应的流道通过（图2中箭头c表示的方向），过流面积为a1。图3给出了管道内水流向空气罐的情况。此时，差压控制阀的大阀瓣在水流的作用下关闭，小阀瓣处于开启状态，水由小阀瓣所对应的流道通过（图3中箭头d表示的方向），过流面积为a2。通过改变a1和a2的大小及差压控制阀的开度，就可以调整空气罐出流与入流的阻力系数ξ1和ξ2。

这样，在进行泵站过渡过程分析时，就可以对不同的空气罐出流与入流的阻力系数ξ1和ξ2进行数值计算，通过调整获得两者最优的匹配值，以使同一体积、初始气体体积的空气罐，获得最优的防护效果，或者在获得满足安全生产的前提下，所需求的空气罐体积最小，节约成本。而之前传统的空气罐，由于无法根据实际需求调整空气罐出流与入流的阻力系数ξ1和ξ2，也就难以达到最优的防护效果。

通过过渡过程计算确定阻力系数ξ1和ξ2的最优匹配值后，可按照下式进行初步估算两个阀门的开度h。

式中：，。其中，h为阀瓣开启的高度，d0为过流通道的直径。

差压控制阀可以是升降式，所谓升降式是指阀瓣在导轨（杆）的作用下做直线运动，垂直上升或下降。

差压控制阀也可以是旋启式，所谓旋启式是指阀瓣类似于平开门，一端有铰链连接在阀体上，另一端绕铰链回转中心做圆弧运动。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于差压控制阀的细化。本实施例所述的差压控制阀是升降式差压控制阀。

图1表示的一种出水阀瓣在入水阀瓣中间的示意图，两个阀瓣的安装形式还可以是其他方式，如：两个阀瓣并排安装等。

实施例三：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于差压控制阀的细化。本实施例所述的差压控制阀是旋启式差压控制阀，如图4、图5所示。

图4是出水阀瓣打开，入水阀瓣关闭的示意图。图5是入水阀瓣打开，出水阀瓣关闭的示意图。

图4、图5表示的一种出水阀瓣在入水阀瓣中间的示意图，两个阀瓣的安装形式还可以是其他方式，如：两个阀瓣并排安装等。

实施例四：

本实施例一种上述实施例所述空气罐的设计方法。本实施例所述方法先根据泵站过渡过程分析，初步拟定一个流出和流入空气罐的阻力系数ξ1和ξ2，并以此为设计起点，以使同一体积、初始气体体积的空气罐，获得最优的防护效果，或者在满足安全生产的前提下，空气罐体积最小。

本实施例所述方法的具体步骤如下：

（一）初选阻力系数的步骤：泵站过渡过程分析，初步拟定空气罐体积和出流与入流的阻力系数ξ1和ξ2，进行数值计算。选择泵站运行的不利工况（突然断电停泵、突然启动、不同运行水位组合等），进行数值计算，获得控制节点（泵站出口、管道驼峰、空气罐与管道连接点等）处的压力、流速的峰值、谷值和衰减时间以及空气罐内的水位波动，作为基础数据。

（二）调整阻力系数的步骤：根据泵站过渡过程分析，获得对应节点的压力、流速和水位波动的信息，以防护效果最优为目标，通过压力、流速和水位波动的对比，对阻力系数ξ1和ξ2进行反复调整和数值计算，选取最优阻力系数ξ1和ξ2。调整ξ1和ξ2的过程：对步骤（一）中研究的相同工况进行数值计算，获得对应节点的压力、流速、水位波动等信息，并与步骤（一）中获得的基础数据进行对比，所需实现的效果是压力、流速的峰值和谷值小、衰减速度快以及空气罐水位波动小。若调整后的防护效果较优，则以调整后的ξ1和ξ2以及计算的结果，作为新的基础数据。多次调整ξ1和ξ2，对比分析压力、流速、水位等计算结果，直到空气罐的防护效果最优。该ξ1和ξ2即为出流和入流阻力的最优匹配值。

（三）计算阀门开度的步骤：通过选取的最优阻力系数ξ1和ξ2分别计算出流阀瓣和入流阀瓣开启的高度h1、h2和过流通道直径d01、d02。

（四）调整空气罐体积的步骤：使用选出的最优阻力系数ξ1和ξ2，调整空气罐的体积，进行数值计算，对比分析压力、流速和水位，获得空气罐的最优体积。空气罐体积的调整：减小空气罐的体积，由选择出的最优阻力系数ξ1和ξ2重新进行压力、流速、水位波动等工况计算，并与空气罐减小之前的数据进行比较，检验其是否满足要求，如果满足要求则再次减小空气罐的体积，继续进行调整计算，如果不满足要求，则认为上一次确定的空气罐体积为最优空气罐体积。

实施例五：

本实施例是实施例四的改进，是实施例四关于阀瓣开度的计算方法。本实施例所述的空气罐所使用的差压控制阀是升降式差压控制阀，差压控制阀的两个阀瓣开度h的计算公式如下：

ξ1=2.7－β2＋β3

式中：，；

ξ2=2.7－β2＋β3

式中：，。

旋启式差压控制阀的开度也可以参考上述公式计算。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如阀门的形式、阀门的安装位置、空气罐的形式、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。