常见管道系统水锤与防护

图2-1 循环水系统管线纵剖图 管线实际长度（m）
计算简图
开式循环水管道系统的简化
L=16.377 n=49512 hf=5.8m Q=47.5m3/s ? 22.225*0.5mm
外海潮位
2.37 -0.67 -2.62
-6.95
前池
DLN51500000
-7.45
循环进水管＊2
L=36 DN3200
2、计算模型
❖ 对不到100根管子的小系统，利用Hardy Cross法——平差 ❖ Todini和Pilati（1987）梯度法、Osiadacz（1987）牛顿环节
点迭代法——如何替换迭代节点水压上有所区别
EPANET计算模型
❖ EPANET采用Todini（1987）
梯度法——基于节点水压法的流量修正
工况：断电、停泵、关阀、热负荷变化
事故：管道剧烈振动、保温层脱落、补水箱和高位膨 胀管大量冒水、毁坏设备管道、威胁系统安全
❖ 发展趋势：
热源单位热容量增加，危险性增加 大管径、长距离的大规模增压泵站系统 大量调节阀、闸板阀增加了系统的复杂性
热水供热网
❖ 诱发水锤的常见工况
阀门的正常启闭 正常或事故停泵 泵或阀门的机械故障 一、二级系统流量不匹配，使二级水过热，引起流量变
数据结构（参考）
❖ 节点类型：一维数组
普通节点、恒压节点、空气阀、阀门或水嘴、水泵……
❖ 节支关联：四个一维数组：关联支路编号、支路参考方向 代号、与节点关联的支路数、第一个关联支路编号在编号 数组中的位置——适合复杂管路！
二 城市热水供热 网
热水供热网
❖ 背景：集中供热系统
系统：热网依靠泵作为传输动力，闸门控制管路流量； 循环管路
常见管道系统水锤与防护
城市供水管网 城市热水供热网 工业循环冷却系统 长距离输送（水、油、气）管网 城镇大型排水泵站
一 城市供水管网
复杂管系水锤与防护
城市供水管网
❖ 供水管系：
组成：管道、阀门、调压室、水池（库）、水泵 等元件
水锤计算：特征线法
❖内外边条：计算各个元件任一时刻的边界条件和每一 管道内计算断面水头和流量
❖ 原则：事先假定的流量可能不满足节点流量平衡——修正 ❖ 控制方程：
节点水压方程AH＝F 、节点流量连续性方程（修正方程）
❖ AH＝F：A（N×N）雅可比矩阵 ❖ H（N×1）未知节点水头 ❖ F（ N×1 ）节点流量不平衡的修正系数
❖ 计算方法：估算每个管段的初始流量（基于经济V→Q， Qpump用设计值假设），误差导致节点流量不平衡
L=20 DN 3200
-3.8
-6.5
-6.5
L=84 D=3200
化、压力波动 空泡形成和溃灭：高温水在管中汽化后向锅炉加水，水
温降低并充满蒸汽管道，诱发空泡溃灭水锤
热水供热网
❖ 水锤计算
热网管道系统的索引和编码 水锤基本方程系统气液两相流 边界条件
❖管道中单泵边界：停泵边界（水头平衡、转动惯量方 程）、启泵边界（水头平衡）
❖调节阀：正、反向流的孔口方程 ❖管道并串联：管道串联接点、分叉管、短管接头（集
❖初条：特征线法计算管系恒定流动 ❖关键问题：管线信息图、信息存储方法需灵活简单
城市供水管网——水锤计算
❖ 一、定常系统的解（《瞬变流》11章）
1、管网定常流求解形式
❖ （1）单回路平衡、单节点平衡（利用Hardy Cross法） ❖ （2）联立的回路平衡（多回路方程联立） ❖ （3）联立的节点平衡（多节点方程联立）
❖ 进水前池→循环泵房→循环水压力母管→凝汽器 （水-水热交换器）→循环水排水沟→排水口
管线高程(m)
10
（800，9） 8
6
4
(9, 2.45)
2
（13.4，0.25） 0
（772.844，0.25）
(809,1.5)
0 -2
200
400
600
800
1000
（820，-3.2）
-4
（980，-3.2）
定义：一种整型数组，将系统的几何形态和性能按特定数字
型进行描述，使程序能够有效的求解各种边界条件。 节点类型的明显特征是：有任意数目的输入和输出管路，以
及一个出流口或水库 编码规则：（±节点编号；±管道数目；±管道1编号；±
在节点处的管道1截面编号；±管道2编号；±在节点处的 管道2截面编号……） →这个索引用来为带有双标号的流量和压头作标记；
城市供水管网——水锤计算
❖ 二、索引——节点类型规则
普通节点：节点＋，管道数目＋ 出口端Q(t)已知：节点＋，管道数目水库：节点－，管道数目＋ 阀门：节点－，管道数目－ ——只能进行简单信息的存储
城市供水管网
❖ 大型复杂管网——拓扑学
线性图（有向图）：
❖ 节点、支路（标明支路参考方向） ❖ 支节关联或节支关联
中惯性）
❖ 水锤计算 热水供热网
边界条件
❖热用户边界：能量方程、连 续方程、孔口方程联立得正、 反向流的孔口方程 （P205～206）
❖水加热器边界：进、出水室 （集中流容）、散热管（当 量管）
热电厂供热模型
热电厂供热模型
❖ 分析工况 热水供热网
主供水管阀门关闭、设计 缓闭、延迟停泵
主供水管阀门关闭 循环泵突然停泵无旁通管、
冷却过程
冷却塔配水喷淋管网
单竖井内外分区配水
双竖井日字型内外分 区配水
火电厂 循环冷却系统
❖ 冷却塔集水池→进水前池→循环泵房→压力母管→ 凝汽器→循环水回水管→上塔配水管→喷头出口
管线高程
15 13
11 9
7 5 3
1 -1 -3 0 -5
200பைடு நூலகம்
400
600
800
管线实际长度
计算简图
火电厂 开式冷却水系统
有旁通管 补给水泵故障，输水量减
少 断电工况 用户热量减少或增加15％
供热管网模型
❖ 计算结果 热水供热网
热水供热网
❖ 水锤防护
根据计算结果合理调度 可控缓闭逆止阀 调压罐 进、排气阀
三 循环冷却系统
核电站冷却塔
燃煤电厂工艺流程
火力发电厂冷却系统
循环冷却系统工艺管线
循环冷却系统及配水系统
用特征线法计算恒定流
❖ 定常状态下特征线方程第二项为零即可与特征线法统一 ❖ 管道水头流量仅与常数和边界条件有关，与B无关
C : H p H A B(Qp QA ) RQA | QA | C : H p HB B(Qp QB ) RQB | QB |
城市供水管网——水锤计算
❖ 二、索引（《瞬变流》11章）