本發明涉及長距離輸水工程技術領域，具體涉及一種長距離重力流輸水工程，用于減小系統管道中最大水錘壓力的結構裝置。

背景技術：

長距離輸水工程是緩解我國水資源時空分配不均勻的有效手段之一，然而長距離輸水工程距離長，水力條件復雜。發生事需緊急事故時需緊急關閉閥門，管道中極易產生水錘壓力，當壓力超過管道承壓標準時發生管道破壞。當系統開始運行時，開閥時產生的負水錘會使管線中某些部位的壓力降至蒸汽壓力以下，產生水柱分離，分離后的水柱彌合時發生撞擊，產生巨大的彌合水錘。水柱彌合壓力一般較大，嚴重時將破壞管道結構，危及輸水系統的安全。

現有工程中常用的水錘防護措施主要有空氣閥、空氣罐等方法。在工程實例中，空氣閥雖然對防護負壓起到了一定的效果，但是遠不能解決事故過程中的水柱分離及其再彌合問題，而且管道進氣后，對系統的安全也造成較大的威脅。另外，空氣閥對于正壓力沒有防護作用。空氣罐作為有效的水錘防護措施，在大中型的泵站輸水系統中得到了良好的應用，但其造價昂貴，運行維護復雜。

基于上述問題，本發明旨在提供一不改變輸水系統的主體工程、造價低、易安裝、易更換的水錘防護結構裝置，該裝置能有效緩解水錘壓力，保障供水管道系統的運行安全。

技術實現要素：

發明目的：水錘壓力破壞能力強，超過承壓標準時會對輸水管道、水泵、閥門各個部分造成不可計量的危害，是目前長距離輸水工程面臨的一個嚴峻的問題，也是亟待解決的一個問題。為了克服現有技術中存在的不足，本發明旨在提供一種可以減小管道水錘壓力的同時又能降低系統投資的一種結構裝置：一種新型氣囊式壓力防護裝置，在滿足調保控制要求的前提下，可以有效節省工程投資。

技術方案：為解決上述問題，本發明提供了一種長距離輸水工程中減小管道內水錘壓力的防護裝置：氣囊式壓力防護裝置，裝置包括圓柱形密封金屬外殼、氣囊式內膽、氣壓監測器、固定管夾以及連接法蘭。金屬外殼內安裝有氣囊，管道上游連接壓力前池，下游側為出水池，靠近出水池安裝有自動控制閥門。

具體地，該裝置兩端各安裝有連接法蘭和一小段鋼管，其中鋼管與輸水管道直徑相同，便于該裝置在輸水工程中快速安裝和拆卸，并有效防止連接處漏水。

具體地，固定管夾起到固定氣囊兩端的作用，并可有效防止氣囊和鋼管連接處漏氣和漏水。

具體的，水體可通過氣囊內部穿過裝置。圓柱形金屬外殼與內部氣囊式內膽之間充滿氣體，該裝置依靠氣體的壓縮和膨脹特性來控制斷面積的大小，反射水錘波，降低關閥時的壓力上升及開閥時的壓力降低，保證供水系統的安全穩定運行。

具體的，圓柱形密封金屬外殼設有氣體壓力監測裝置，以實時監測裝置內氣壓的變化。

具體的，輸水管道末端自動控制閥門接收關閥信號后，自動按照預設的關閉規律采用線性規律快速關閉。

下面以重力流輸水工程發生緊急事故關閉閥門及運行時開啟閥門為例，說明該氣囊式壓力防護裝置的發明原理和效果。

目前輸水工程中常規的閥門關閉方法為一段直線關閉，當輸水管道較長時，此方法極易產生較大的水錘壓力，管道越長，產生的直接水錘越大。設置壓力防護裝置，可在管路中形成反射條件，縮短壓力傳播路徑的長度，從而減小最大水錘壓力，故本發明提供一種反射水錘波的氣囊式壓力防護裝置。當輸水系統發生事故需要快速關閉閥門時，下游側閥門關閉，此時閥門前端會產生較大的水錘壓力。水錘壓力沿輸水管道向上游傳遞，當壓力波傳遞至氣囊式壓力防護裝置時，壓力波在此處反射，有逆向升壓波變為正向降壓波，傳遞回下游。當降壓波傳遞至閥門前端時，可有效緩解水錘壓力的上升。閥門關閉時，上游側水流在慣性作用下向下游流動，當壓力傳遞至防護裝置時，在水壓作用下氣囊發生膨脹，壓縮外部空氣，氣壓上升。膨脹后的氣囊存儲一部分水體，進一步減輕下游的水錘壓力。

當輸水系統開始運行時，閥門開啟，閥門前端會產生負水錘壓力，負壓沿輸水系統向上游傳遞，在防護裝置出發生發射，變為正水錘傳回至閥前，改善閥前負水錘壓力，不至于產生液柱分離及汽化現象。閥門開啟過程中，負水錘傳至氣囊時，外部氣體壓力與氣囊彈性力大于水體壓力，氣囊開始收縮，囊內水體向下游管道補給，可進一步緩解水錘壓力的降低。

當輸水系統停止運行時，在水體靜壓下氣囊略微出現膨脹，此時水體壓力及水體本身重力與氣囊下游側伸縮壓力及氣體壓力之和相等。

附圖說明：

圖1為未運行時氣囊式壓力防護裝置示意圖；

圖2為系統開閥時氣囊式壓力防護裝置示意圖；

圖3為系統關閥時氣囊式壓力防護裝置示意圖；

圖4為連接法蘭左視圖；

圖5為連接法蘭右視圖；

圖6為實施例中長距離輸水系統布置示意圖；

圖7為兩種計算工況下閥門前端壓力對比圖。

圖中標記為：壓力前池1，輸水管道2，金屬外殼3，氣囊式內膽4，氣壓檢測裝置5，固定管夾6，連接法蘭7，鋼管8，自動控制閥門9，出水池10。

具體實施方式：

實施例：本實施例應用于長距離輸水工程中的輸水管道中。系統布置簡圖如圖6所示，在金屬外殼3及氣囊式內膽4之間充入適量的壓縮氣體，系統停止運行時，在水體靜壓及本身的重力作用下氣囊式內膽4膨脹，如圖1所示；當系統開始運行時，閥門開啟，此時自動控制閥門9按照預先設定的開啟規律進行開啟，閥前產生較大的負水錘壓力，在壓力作用下氣囊內的水體向下游管道補給，氣囊開始收縮，如圖2所示。當系統發生事故需要關閉閥門時，自動控制閥門9按照預先設定的一段直線規律進行關閉，閥前產生較大的升壓波，升壓波向上游傳遞，傳遞至該裝置時，氣囊受壓膨脹，斷面擴大，如圖3所示，對水錘波進行反射，反射后的降壓波傳遞回閥前，可以有效的緩解閥前壓力的上升。圖7為關閥過程中，設置氣囊式壓力防護裝置及未設置裝置時管道閥門前端壓力變化趨勢線，由圖7可以看出，氣囊式壓力防護裝置可以有效降低管道閥門關閉時的最大水錘壓力，保證輸水系統的安全運行。

技術特征：

技術總結
本發明公開了一種長距離供水工程中用于消除過大水錘壓力的氣囊式壓力防護裝置。裝置外部由金屬密封性外殼，內部由氣囊式內膽組成，金屬密封性外殼上裝有氣壓檢測儀器，兩端各安裝有連接法蘭和一小段鋼管，裝置可以直接安裝在管道中,前后可設置蝶閥用于檢修，本發明裝置造價低、易安裝維護，在滿足其他調保要求的前提下，利用氣囊的壓縮和膨脹特性,在管道中形成較大的負反射邊界，反射水錘波，改變水錘波的傳播特性，較大的緩解了閥門調節時的水錘壓力，以保證供水系統的穩定安全運行，特別是對于長距離重力流供水工程，效果更加顯著。

技術研發人員：俞曉東;張健;劉甲春;儲善鵬;王思琪
受保護的技術使用者：河海大學
技術研發日：2017.05.27
技術公布日：2017.09.29