常见管道系统水锤与防护

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
外江
H
外江
H内湖
内湖 H内湖内湖
H H
断流措施
快速闸门
轴流泵 启动困难、停机有时难落位、投资大 流道阻力大、门体易损坏、系统难维护 效率低、费时费力费资金、十分危险 进水流道
注入压缩空气
压 缩 发空 明气 技断 术流 方 法
H外江
段 气 空 压缩
>超驼峰水深
H内湖
>超驼峰水深
活 页 闸 门 快 速 断 流 方 法
注意局部短管处理，防止时间步长过小计算不经济
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
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
L=23 D=2000
2.37 -0.67 -2.62
-6.95
前池 循环进水管＊2
L 10 00 DN55 00
-7.45 -6.5 L=36 DN3200 -6.5
L=20 DN 3200
循环排水管＊2
L=48 D=3386
L=7 D=33 86
虹吸井
1 L=2 86 3 D=3
-3.8
L=84 D=3200 -3.8
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％。
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；
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）
2、计算模型
对不到100根管子的小系统，利用Hardy Cross法——平差
• 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
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 H B B(Qp QB ) RQB | QB |
城市供水管网——水锤计算
二、索引（《瞬变流》11章）
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。
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
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
6
1 L=2
L=566
7
1.3
4.4
2 -3.8
1.3
引水隧洞
5
-5.6
BCV Q=24.31
L=20
-2.85+0.846 -0.45 L=71 -0.45 -2.85+0.846 60*1
热水回流井
4.8
8
L=58
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
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
数据结构（参考）
节点类型：一维数组
L=566 D=3386 90*1 R2190
4.4
-3.6 -5.6
L=147 D=3386 90*2 R7500
1.3
-5.6
BCV Q=24.31
L=58 D=1692
L=20 2 D=169
5.7 热水回流井 4.8
-0.45
L=71 D=1692 60*1
-0.45
-2.85
60*1
-2.85
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
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）
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
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：
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（集中 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）
• 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 工况：断电、停泵、关阀、热负荷变化
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
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
3 、人工封堵流道方式 : 2 、快速闸门断流方式 : 1、拍门断流方式:
虹吸式出水流道 真空破坏阀
H H外江 H外江
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
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
外海潮位
2.37 -0.67
0.91
3
13.5
L=16.377 hf=5.8m
4
13.5
前池
L=26.5
循环进水管
L=30.5
虹吸井 循环排水管
L=55 -3.6 L=147 -5.6
-2.62
-6.95
L 10 00
-7.45
-2.12 -4.07
1
-6.5
L= DN 3200
-6.5
-3.8
L=84 D=3200
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
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)
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
( 809,1.5)
1000 （820，-3.2） （980，-3.2）
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
13.5
90*1 R2000
13.5
L=27 D=2000
90*1 R2000
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）
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
15 13 11 9 7 5 3 1 -1 -3 0 -5
管线高程
200
400 管线实际长度
计算简图
600
800
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
10 （800，9） 8 6
管线高程(m)
4
(9, 2.45)
2 0 0 -2 -4 图2-1 循环水系统管线纵剖图 （13.4，0.25） 200 400 （772.844，0.25） 600 800
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 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
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 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Leabharlann Baidu
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
PIPENET 软件的应用
课程考查：试卷，结合自己专业题目编程计算