本發(fā)明涉及長距離供水技術領域，具體涉及一種在管線布置平緩的長距離供水工程中，用于減小空氣罐的總容積的水錘防護結構及方法。

背景技術：
在泵站輸水系統(tǒng)中，由于抽水斷電事故的發(fā)生，水泵機組轉速迅速減小，泵后壓力迅速降低，降壓波向泵后管道傳遞，導致輸水系統(tǒng)管道沿線出現(xiàn)嚴重降壓，管道初始壓力較小點可能因為降壓過大而降至汽化壓力，產(chǎn)生液柱分離現(xiàn)象，其誘發(fā)的彌合水錘將產(chǎn)生很大壓力，危及管道的安全?？諝夤奘敲荛]的高壓容器，其上部為高壓氣體，下部為水體，底部通過短管與主管道相連，利用罐體壁面與水面所形成的封閉氣室，依靠氣體的壓縮和膨脹特性，來反射水錘波，抑制水位波動，保證輸水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。當在泵后設置空氣罐防護后，罐內(nèi)高壓氣體驅(qū)使罐內(nèi)水體向管道補充，以避免管道中壓力下降過快，其防護原理類似于電站中氣墊調(diào)壓室。為了充分發(fā)揮空氣罐的水錘調(diào)節(jié)能力，空氣罐應當盡量地靠近水泵布置，以防止泵后管道出現(xiàn)負壓。在消除長距離輸水泵站上的負壓措施中，空氣罐具有安裝管理方便，對場地沒有嚴格要求等優(yōu)點。空氣罐作為有效的負水錘防護措施，在泵站輸水系統(tǒng)中得到了良好的應用。然而，若輸水管道較長，流量較大，管道中水體慣性較大，所需的空氣罐體型也必然較大，進而會造成防護成本過高及運行管理不便。設置的空氣罐體積較大主要原因是：(1)管道距離較長，所需補水量大；(2)管線布置較平緩，系統(tǒng)首尾地形揚程很小，水倒流動力小，斷電后管道系統(tǒng)的補水主要來自泵后空氣罐。第一點是系統(tǒng)本身決定的，較難克服，在斷電時需要快速關閉泵后閥，盡量避免空氣罐向壓力前池及管道雙向補水；對于第二點，則需要快速關閉供水系統(tǒng)尾部閥門，避免管道內(nèi)水體流失過多。對于長距離供水工程，尾部閥的快速關閉極易產(chǎn)生直接水錘，導致管道破壞，但如閥門關閉過慢，管道中水量流出較多，則起不到減小首端空氣罐體積的效果。對于管道布置相對平緩的長距離供水工程，其管道較長，管道內(nèi)水體的慣性較大，其管線布置相對平緩的特性使得水體倒流動力小，在發(fā)生停泵事故后，管道末端會流出較多的水量，而這些水量需要泵后空氣罐內(nèi)水體來補充，空氣罐在運行的過程中又不允許出現(xiàn)漏空，這就導致了空氣罐容積很大。因此，理論上通過加快管道干線流量減緩的速度，即可減小空氣罐的補水量，已達到縮小空氣罐體積的目的。可以從以下兩個方面考慮，其一可以加速泵后空氣罐底部壓力的下降，但若泵后空氣罐底部壓力下降過快，管道中駝峰點可能出現(xiàn)負壓；其二可以加速管道末端壓力的上升，此過程中的正壓可加快管道干線流量的減緩速度，而且產(chǎn)生的正壓波可以彌補導致泵后空氣罐水位下降的負壓波，減緩泵后空氣罐內(nèi)水位的下降，有效地縮小空氣罐容積，同時，管道沿線的最小壓力也可得到相應的提高。相比而言，加速管道末端壓力的上升更具可行性，可通過關閉尾部閥來實現(xiàn)。但是，長距離供水工程尾部閥門的快速關閉極易產(chǎn)生直接水錘，導致管道破壞，但如閥門關閉過慢，管道中流出的水量較多，則起不到減小首端空氣罐容積的效果?？梢?，設計一種合理的水錘防護方案，使其既能夠減少首端空氣罐容積，又不產(chǎn)生過大的內(nèi)水壓力，已成為亟待解決的技術問題。

技術實現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種既能夠減少首端空氣罐容積又不產(chǎn)生過大的內(nèi)水壓力的合理水錘防護結構及方法，在滿足調(diào)?？刂埔蟮那疤嵯?，可以有效的減少首端空氣罐的總容積，節(jié)省工程投資。技術方案：為解決上述技術問題，本發(fā)明提供的減小空氣罐總容積的水錘防護結構，包括依次連接的壓力前池、輸水管道和出水池，所述輸水管道靠近壓力前池的一端安裝有水泵和首端空氣罐，所述輸水管道靠近出水池的一端安裝有自動控制閥門，所述自動控制閥門前部的輸水管道上安裝有尾端空氣罐。具體地，首部空氣罐靠近水泵，尾部空氣罐靠近末端自動控制閥門，首部空氣罐的體積大于尾部空氣罐體積。本發(fā)明同時提供一種減小空氣罐總容積的水錘防護方法，是在壓力前池與出水池之前連接輸水管道，并在輸水管道上依次安裝水泵、首端空氣罐、輸水管道、尾部空氣罐和末端自動控制閥門，所述尾部空氣罐配合末端自動控制閥門的關閉與首端空氣罐共同防護輸水系統(tǒng)的水錘壓力。具體地，輸水管道末端自動控制閥門接收水泵斷電信號后，自動按照預設的關閉規(guī)律快速關閉。具體地，首部空氣罐靠近水泵，尾部空氣罐靠近末端自動控制閥門，首部空氣罐的體積大于尾部空氣罐體積。具體地，尾部空氣罐與輸水管道的連接管的管徑小于輸水管的管徑。提高尾部空氣罐的孔口阻抗作用。具體地，所述關閉規(guī)律是在滿足系統(tǒng)最大壓力標準的情況下，采用線性關閉且關閉速度盡量快。本發(fā)明的理論依據(jù)為：當管道較長時，流出管道的水量較大，而這些水量則需要空氣罐內(nèi)水體彌補?？諝夤迌?nèi)氣體體積變化較大，空氣罐所需體型得不到良好的減小，因此，理論上應加快管道干線流量的減緩速度，使空氣罐所需補水量減小?？梢詮膬煞矫婵紤]，其一可以加速首端空氣罐底部壓力的下降，但若首端空氣罐底部壓力下降過快，管道中駝峰點可能出現(xiàn)負壓；其二可以加速管道末端壓力的上升，其產(chǎn)生的升壓波可以有效地減緩首端空氣罐的水位下降速度，從而降低首端空氣罐的體型，同時，管道沿線的最小壓力也可得到相應的提高。而要提高管道末端壓力可以考慮在發(fā)生斷電事故的同時，末端閥門接收信號自動按照設定好的規(guī)律快速關閉，使其產(chǎn)生的正壓波彌補空氣罐水位下降的負壓波。但由于管道長度因素，若管道末端閥門關閉過快，管道中產(chǎn)生的正壓將偏大，可能超過管道壓力承受標準；而若末端閥門關閉較慢，水量減小不明顯，空氣罐體型則不能得到有效的降低。綜合考慮，在管道末端設置一緩沖關閥所產(chǎn)生的正壓波裝置，使壓力上升至一定程度后維持，從而避免由閥門關閉導致的壓力過大問題，同時使管道末端壓力維持在一較高水平以加劇管道流速的衰減。管道尾部設置空氣罐可取到良好的正壓防護效果。注意到，泵掉電后，末端閥門接收信號自動快速關閉，管道水體迅速流向尾部空氣罐，為增加管道壓力上升幅度，可以適當提高防護裝置的阻抗系數(shù)，從而增大關閥時管道壓力，空氣罐底部壓力在變化過程中均能維持一個較高水平。因此管道末端的較高壓力將加速水體動量的衰減，從而使首端空氣罐的補水體積減小，進而縮小空氣罐體型，尾部閥門關閉規(guī)律為滿足系統(tǒng)最大壓力標準的的情況下采用線性關閉且關閉速度盡量快。發(fā)生停泵事故后，泵后壓力降低，首端空氣罐向管道內(nèi)補水，尾部閥門關閉所產(chǎn)生的正壓傳遞至管道首端時，泵后壓力升高，水體流出首端空氣罐的速度減緩；同時由于設置尾部空氣罐，發(fā)生停泵事故后，泵后壓力降低，首端空氣罐向管道內(nèi)補水，尾部閥門關閉所產(chǎn)生的正壓傳遞至管道首端時，泵后壓力升高，水體流出首端空氣罐的速度減緩；同時由于設置尾部空氣罐，發(fā)生停泵事故后，尾部閥門接收信號按照提前設定的規(guī)律自動快速關閉，尾部空氣罐底部壓力迅速上升，水體進入罐體內(nèi)，尾部空氣罐內(nèi)氣體壓縮，緩沖了關閥產(chǎn)生的水錘壓力，避免過大正壓破壞。采用首尾布置空氣罐并結合末端閥門自動關閉的改進方案，使得空氣罐容積大幅縮小，且水泵斷電時管道沿線壓力均在控制標準之內(nèi)。下面將以管道布置相對平緩的長距離供水工程為例，說明首尾空氣罐防護措施的工作原理和效果。輸水系統(tǒng)正常運行時，管道內(nèi)壓力處在平衡狀態(tài)。當水泵發(fā)生抽水斷電工況時，泵轉速迅速下降導致?lián)P程急劇降低，使管道壓力迅速降低。此時水泵停止工作，為了避免由于泵后管道水量減少出現(xiàn)負壓而造成管道破壞，通常在水泵后面布置空氣罐以避免危險的發(fā)生。對于管道中的水流來說，因其管道較長，管道內(nèi)水體的動量較大，發(fā)生抽水斷電工況時，水體在慣性的作用下依舊繼續(xù)向前流動。此時泵已經(jīng)停止工作，管道內(nèi)的水體全部由空氣罐內(nèi)的水體來補充。當輸水距離較長時，便需要較多的水體來補充，因而需要較大的空氣罐體積。理論上若加快管道干線流量的衰減速度，便可以使空氣罐所需補水量減小，即可達到縮小空氣罐容積的目的。本發(fā)明便是從加速管道末端壓力的上升來考慮。管道末端壓力上升產(chǎn)生的升壓波可以有效地減緩首端空氣罐的水位下降速度，從而降低首端空氣罐的體積，同時，管道沿線的最小壓力也可得到相應的提高。在管道末端再設置一個小型空氣罐，用以緩沖關閥所產(chǎn)生的正壓，使壓力上升至一定程度后維持，同時使管道末端壓力維持在一較高水平以加快管道流速的減緩。管道內(nèi)水體流速的減緩，使得首端空氣罐的補水體積減小，從而縮小了空氣罐體型。有益效果：本發(fā)明通過在輸水系統(tǒng)末端自動控制閥門前端設置體積較小的尾部空氣罐并結合末端自動控制閥門的自動關閉來減小首端空氣罐的容積。有效地解決了管道布置相對平緩的長距離供水工程中空氣罐氣體體積過大的問題，這對輸水管線布置優(yōu)化及空氣罐的選取，特別是長距離供水工程相對于平緩的管道布置方式下的空氣罐的體型優(yōu)化，具有十分顯著的效果。除了上面所述的本發(fā)明解決的技術問題、構成技術方案的技術特征以及由這些技術方案的技術特征所帶來的優(yōu)點外，本發(fā)明的減小空氣罐總容積的水錘防護結構及方法所能解決的其他技術問題、技術方案中包含的其他技術特征以及這些技術特征帶來的優(yōu)點，將結合附圖做出進一步詳細的說明。附圖說明圖1為現(xiàn)有的無防護措施的模擬輸水系統(tǒng)布置示意圖；圖2為現(xiàn)有的泵后布置空氣罐的模擬輸水系統(tǒng)布置示意圖；圖3為本發(fā)明的首尾布置空氣罐的模擬輸水系統(tǒng)布置示意圖；圖4為無防護措施時泵后流量及泵后壓力隨時間變化趨勢圖；圖5為三種不同布置方案下最小壓力包絡圖；圖6為兩種不同布置下首端空氣罐水深隨時間變化趨勢圖；圖7為兩種不同布置下首端空氣罐底部壓力隨時間變化趨勢圖；圖8為本發(fā)明首尾布置空氣罐實施例尾部空氣罐水深及底部壓力變化圖；圖中標記為：進水前池1，水泵2，首端空氣罐3，輸水管道4，尾部空氣罐5，下游閥門6，出水池7。具體實施方式本實施例的適用于有效減小長距離供水工程中空氣罐總容積的水錘防護方案，如圖3所示，在泵后布置首端空氣罐3，輸水管道末端布置相對較小的空氣罐5，當水泵發(fā)生抽水斷電時，通過壓縮空氣罐氣體體積以增加下游管道的壓力來加速管道內(nèi)水體的流速減小，以達到減小首端空氣罐氣體體積的目的。當輸水系統(tǒng)正常運行時，管道內(nèi)壓力處在平衡狀態(tài)。當水泵發(fā)生抽水斷電工況時，泵轉速迅速下降導致?lián)P程急劇降低，使管道壓力迅速降低。此時水泵停止工作，為了避免由于泵后管道水量減少出現(xiàn)負壓而造成的管道破壞，通常在水泵后面布置空氣罐以避免危險的發(fā)生。對于管道中的水流來說，因其管道較長，管道內(nèi)水體的慣性較大，發(fā)生抽水斷電工況時，水體仍舊在慣性的作用下繼續(xù)向前流動。此時泵已經(jīng)停止工作，泵后管道內(nèi)的水體全部由空氣罐內(nèi)的水體來補充。當輸水距離超長時需要較多的水體來補充，便需要較大的空氣罐體積。理論上若加快管道干線流量的減緩速度，便可以使空氣罐所需補水量減小。本發(fā)明便是從增加管道末端壓力以加快管道中速度的衰減來考慮。管道末端壓力上升產(chǎn)生的升壓波可以有效地減緩首端空氣罐的水位下降速度，從而降低首端空氣罐的體型。同時，管道沿線的最小壓力也可得到相應的提高。在管道末端再設置一個小型空氣罐，用以緩沖關閥所產(chǎn)生的正壓，使壓力上升至一定程度后維持，同時使管道末端壓力維持在一較高水平以加快管道流速的減緩。管道尾部設置空氣罐可取到良好的正壓防護效果。當快速關閉末端閥門后，管道水體迅速流向尾部空氣罐，提升了空氣罐內(nèi)的水體高度，增加了空氣罐內(nèi)的壓力?？諝夤薜撞繅毫Φ脑黾樱涌炝斯艿纼?nèi)水體流速的衰減。當水流停止向尾水空氣罐流動時，此時尾部空氣罐內(nèi)水位達到最高，底部壓力達到最大；首端空氣罐內(nèi)水位達到最低，底部壓力達到最小，在兩邊壓差的作用下，管道內(nèi)的水體開始倒流，首端空氣罐的水體開始上升，底部壓力開始增大。當首端空氣罐內(nèi)水位達到最高，底部壓力達到最大；尾部空氣罐內(nèi)水位達到最低，底部壓力達到最小，管道內(nèi)的水體又開始向下游流動，如此循環(huán)往復，加快管道中水體波動的衰減。某長距離輸水工程布置方式如圖1所示，其中輸水系統(tǒng)長約45km，設計流量1.32m3/s，水泵設計揚程65m，其中地形揚程11.6m，克服管道摩阻揚程53.4m。要求輸水管道內(nèi)不出現(xiàn)負壓，以60m的水錘壓力作為管道最大控制壓力，以管道不出現(xiàn)負壓為最小壓力控制標準。本實例分別采取三種不同的布置方式，布置方式一為無防護措施的輸水系統(tǒng)布置，如圖1所示；布置方式二為首端布置空氣罐的輸水系統(tǒng)布置，如圖2所示。布置方式三為首尾布置空氣罐的輸水系統(tǒng)布置，如圖3所示。其中，布置方式二與布置方式三中空氣罐體型參數(shù)如圖表1所示。表1兩種布置形式空氣罐體型參數(shù)目前研究過渡過程一般以數(shù)值模擬為主，本實施例利用較為成熟的長距離供水過渡過程計算軟件對該工況進行模擬，通過研究空氣罐內(nèi)水位變化以及空氣罐底部壓力變化過程，對該發(fā)明在減小空氣罐總容積的作用中的實用性作進一步分析。本應用實例中通過三種不同的布置方式，即采用無防護措施布置，首端設置空氣罐以及首尾布置空氣罐的三種不同的布置形式進行對比，具體計算結果如圖4～圖8所示。圖4為無防護措施實施例泵后流量及泵后壓力變化圖，由圖4可知，在停泵事故發(fā)生后，泵后流量和壓力不斷減小，引起的降壓波使得管道沿線產(chǎn)生較嚴重降壓，大部分管道壓力降至汽化壓力以下，為保證輸水系統(tǒng)安全運行，需設置防護措施。綜合考慮，在輸水系統(tǒng)中應設置防護措施，保證輸水系統(tǒng)的安全運行。圖5為三種不同布置方案下輸水系統(tǒng)最小壓力包絡圖，在無防護措施的布置形式下，輸水系統(tǒng)管線壓大部分處于氣化壓力一下，不利于輸水系統(tǒng)的安全運行。在泵后設置空氣罐后，系統(tǒng)大部分壓力值升至0以上，有利于輸水系統(tǒng)的安全。由于輸水系統(tǒng)管線較長，管線布置較為平緩，地形揚程相對較小，致使管道內(nèi)的水流流速衰減較慢，管道內(nèi)的水體便全部由空氣罐提供，因此需要較大的空氣罐體積來避免空氣罐發(fā)生漏空。如圖5所示，當采用首尾空氣罐的布置方式時，空氣罐的體積已經(jīng)大幅減小，此時管線的大部分壓力依舊在0以上，較首端布置空氣罐的方式防護效果更優(yōu)。由表1可以看出，當采用首尾空氣罐布置方式時，在保證輸水系統(tǒng)管線壓力安全以及避免空氣罐漏空的前提下，首端空氣罐的總體積由原來的640.9m3降至213.5m3，雖然此時尾部也增設了81.6m3空氣罐，但首尾布置空氣罐方式下的空氣罐總容積為295.1m3，總容積減小了53.96％，節(jié)省了工程的投資。圖6和圖7分別為兩種不同布置下首端空氣罐水深及空氣罐底部壓力隨時間變化趨勢圖，可以看出，首尾布置空氣罐的布置形式雖然減小了空氣罐的容積，但空氣罐依舊沒有漏空，最低水位仍舊高于首端布置空氣罐的方式，且空氣罐底部壓力亦高于首端布置空氣罐的形式。如圖8所示，由于增設了尾部空氣罐，發(fā)生抽水斷電工況后，輸水管道中的水流一部分流向出水池，另一部分流入尾部空氣罐，提升了空氣罐內(nèi)的水體高度，增加了空氣罐內(nèi)的壓力?？諝夤薜撞繅毫Φ脑黾?，加快了管道內(nèi)水體流速的衰減。當水流停止向尾部空氣罐流動時，此時尾部空氣罐內(nèi)水位達到最高，底部壓力達到最大；首端空氣罐內(nèi)水位達到最低，底部壓力達到最小，在兩邊壓差的作用下，管道內(nèi)的水體開始倒流，首端空氣罐的水體開始上升，底部壓力開始增大。當首端空氣罐內(nèi)水位達到最高，底部壓力達到最大；尾部空氣罐內(nèi)水位達到最低，底部壓力達到最小，管道內(nèi)的水體又開始向下游流動，如此循環(huán)往復。由于尾部空氣罐的存在，縮短了系統(tǒng)的波動周期，加快了系統(tǒng)的衰減，有利于輸水系統(tǒng)的安全運行。