常见管道系统水锤与防护

L= DN 3200
-6.5
L=16.377
3 hf=5.8m 4
13.5
13.5
L=26.5 L=30.5
循环进水管
L=84
-3.8
D=3200
2 -3.8
循环排水管
6
-3.6
5
L=55 -5.6
L=147
L=21
1.3
-5.6
-2.85+0.846
L=58
L=20
60*1 -2.85+0.846
水锤防护措施
根据水锤计算结果合理调度 启动充水泵，泵后旁通管 进、排气阀 调压罐（塔）
长输管道地形及水锤计算结果
30 公 里， 31 个 节 点
停泵后计算结果
最高处：长期汽化状态
较低处：初始振荡，正压状态
长距离输油系统
并、串联油泵站系统——泵旁路的计算
✓停泵惰转过渡过程中旁路开通，比较压 差，判断旁路流量，与停泵相关方程联立 ✓参考《瞬变流》附录程序
发生水锤原因
正常起停泵、机组不稳定运行、动力故障、调节流量、 中间站运行参数变化、站内发生回流、线路分流和急 流、安全阀启闭
中芯国际至长江排水管——长距离输送管
长距离输送管道
水锤分析目的及注意事项
模拟管网瞬态水力情况 鉴别管道、设备是否安全 确定进、排气阀及其他防护措施的布置和尺寸 注意局部短管处理，防止时间步长过小计算不经济
惯性）
热水供热网
水锤计算
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
热水供热网
分析工况
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、 有旁通管
加热器或凝汽器边界的概化
四 长距离输送管道
长距离输送管道
长输系统
特点：低扬程大流量泵，扬程主要用于补偿沿程损失，
额定扬程<100m,一般30~60m，局损可忽略
长管系统必须考虑水和管道的弹性
趋势：大型化、连续化、关系复杂、地形复杂、介质 多样
现象：坡顶负压段空化、坡地管道水柱拉断，水柱弥 合、气锤、启动过程空管
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）
L=58 D=1692
-2.85 60*1
L=20 D=1692
-0.45
-2.85
L=71 D=1692
60*1
5.7 热水回流井
4.8 -0.45
虹吸井
4.4
1.3
外海潮位
2.37 -0.67
前池
-2.62
L 1000
-6.95
0.91
-2.12
1 -4.07
-7.45
引水隧洞
-6.5
BCV Q=24.31
其他边界元件——泄压阀、换热器、相变
✓工作原理类似水锤消除器：由常压 空气控制泄流压力
✓由氮气压力控制泄流压力，据此计 算泄流量和经由压头损失
✓非接触热交换提高原有温度降低输 送能耗
✓采用集中惯性元件（刚性水锤段： 满足运动方程）
铁岭－大连密闭油路输送系统
工况：终点阀门突然关闭，20S后全线停输工况 ——首站压力和全线节点最大、最小压力包络线
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
200
400
600
800
管线实际长度
计算简图
火电厂 开式冷却水系统
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
防止启动扬程（流量小、扬程大）进入马鞍区，同步 电动机的起动投励困难，启动失败危及泵站设备安全
虹吸出水流道，有拍门：抽真空启动（真空破坏 阀）
直管出水流道，无拍门：通气管排气启动
PIPENET 软件的应用
课程考查：试卷，结合自己专业题目编程计算
变化、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
wk.baidu.com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（集中
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
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
五 大型排水泵站
主要工况：启动水锤 特点：短管系统、刚性水锤计算
传统断流措施
132、、虹、拍人吸快门式工速断出封闸流水堵门流方流断道式真道流:空方方破式式坏:阀:
H H H 外江 外江 外江
H外江
HH H内湖 H内湖内内湖湖
断流措施 快速闸门
流启效道动率阻困低力难、大、费、停轴时门机流费体有泵力易时费损难资坏落金、位、系、十统投分难资危维大险护 进水流道
-0.45
L=71
8
-0.45
L=566
热水回流井
4.8
虹吸井
7 4.4
1.3
系统边界处理
凝汽器边界：集中流 容和当量管
循环泵、可控逆止阀 边界
集水池边界 分岔管边界 水柱分离与弥合边界
核电厂
美国14年间报告67起压水堆核电厂的水锤事件：
一回路13％，二回路78％（主蒸汽回路占40％，主给水回路占 60％），三回路9％。
计算工况
停泵不关阀泵转动惯量大 停泵，阀门在Tv内线性关闭 停泵阀门在Tv后关闭，或一步关阀，模拟泵轴突然卡死 工况3，无稳压器，评估稳压器作用 工况3，有稳压器工作
二回路
主蒸汽回路在负载调节时的汽锤计算
主要边界 主要工况
主给水系统水锤计算
主要边界：
冷凝器、冷凝泵、除盐装置、凝升泵、轴封加热器、 调节阀、低加、除氧器、前置泵、高压主泵、高加、 止回阀、蒸汽发生器
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
L=20 DN 3200
-3.8
-6.5
-6.5
BCV Q=24.31
L=84 D=3200
L=23 D=2000
90*1 R2000 L=27 D=2000 90*1 R2000
压 缩 发空 明气 技断 术流 方 法
注入压缩空气
压缩空气段
H内湖
>超驼峰水深
H外江
>超驼峰水深
活 页 闸 门 快 速 断 流 方 法
与活页式快速闸门联合运用的实施例
排气
H外江
超驼峰水深
H内湖
与活页式快速闸门联合运用的实施例
H外江
超驼峰水深
H内湖
大型排水泵站
启动水锤
电机（起动力矩）、泵（阻力矩）、流道（流量 与几何扬程）
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）
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
一回路：核岛；停泵关阀水锤
管路连接着堆芯压力容器、蒸汽发生器、主泵、稳压器及许多 辅助系统
二回路：常规岛；实现核能与电能转换；
主蒸汽回路、主给水回路
三回路：
循环水回路
核电厂一、二、三回路
一回路
一回路边界及计算工况
边界条件
堆芯压力容器：进口管、水箱、当量管 蒸汽发生器：进口管、倒U型管、细管 稳压器：缩颈气室 冷却主泵：全特性线WH(x）WB(x)
L=16.377 n=49512 hf=5.8m Q=47.5m3/s ? 22.225*0.5mm
13.5
13.5
循环排水管＊2
L=48
L=7
-3.8
D=3386 -3.6
D=3386
L=147 D=3386
LD==213386
-5.6 90*2 R7500
-5.6
L=566 D=3386
90*1 R2190
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；
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）
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
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
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
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
热水供热网
计算结果
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
冷却过程
冷却塔配水喷淋管网
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