防水锤节能梯级泵站系统及防水锤运行方法

摘要

本发明公开了一种防水锤节能梯级泵站系统，并公开了相应的防水锤运行方法，电控装置通过各流速传感器每0.5秒获取一次各电磁阀处的输水总管内的水的流速，并针对每一电磁阀处的流速传感器数据比较v1和v2，v1为0.5秒前的流速传感器测量的流速，v2为当前流速传感器测量的流速；当v1≤v2时，不存在流速降至0的风险；当v1＞v2时，电控装置按照公式一计算流速下降至0所需要的时间T；公式一是：T＝v2/⊿v；其中，⊿v＝v1－v2；当T≤TG+0.25秒时，电控装置控制相应的电磁阀关闭。本发明有效保护了水资源不因水锤现象造成管路爆裂而大量流失，保护了引水工程途径地的环境不因管路爆裂而受到破坏，具有积极的技术意义、环境保护意义和经济意义。

权利要求

1.防水锤运行方法，采用防水锤节能梯级泵站系统进行，防水锤节能梯级泵站系统包括输水总管，以总输水方向为下游方向，输水总管上游端与水源相通，输水总管沿上游向下游方向逐渐升高；

输水总管沿上游向下游方向依次间隔设有一级泵站、二级泵站直到N级泵站，N为自然数；各级泵站均设有泵站前池和水泵，其特征在于：还包括有电控装置，电控装置连接有显示屏；

相邻两级泵站之间的输水总管上间隔设有若干用于静水关阀从而防水锤的电磁阀，各电磁阀处的输水总管上分别设有流速传感器；各电磁阀和各流速传感器分别与电控装置相连接并由电控装置获取电能，电控装置连接有蓄电池，蓄电池通过电控装置接入电网；电磁阀与流速传感器一一对应；

电控装置与各级泵站的水泵相连接，电磁阀从收到关阀控制信号到完全关闭的时间为关阀时长TG，电控装置内存储有各电磁阀的关阀时长；

输水总管上间隔设有若干水室，水室顶部为上小下大的锥形顶，锥形顶上端连接有手动放气阀；水室内部下游方向的侧壁上连接有高压气囊；

各级泵站的泵站前池中均设有水位传感器，各水位传感器均与电控装置相连接；

各级泵站正常运行过程中，电控装置通过各流速传感器每0.5秒获取一次各电磁阀处的输水总管内的水的流速，并针对每一电磁阀处的流速传感器数据比较v1和v2，v1为0.5秒前的流速传感器测量的流速，v2为当前流速传感器测量的流速；当v1≤v2时，不存在流速降至0的风险；

当v1＞v2时，电控装置按照公式一计算流速下降至0所需要的时间T；

公式一是：T＝v2/⊿v；其中，⊿v＝v1－v2；

当T≤TG+0.25秒时，电控装置控制相应的电磁阀关闭。

2.根据权利要求1所述的防水锤运行方法，其特征在于：各级泵站的水泵均为变频水泵；还包括有水泵频率控制方法：

工作人员根据需要的总供水流量以及一级泵站的供水高度控制一级泵站的水泵的运行频率；

电控装置内存储有各级泵站实现其设计供水高度需要的最低水泵运行频率Mmin；

电控装置根据以下算法控制二级泵站至N级泵站的水泵的运行频率：特定泵站前池中的设计最高水位为H米，水位传感器测量的实际水位高度为H1米；初次启动水泵的条件是： H1≥（1/3）×H；水泵的最高运行频率为Mmax；初次启动水泵时控制的水泵运行频率为：0.5（Mmax－Mmin）+ Mmin；

初次启动后的运行过程中，对于二级泵站至N级泵站中的任一特定泵站，电控装置通过相应的水位传感器持续获取相应的泵站前池中的水位；

当（1/3）×H≤H1≤（2/3）×H时，电控装置保持水泵的运行频率不变；

当（1/3）×H＞H1时，电控装置每隔30秒降低一次水泵的运行频率，每次降低的频率为

0.1×Mmax，直到停泵或者H1≥（1/3）×H；

当（2/3）×H＜H1时，电控装置每隔30秒升高一次水泵的运行频率，每次升高的频率为

0.1×Mmax，直到升至Mmax或者（2/3）×H≥H1。

说明书

防水锤节能梯级泵站系统及防水锤运行方法

技术领域

[0001] 本发明涉及水利工程技术领域，尤其涉及梯级泵站系统。

背景技术

[0002] 梯级泵站供水在我国得到了日益广泛的应用，也暴露了一些问题。其中，水锤是一个可能造成管路及水泵等设施严重损坏的问题。水锤事故中最常发生的是停泵水锤，尤其
是事故停泵情况下容易引发水锤现象。误操作、雷击以及停电等原因均可能造成事故停泵。

[0003] 水锤现象可能带来巨大的损失。如宝鸡市冯家山引水工程于1999－2005年间连续发生6次爆管，导致市区大面积停水，造成上千万元的直接经济损失，并带来的负面的社会
影响，给供水区域的用水和正常生活带来极大不便。水锤事故还可能造成人员伤亡。保护水
资源、保护引水工程途径地的环境不受破坏是重要的环境保护课题，水锤事故可能造成水
资源大量流失、引水工程途径地的环境受到破坏等问题。目前我国对环境保护日益重视，更
有必要研究更科学有效的防水锤措施。

[0004] 现有的防水锤技术有：

[0005] 1、调压塔。调压塔的特点是具有自由水面，能缓和管道中的压力变化，从而达到反射水锤波的目的。双向调压塔的高度要大于最高水压线，多用于低扬程、大流量情况，一般
安装于泵站下游或可能产生负压的部位。其缺陷是安装部位受限，工程量较大，成本较高，
不适应于扬程较高的情况。

[0006] 2、空气罐。空气罐对正负压防护效果明显，且安装不受地点限制，适用于流量小，扬程高抽水装置，但若流量大，罐的容积也需要增大，造价高，工程应用一般不会接受。如果
结合其他的水锤防护措施，空气罐的容积可以相应减小。

[0007] 3、进排气阀。进排气阀不仅在首次充水和泵站正常运行过程中排出多余气体，保证设计过水能力，且能在管道出现负压时向管内补入空气。构造简单、安全方便、造价低、不
受安装条件限制，但须经常管理维修，并且不宜作为独立的防水锤措施，需要结合其他防水
锤措施才能起到有效的防水锤作用。

[0008] 4、液控缓闭止回阀。泵站后出水管道常采用液控缓闭止回阀，该阀既可以当做主阀使用，又可以作为检修阀，能够在突然停机时按阶段关闭，降低管道压力波动。液控缓闭
止回阀的问题在于，在原理上，其是一种被动式关闭的阀门，突然停泵后会立即开始关闭过
程，分阶段关闭的时间是固定不变的，与实际管路内的流量变化无关。如果在关阀过慢，不
能防止水逆流、水泵反转的现象，如果关阀过快，则要承受很大的水力冲击；关阀过快或过
慢均可能出现水锤现象。总之，液控缓闭止回阀只是降低了停泵时水锤出现的概率，不能消
除停泵水锤现象。

发明内容

[0009] 本发明的目的在于提供一种防水锤节能梯级泵站系统，停泵时能够实现静水关阀，消除停泵水锤现象。

[0010] 为实现上述目的，本发明的防水锤节能梯级泵站系统包括输水总管，以总输水方向为下游方向，输水总管上游端与水源相通，输水总管沿上游向下游方向逐渐升高；

[0011] 输水总管沿上游向下游方向依次间隔设有一级泵站、二级泵站直到N级泵站，N为自然数；各级泵站均设有泵站前池和水泵，

[0012] 还包括有电控装置，电控装置连接有显示屏；

[0013] 相邻两级泵站之间的输水总管上间隔设有若干用于静水关阀从而防水锤的电磁阀，各电磁阀处的输水总管上分别设有流速传感器；各电磁阀和各流速传感器分别与电控
装置相连接并由电控装置获取电能，电控装置连接有蓄电池，蓄电池通过电控装置接入电
网；电磁阀与流速传感器一一对应；

[0014] 电控装置与各级泵站的水泵相连接，电磁阀从收到关阀控制信号到完全关闭的时间为关阀时长TG，电控装置内存储有各电磁阀的关阀时长。

[0015] 输水总管上间隔设有若干水室，水室顶部为上小下大的锥形顶，锥形顶上端连接有手动放气阀；水室内部下游方向的侧壁上连接有高压气囊。

[0016] 各级泵站的泵站前池中均设有水位传感器，各水位传感器均与电控装置相连接。

[0017] 本发明还公开了上述防水锤节能梯级泵站系统的防水锤运行方法，各级泵站正常运行过程中，电控装置通过各流速传感器每0.5秒获取一次各电磁阀处的输水总管内的水
的流速，并针对每一电磁阀处的流速传感器数据比较v1和v2，v1为0.5秒前的流速传感器测
量的流速，v2为当前流速传感器测量的流速；当v1≤v2时，不存在流速降至0的风险；

[0018] 当v1＞v2时，电控装置按照公式一计算流速下降至0所需要的时间T；

[0019] 公式一是：T＝v2/⊿v；其中，⊿v＝v1－v2；

[0020] 当T≤TG+0.25秒时，电控装置控制相应的电磁阀关闭。

[0021] 各级泵站的水泵均为变频水泵；还包括有水泵频率控制方法：

[0022] 工作人员根据需要的总供水流量以及一级泵站的供水高度控制一级泵站的水泵的运行频率；

[0023] 电控装置内存储有各级泵站实现其设计供水高度需要的最低水泵运行频率Mmin；

[0024] 电控装置根据以下算法控制二级泵站至N级泵站的水泵的运行频率：

[0025] 特定泵站前池中的设计最高水位为H米，水位传感器测量的实际水位高度为H1米；初次启动水泵的条件是： H1≥（1/3）×H；水泵的最高运行频率为Mmax；初次启动水泵时控
制的水泵运行频率为：0.5（Mmax－Mmin）+ Mmin；

[0026] 初次启动后的运行过程中，对于二级泵站至N级泵站中的任一特定泵站，电控装置通过相应的水位传感器持续获取相应的泵站前池中的水位；

[0027] 当（1/3）×H≤H1≤（2/3）×H时，电控装置保持水泵的运行频率不变；

[0028] 当（1/3）×H＞H1时，电控装置每隔30秒降低一次水泵的运行频率，每次降低的频率为0.1×Mmax，直到停泵或者H1≥（1/3）×H；

[0029] 当（2/3）×H＜H1时，电控装置每隔30秒升高一次水泵的运行频率，每次升高的频率为0.1×Mmax，直到升至Mmax或者（2/3）×H≥H1。

[0030] 本发明具有如下的优点：

[0031] 本发明独创性地实现了静水关阀的措施，通过对单位时间内流速的不断监测，通过公式一实现阀门关断时管路内的水恰好基本处于静止状态，此时关断阀门，能够避免以
往液控缓闭止回阀具有的关阀动作与管路内的水流速不相匹配的情形，消除水锤现象。

[0032] 水锤现象必然需要管路中水发生异常流动。采用本发明，实现静水关阀，可以基本杜绝类似宝鸡市冯家山引水工程的水锤事故，既保证了下游用水单位、农田以及家庭的持
续供水，又防止供水系统爆裂、水大量流入环境带来的环境问题和水资源浪费问题，避免水
资源损失、环境损失以及中断供水带来的经济损失。

[0033] 保护水资源、保护引水工程途径地的环境不受破坏是重要的环境保护课题，本发明的防水锤节能梯级泵站系统及其防水锤运行方法，有效保护了水资源不因水锤现象造成
管路爆裂而大量流失，保护了引水工程途径地的环境不因管路爆裂而受到破坏，具有积极
的技术意义和环境保护意义。

[0034] 具体地，采用本发明的防水锤节能梯级泵站系统和防水锤运行方法，运行过程中由于电网意外断电等因素导致某个或某些或者全部泵站的水泵停止运行时，电控装置从蓄
电池处获取电能从而继续工作。电控装置公式一不断计算出流速降至0所需要的时间，当该
时间小于关阀时长+0.25秒时，电控装置控制相应的电磁阀关闭，从而保证电磁阀完全关闭
时其所在处的流量在0左右（可能为正值也可能为负值，但必定接近于0），从而在基本静水
的状态下阻断该处水流，实现现有技术当中无法做到的静水关阀，基本杜绝系统中出现停
泵水锤现象（停泵水锤现象是各种水锤现象中最常见的）。

[0035] 水室具有排气作用和缓冲作用。锥形顶易于聚气，工作人员巡查时可以打开手动放气阀，排除水室内聚集的气体。输水总管内水压突然降低时，高压气囊膨胀从而减慢水压
的降低速度，直到缓冲作用；输水总管内水压突然升高时，高压气囊进一步压缩从而减慢水
压的升高速度，同样直到缓冲作用。由于能够排除气体，并减小水压变化的剧烈程度，因而
降低了系统中发生水锤的可能性，不仅对于最可能发生的停泵水锤具有降低发生概率的作
用，对于开泵水锤等其他水锤也具有降低发生概率的作用。

[0036] 输水总管沿途会连接供给不同区域用户使用的输水支管，整个系统的供水过程存在总供水量、沿途供水量、供水扬程等诸多因素和变量。本发明中的水泵频率控制方法十分
简单，将用户的总供水需求体现在一级泵站的控制之中，其他泵站只需要将前池中的水位
控制在合理范围即可，简化二级泵站至N级泵站的水泵的控制，使各级泵站的水泵最大程度
避免不必要的中途停泵，实现稳定工作状态以及节能的效果。当输水总管对应的总用水需
求发生变化时，只需要对一级泵站的供水量作出调节即可，其他泵站按本发明的方法能够
进行自适应调节，十分方便。

附图说明

[0037] 图1是本发明的结构示意图；

[0038] 图2是水室的结构示意图；

[0039] 图3是本发明的电控原理示意图。

具体实施方式

[0040] 如图1至图3所示，本发明的防水锤节能梯级泵站系统包括输水总管1，以总输水方向为下游方向，输水总管1上游端与水源2相通，输水总管1沿上游向下游方向逐渐升高；

[0041] 输水总管1沿上游向下游方向依次间隔设有一级泵站3、二级泵站4直到N级泵站5，N为大于2的自然数；各级泵站均设有泵站前池和水泵11，泵站前池为常规技术，图未示。

[0042] 还包括有电控装置6，电控装置6连接有显示屏7；

[0043] 相邻两级泵站之间的输水总管1上间隔设有若干用于静水关阀从而防水锤的电磁阀8，各电磁阀8处的输水总管1上分别设有流速传感器9；各电磁阀8和各流速传感器9分别
与电控装置6相连接并由电控装置6获取电能，电控装置6连接有蓄电池10，蓄电池10通过电
控装置6接入电网；电磁阀8与流速传感器9一一对应；电控装置6仅将蓄电池10的电能用来
维持其自身以及各电磁阀8以及各传感器的正常工作，各级泵站中水泵11的工作用电来自
电网。

[0044] 电控装置6与各级泵站的水泵11相连接，各级泵站的水泵11接入电网获取电能，电控装置6控制并获取各级泵站的水泵11的启停状态；

[0045] 电磁阀8从收到来自电控装置6的关阀控制信号到完全关闭的时间为关阀时长TG（单位为秒），电控装置6内存储有各电磁阀8的关阀时长；各电磁阀8的关阀时长或者由该电
磁阀8的厂家提供，或者通过实测得出。电控装置6采用PLC或工控计算机，为常规技术，具体
不详述。

[0046] 输水总管1上间隔设有若干水室12，水室12顶部为上小下大的锥形顶13，锥形顶13上端连接有手动放气阀14；水室12内部下游方向的侧壁上连接有高压气囊15。

[0047] 水室12具有排气作用和缓冲作用。锥形顶13易于聚气，工作人员巡查时可以打开手动放气阀14，排除水室12内聚集的气体。输水总管1内水压突然降低时，高压气囊15膨胀
从而减慢水压的降低速度，直到缓冲作用；输水总管1内水压突然升高时，高压气囊15进一
步压缩从而减慢水压的升高速度，同样直到缓冲作用。由于能够排除气体，并减小水压变化
的剧烈程度，因而降低了系统中发生水锤的可能性，不仅对于最可能发生的停泵水锤具有
降低发生概率的作用，对于开泵水锤等其他水锤也具有降低发生概率的作用。

[0048] 各级泵站的泵站前池中均设有水位传感器16，各水位传感器16均与电控装置6相连接。

[0049] 本发明还提供了上述的防水锤节能梯级泵站系统的防水锤运行方法，在各级泵站正常运行过程中，电控装置6通过各流速传感器9每隔0.5秒获取一次各电磁阀8处的输水总
管1内的水的流速，并针对每一电磁阀8处的流速传感器9数据比较v1和v2（v1和v2的单位均
为米/秒），v1为0.5秒前的流速传感器9测量的流速，v2为当前流速传感器9测量的流速；当
v1≤v2时，不存在流速降至0的风险，即水泵不可能处于已经突然停止的状态。

[0050] 当v1＞v2时，电控装置6按照公式一计算流速下降至0所需要的时间T（单位为秒）；

[0051] 公式一是：T＝v2/⊿v；其中，⊿v＝v1－v2；

[0052] 当T≤TG+0.25秒时，电控装置6控制相应的电磁阀8关闭。电磁阀8完全关闭时，该处的水流速接近于零。

[0053] 采用本发明的防水锤节能梯级泵站系统和防水锤运行方法，运行过程中由于电网意外断电等因素导致某个或某些或者全部泵站的水泵11停止运行时，电控装置6从蓄电池
10处获取电能从而继续工作。电控装置6公式一不断计算出流速降至0所需要的时间，当该
时间小于关阀时长+0.25秒时，电控装置6控制相应的电磁阀8关闭，从而保证电磁阀8完全
关闭时其所在处的流量在0左右（可能为正值也可能为负值，但必定接近于0），从而在基本
静水的状态下阻断该处水流，实现现有技术当中无法做到的静水关阀，基本杜绝系统中出
现停泵水锤现象（停泵水锤现象是各种水锤现象中最常见的）。

[0054] 各级泵站的水泵11均为变频水泵11；本发明还包括有水泵频率控制方法：

[0055] 工作人员根据需要的总供水流量以及一级泵站3的供水高度（即一级泵站3和二级泵站4的高差）控制一级泵站3的水泵11的运行频率；

[0056] 电控装置6内存储有各级泵站实现其设计供水高度需要的最低水泵运行频率Mmin；Mmin值由水泵11的设计供水高度以及水泵11特性决定，由水泵11的性能手册或者实
测得到。

[0057] 电控装置6根据以下算法控制二级泵站4至N级泵站5的水泵11的运行频率：

[0058] 特定泵站前池中的设计最高水位为H米，水位传感器16测量的实际水位高度为H1米；初次启动水泵11的条件是： H1≥（1/3）×H；水泵11的最高运行频率为Mmax；初次启动水
泵11时控制的水泵运行频率为：0.5（Mmax－Mmin）+ Mmin；

[0059] 初次启动后的运行过程中，对于二级泵站4至N级泵站5中的任一特定泵站，电控装置6通过相应的水位传感器16持续获取相应的泵站前池中的水位；

[0060] 当（1/3）×H≤H1≤（2/3）×H时，电控装置6保持水泵11的运行频率不变；

[0061] 当（1/3）×H＞H1时，电控装置6每隔30秒降低一次水泵11的运行频率，每次降低的频率为0.1×Mmax，直到停泵或者H1≥（1/3）×H；

[0062] 当（2/3）×H＜H1时，电控装置6每隔30秒升高一次水泵11的运行频率，每次升高的频率为0.1×Mmax，直到升至Mmax或者（2/3）×H≥H1。

[0063] 输水总管1沿途会连接供给不同区域用户使用的输水支管，整个系统的供水过程存在总供水量、沿途供水量、供水扬程等诸多因素和变量。本发明中的水泵频率控制方法十
分简单，将用户的总供水需求体现在一级泵站3的控制之中，其他泵站只需要将前池中的水
位控制在合理范围即可，简化二级泵站4至N级泵站5的水泵11的控制，使各级泵站的水泵11
最大程度避免不必要的中途停泵，实现稳定工作状态以及节能的效果。当输水总管1对应的
总用水需求发生变化时，只需要对一级泵站3的供水量作出调节即可，其他泵站按本发明的
方法能够进行自适应调节，十分方便。

[0064] 以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例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：依然可以对本发明进行修改或者等
同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权
利要求范围当中。