（市政工程专业论文）树状供水管网水力过渡过程研究.pdf

s t u d yo nt h eh y d r a u l i c t r a n s i e n t s i nt r e ew a t e rs u p p l yp i p e ad i s s e r t a t i o ns u b m i r e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：g a ow a n s u p e r v i s o r ：p r o f y a n g y u s i c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 劬o 年 其- b 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：高饶 叫口年加7 日 导师签名：确形。易叫。年么月7 日 摘要 经济的飞速发展，使得许多城市的用水量迅速增加，好的水源地却比较少，于 是近几年出现的长距离供水工程越来越多。该类工程具有管径较大，流量较大，距 离较远，分支较多的特点。不同于单管输水工程，此类工程的结构复杂，边界条件 多，其水力过渡过程的分析计算也成了水锤研究的重要方向之一。其中一个比较典 型的工程实例就是大伙房供水工程，该工程将整个系统分为两部分，以鞍山加压站 为分界点，加压站上游为重力流，加压站下游为压力流，共给6 个城市7 个净水厂 供水，分支较多。因此本文将大伙房多分支供水工程这一实例作为树状供水管网的 一个典型代表，对其在停泵、关阀等各种工况下的水力暂态进行水锤分析并提出切 实可行的防护措施。希望对该类工程有借鉴和参考意义。 l 、在前人总结的基础上，简要的阐述、推导水锤数值计算公式，建立水锤计算模型。 并对该工程中存在的各类边界点进行研究，推导出各边界点的计算公式，建立其对 应的水锤计算模型。 2 、总结大伙房输水工程的基本数据资料，计算出波速等基础数据，水锤计算作准备。 分析气液两相流特点，并找出该工程在不同工况下适用的最佳排气方式。提出当今 使用较多的一些水锤防护措施可供该工程选择，并分析这些措施的防护原理与性能。 3 、用v c + + 语言结合水锤数值计算模型以及各类边界条件的数学模型编写水锤计算 程序，包含了重力流和压力流两种工况。编程过程中以简洁易懂，通用性好为原则。 程序编好后输入大伙房输水工程的基本计算数据就可以开始进行水锤计算。 4 、在证实了编写程序的准确性，合理性后。通过编写的程序计算大伙房输水工程在 最不利工况下采用不同防护措施，不同阀门操作方案的水力暂态过程，并从中分析 得出一套优化的防护措施以及与防护措施配套的各阀门的操作方案。 关键词：树状供水管网，多分支，大伙房供水，水锤，v c + + a b s t r a c t r e c e n t l y ，l o n g 。d i s t a n c ew a t e rd i v e r s i o np r o j e c th a sb e e nr i s i n g ，b e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n g w a t e r - c o n s u m i n gi nb i gc i t i e sa n dt h es c a r e dg o o dw a t e r - s o u r c ea f t e rt h er a p i dd e v e l o p m e n to f c h i n a se c o n o m y t h ef e a t u r e so f t h e s ee n g i n e e r i n ga r eb i g d i a m e t e r p i p e s ，b i gf l o wr a t e ，l o n g d i s t a n c e ，l o t so fb r u n c h e s ，a n df u l lo fu p sa n dd o w n s d i f f e r e n tf r o mp a s ts i n g l e p i p e e n g i n e e r i n g ，t h ec o n s t r u c t i o no fl o n g d i s t a n c ew a t e r d i v e r s i o np r o j e c ti sc o m p l i c a t e da n dl o t so fb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，a n dt h ea n a l y s i so fw a t e r p o w e rc o n d i t i o nc o n s e q u e n t l yb e c o m e so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tw a t e rh a m m e r s t u d y d a h u o f a n gw a t e rd i v e r s i o np r o j e c ti sat y p i c a lc a s eo ft h i sk i n do fe n g i n e e r i n g t h i s p r o j e c ti sd i v i d e di n t ot w op a r t sf r o ma n s h a np r e s s u r es t a t i o n ：t h eu p g r a v i t y f o r c ew a t e r d i v e r s i o nw i t hd o u b l e - p i p e ，a n dt h ed o w n p r e s s u r e - f l o w p a r t ，w h i c hp r o v i d e sw a t e rf o rs e v e n w a t e rs u p p l ys t a t i o no f s i xc i t i e s ，l o t so f b r u n c h e s ，a n df u l lo f u p sa n dd o w n s ，c o v e r i n gm a n y k i n d so fb o u n d a r yc o n d i t i o n so fm o d e ne n g i n e e r i n g t h i sp a p e rt a k e sd a h u o f a n gl o n g d i s t a n c e a n dl o t so fb r u n c h e sw a t e rd i v e r s i o np r o j e c tf o re x a m p l e ，m a k e sw a t e rh a m m e rs t u d yu n d e r e v e r ye n g i n e e r i n gc o n d i t i o n ，s oa st og i v er e f e r e n c e sf o rs i m i l a rp r o j e c t s p a r to n e ，b a s e do nt h es u m m a r ya v a i l a b l e ，e l a b o r a t e sb r i e f l ya n dc o n d u c t sn u m e r i c a l c a l c u l a t i o nf o r m u l a ，a n db u i l d sw a t e rh a m m e rc a l c u l a t i o nm o d e l i ts t u d i e st h ee x i s t i n g b o u n d a r yp o i n t si nt h i sp r o j e c t ，c o n d u c t sb o u n d a r yp o i n t sc a l c u l a t i o nf o r m u l a ，a n db u i l d s w a t e rh a m m e rc a l c d a t i o nm o d e l p a r tt w o ，s u m m a r i z e sb a s i cd a t ao f d a h u o f a n g w a t e rd i v e r s i o np r o j e c t ，c a l c u l a t e sw a v e r a t ea n dp i p el o s sc o e f f i c i e n t s ，e t c p r e p a r e sf o rw a t e rh a m m e rc a l c u l a t i o n i t a n a l y z e st h e f e a t u r e so f g a s - d r o p l e t st w op h a s ef l o w ，a n df i n d so u tt h eb e s te x h a u s t i n gw a yf o rt h i sp r o j e c t u n d e rd i f f e r e n te n g i n e e r i n gc o n d i t i o n s i tp u t sf o r w a r db e s tu s e dw a t e rh a m m e rp r o t e c t i o n m e a s u r e sf o rr e f e r e n c ea n da n a l y z e st h ep r o t e c t i o np r i n c i p l ea n df e a t u r e so ft h e s em e a s u r e s p a r tt h r e e ，u s e sv c + l a n g u a g et ow r i t ew a t e rh a m m e rc a l c u l a t i o np r o g r a mw i t ht h e c o m b i n a t i o no fw a t e rh a m m e rn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm o d e la n ds o m eb o u n d a r yc o n d i t i o n s m a t hm o d e l s t h ep r i n c i p l eo fp r o g r a m m i n gi sf o c u s e do ne a s yu n d e r s t a n d i n ga n dg o o d u s e t h e bb a s i cc a l c u l a t i n gd a t ao f d a h u o f a n gw a t e rd i v e r s i o np r o j e c ti sp u ti n t ot h ep r o g r a m w h i c ht h ew a t e rh a m m e rc a l c u l a t i o nb e g i n s p a r tf o u r ，a f t e rt h ea c c u r a c yo fp r o g r a m m i n gc a l c u l a t i o nh a sb e e nc o n f i r m e d ，u s e st h e p r o g r a mt oc a l c u l a t et h er e s u l to fp r o t e c t i o nm e a s u r e sf o rt h ew o r s te n g i n e e r i n gc o n d i t i o no f d a h u o f a n gw a t e rd i v i s i o np r o j e c ta n dw a t e rp o w e rc o n d i t i o np r o c e s so fd i f f e r e n t v a l v e o p e r a t i n gp l a n ，a n dc o n c l u d e sa b e t t e rp r o t e c t i o nm e a s u r ea n df o r m sac o m p l e t es e to fv a l v e o p e r a t i n gp l a n k e y w o r d s ：t r e e w a t e r s u p p l yp i p e ；l o t s o fb r u n c h e s ；d a h u o f a n gw a t e r d i v e r s i o n p r o j e c t ；w a t e rh a m m e r ；v c + + ： 目录 第：f i - 章树状供水管网水锤综合防护计算机动态模拟2 6 5 1 计算机模拟软件的开发2 6 5 1 1 计算机动态模拟计算的意义2 6 i 沁 5 1 2 编写程序的开发语言的选择2 6 5 1 3 程序功能分析2 6 5 2 建立树状供水管网水锤计算模型2 6 5 2 1 简单管路暂态流动的计算程序。2 7 5 2 2 蒸汽型断流弥合水锤2 8 5 2 3 空气型断流弥合水锤2 9 5 2 4 安装其它水锤防护措施处的水锤计算3 0 第六章树状供水管网水锤防护计算实例。3 1 6 1 工程概况31 6 2 工程数据资料31 6 2 1 水库以及各净水厂水位一3 1 6 2 2 管道波速3 2 6 2 3 泵站设置3 2 6 2 4 管道压力3 2 6 3 稳态概况3 3 6 4 鞍山加压站上游支线净水厂关阀水锤分析3 3 6 4 1 无任何防护措施分析3 4 6 4 2 安装恒速缓冲排气阀结果分析3 5 6 4 3 加装普通双向调压塔后结果分析3 6 6 4 4 将普通调压塔换成箱式调压塔结果分析一3 8 6 4 5 本节小结一4 0 6 5 鞍山加压站突然停泵对加压站上游的水锤分析一4 0 6 5 1 无防护措施，鞍山加压站突然停泵水锤分析4 0 6 5 2 安装缓冲排气阀，鞍山加压站突然停泵水锤分析一4 l 6 5 3 加装箱式双向调压塔，鞍山加压站突然停泵水锤分析4 2 6 5 4 在鞍山加压泵站前多设一个箱式调压塔，加压站停泵水锤分析4 2 6 5 5 本节小结4 3 6 6 鞍山加压站下游停泵关阀停水水锤分析4 3 6 6 1 突然停泵，无阀状态，鞍山泵站下游水锤分析4 3 6 6 2 鞍山分支关阀停水、停泵水锤方案分析。4 5 6 6 3 营盘分支关阀停水、停泵水锤方案分析4 8 6 6 4 本节小结5 4 6 7 工程小结5 4 总结和建议5 7 总结5 7 建议5 8 参考文献6 0 攻读学位期间取得的研究成果6 3 致 谢6 4 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 随着经济的迅速发展，以及水资源在气候上和区域性分布不均匀，现代化的城市生 活及工业高速地发展使城市的用水量增长进一步加快，多数城市由于附近城市可供开采 的水资源数量有限，或受到严重污染，不得不从市区较远的水源取水。据统计1 2 j ，全国 6 0 0 多座大中型城市中，约有3 0 0 座城市面临水资源短缺。最近2 0 余年是伟大中华民族 复兴的启动时期，各种各类高新产业发展极快，各类城镇与工业企业的供水事业蓬勃发 展。高扬程、大流量、长距离地形复杂的输水管线工程日益增多( 仅中国市政工程华北 设计研究院的一个单位，自1 9 7 8 年以来承担和参加的国内大型长距离输水工程累计达 1 8 项之多) t 。 水源地的越来越少，加之越来越大的需水规模，迫切的需要一个水源地能够同时供 应城市的多分支的供水系统，本文简称为树状供水管网，而如何对水力状况如此复杂的 管网进行水锤防护，是目前各个水锤研究者最需要研究的课题之一。 由于树状供水管网本身的特点，水源单一，用水点较多，一般会在主干线上设置一 些配水站，以保证各用水点的用水需求。但是，部分工程为了减少配水站前的调蓄水池 的造价以及土建投资，纷纷选择各配水站前不设调蓄水池的方案，这就为全线管道以及 泵站的安全运行埋下了很大的隐患，一旦管线或泵站的任何一个地方发生故障，就有可 能给泵站和管线运行带来不可挽回的影响，轻则水管破裂，止回阀的上壳体或顶盖被打 坏大量漏水，造成暂时供水终端事故；重则酿成泵站淹没事故。个别的【，还因泵站水 锤事故，造成冲坏铁路路基、损坏设备，伤及操作人员造成人身伤亡等次生灾害。目前 形势下，如何保证各类加压泵站及管路系统的安全运行，免遭水锤破坏，就越来越重要 和迫切。在树状管网这种复杂的情况下，传统的、单一的水锤防护措施很难达到维护管 路以及泵站安全的目的，如何对此类管网进行行之有效的防护，如何选择性能良好的水 锤防护设备，是目前此类工程迫切需要研究的课题。因此，本文选择以长距离树状供水 管网水力过渡过程作为研究方向，主要通过水锤计算的计算机模拟，探讨长距离树状供 水管网的水锤防护的问题。 树状供水管网的水力过渡过程相当复杂，依靠传统的数解或者图解法甚至是个人的 经验都很难准确估计它的实际运行情况，更加难以预测水力暂态过程的压力波动状况， 这些工况单一的依靠数解或者图解是无法准确达成的，应运而生的一种计算方法就是对 6 l 长安大学硕士学位论文 水锤防护的计算机动态模拟。水锤的计算，系统概念性很强，跨多个专业，计算难度高， 工作量很大，必须牢固掌握好各种水锤( 含水柱分离) 的基本概念及技术特点，从而从 而能合乎逻辑地抽象概括出比较正确的水力学一数学模式，进而引入必要的假设和相应 的边界条件后，方能开始计算；按照国际惯例，对于复杂的泵站管路系统的水锤分析及 其综合防护设计，必须应用以特征线法为基础的电算法，进行计算机动态模拟。特别是 近几年来计算机技术的快速发展，已经完全可以满足水锤计算程序对计算机的要求。运 用计算机编写水锤计算程序，一者可以提高运算速度，在较短的时间内得出结果，省去 大量的人力计算；二者可以非常方便的添加各项水锤防护措施。我国地形多是丘陵地区， 地形比较复杂，通常需要对各种水锤防护设备进行联合使用才能达到预期的防护效果。 不同水锤防护设备的边界条件不同，这就需要能够在计算机通用程序中方便的添加各种 边界条件进行计算。 本文从对长距离树状供水管网水力过渡过程的研究入手，介绍了管道升压机理以及 断流弥合水锤的产生，通过以大伙房供水工程为实例进行研究，对其关阀、停泵等各种 工况下的水力暂态过程进行计算机动态模拟，研究树状供水管网的水锤防护问题，通过 各种水锤防护方案的安全性、经济性以及实用性等各个方面的综合比较，通过计算结果 进行比较分析，最终给出此类工程的水锤防护措施。文中对类似实际工程的分析方法与 计算过程，可为同类工程提供参考依据。 1 2 水锤的成因及分类 水锤又称水击，是水( 或其他液体) 输送过程中，由于阀门突然开启或关闭、水泵突 然停车、骤然启闭导叶等原因，使流速发生突然变化，同时压强产生大幅度波动的现象。 所谓水锤，就是管道在正常运行时，每个点的压力都是稳定的，不会出现过大的水 力波动。如果因为外在的各种条件，导致管道不能正常运行，由于流速的变化导致管道 内部压力的变化，如果压力过大，就可能对管道造成巨大的撞击，对管材不好、地形比 较复杂而水锤防护又不合格的管道造成巨大的损失。 从不同的角度划分，水锤可分为四种f 3 1 ： ( 1 ) 按关阀历时乃与水锤相j l l 的关系，分为直接水锤和间接水锤两种。 阀门全关闭的历时乃只要小于丝，则阀门处的最大水锤升压值就不会受到第一 口 个返回的降压波的部分抵消，而且和瞬时全关闭阀门的效果相同，阀门处压力的升高只 取决于直接波的压力值而不受反射波的影响，是为直接水锤；反之，关阀动作较慢，即 7 第一章绪论 乃 竺，则关阀引起的水锤升压受到从压水池返回的降压波的部分抵消。因此，阀门处 口 的最大水锤升压值必小于直接水锤升压值，称为间接水锤。直接水锤是最简单的水锤过 程，阀门处所产生的最大升压值与管线长度及阀门关闭时间无直接关系；间接水锤过程 情况就变得十分复杂。在水泵站中所发生的水锤通常是间接水锤，或者先是间接水锤， 随后发生直接水锤。 ( 2 ) 按水锤成因的外部条件，可分为启动水锤、关阀水锤和停泵水锤三种 启动水锤常在压水管没充满水而压水阀门开启过快的启动情况下发生，由于在管路 中存有充空气的管段( 或因水柱分离所产生的蒸汽空腔) ，加之水泵扬程和转速又都是 变值，启动时在泵管系统中必然发生非常剧烈的流速变化和惊人的流体撞击；关阀水锤是 关闭阀门过程中发生的水锤现象。正常情况下，如果阀门能够按照规定的阀门操作规程 进行启闭，是不会发生关阀水锤；但是由于其他的外在因素，导致阀门不能或者没有能 够按照操作规程进行关闭，就会引起严重的关阀水锤：停泵水锤是由于泵站工作人员违反 操作规程、自然灾害、电网跳闸等因素造成水泵机组突然断电，泵站及管路系统中所发 生的水锤现象。根据已知的调查实例，大部分水锤事故属于停泵水锤，对停泵水锤的防 护也是水锤防护的重中之重。 ( 3 ) 按水锤水力特性，分为刚性水锤和弹性水锤。 刚性水锤不考虑水流阻力及水和管材的弹性，计算比较简单，但计算结果偏大。弹 性水柱理论则考虑水的可压缩性和管材的弹性，导出的水锤基本方程式虽然比较复杂， 但也比较符合实际，在实际工程应用中具有实用性。对高水头、长管路系统进行水锤计 算时，应当采用弹性水柱理论，这样才能得到更能准确代表工程实际的结果。 ( 4 ) 按水锤波动的现象，分为水柱连续的水锤现象( 无水柱分离) 和伴有水柱分离的水锤现 象( 断流空腔再弥合水锤) 。 在进行停泵水锤分析及危害预测时，必须首先判别能否发生水柱分离现象，这在发 达国家中已成为本领域中必须首先遵守的惯例。 当水锤压力降堕小于管路内所能提供的压力值时，就不会发生水柱分离现象；反 g 之，当水锤压力降堕大于或等于管路内所能提供的压力值时，就将发生水柱分离现象。 g 8 长安大学硕士学位论文 1 3 水锤发展动态 目前的水锤防护计算，其主要过程就是分析工程具体情况，在对水柱分离和断流弥 合水锤的计算理论进行综合研究的基础上，深入研究各种水锤防护措施的各种边界条 件，并将各种工程所需的边界条件加入计算机模拟通用程序中进行动态模拟，最终得出 最佳的水锤防护方案，并给出最佳的阀门、管线及泵站安全操作规程。 ( 1 ) 对各种边界条件的深入研究 目前，随着各个专业的紧密集合，出现了各种各样的水锤防护设备。这主要是由于 各个工程实例的地形、扬程等各项条件不同，对各种水锤防护设备的性能要求也就不同。 这两者是相互制约相互发展的。新的水锤防护设备提高了长距离输水的安全性，不同的 长距离输水工程又对水锤防护设备不断提出新的性能要求，这又反过来促进新的防护设 备的研究与开发。近几年来，随着水锤防护专业的不断发展，各种性能良好的设备逐渐 被开发出来，例如：缓闭止回阀、减压恒压阀、箱式调压塔、超压泄压阀，以及各种新型 的排气阀气缸式排气阀等等。当然，这些防护设备也都有其自身的缺点，但不影响其 主要性能的发挥，只要按照规程运行，就不会发生危害事故。当然，随着水锤研究理论 的不断发展，会逐渐出现新的水锤防护设备，更好地维护管道及泵站的安全运行。 ( 2 ) 计算机动态模拟计算 计算机的快速发展为水锤的动态模拟提供了较好的发展平台。其运算的快速性克服 了以往8 0 年代以前主要采用的数解或者图解耗费大量人力、对各专业只是要求太高的 缺点，具有较高的实用性。目前国外已经有相关的计算机水锤模拟软件问世，但大部分 都没有对断流弥合水锤进行计算，计算结果与实际工程有一定差距，严重的还会使水锤 防护设备引起更大的水锤升压。目前国内还没出现相关软件，已经成为各个水锤研究者 的主要研究方向之一。 计算机模拟软件主要有三个作用。一是使非专业的水锤研究人员能够直观的看到水 力暂态过程中水的压力波动状况，这主要是通过一些软件或图表，比如动画模拟或者 e x c e l 图表。另一方面，是为了提高计算的准确度。通过对各种防护措施的边界条件 的准确研究，使水锤动态模拟更能代表实际工程。再者，计算机软件的开发，可以为非 专业水锤防护人员提供，软件的设置通用性很强，可以方便的输入各项数据，如波速、 管长以及泵站的各个参数等等。这样，水锤计算得以推广，只需简单的操作即可运行出 可供参考的水锤防护方案，而有关专业的水锤防护理论的专业知识封闭在软件内部，为 水锤专业人员编写。 9 第一章绪论 1 4 本文研究的主要内容 本文主要介绍了长距离多分支树状供水管网的水力暂态过程，简单介绍了目前常用 的水锤防护方案及其具体的边界条件，并以大伙房供水管网为例，利用计算机动态模拟 技术进行了大量的计算与分析，最终给出了合适的水锤防护措施。主要内容如下： ( 1 ) 简要介绍了水锤的特征线方程及其解法，水锤波速的影响因素以及具体计算公 式。 ( 2 ) 给出了树状供水管网常见的一些边界条件，包括离心泵的边界条件，常见水锤防 护设备缓闭止回阀、缓冲排气阀、调压塔、超压泄压阀以及末端水池的边界条件和计算 机求解公式，尤其介绍了树状管网最常见的一些边界条件，例如多分支管的相交处的边 界条件，更重要的是，在有些管网中，即使没有分支管，只是管径发生了变化，也属于 树状管网的计算范围。以上几种边界条件，本文都给出了具体的计算公式可供参考。 ( 3 ) 对本文的工程实例一大伙房供水工程，本文介绍了其工程概况、泵站设置以及其 他水锤计算所需数据。通过对上游最不利工况关阀停水、加压站停泵对上游和下游的影 响进行研究，利用已知数据进行计算机数值模拟，通过不断运行程序，不断调试管路中 各种阀门的开启程序、泵后止回阀的关闭规范，给出了一套安全可行的水锤防护方案及 防护措施，并提出了具体的阀门操作规程。 l o 长安大学硕士学位论文 第二章树状供水管网边界条件方程 在具体的技术条件下，如何进行水锤计算，如何判断水锤危害，如何消除其危害， 以及如何评估防护措施的技术经济效果等，都要以相应的水锤计算为基础。水锤计算方 法主要有数解综合法、图解法、电算法即特征线法等。 目前随着计算机计算的进步，最常用而又实用的计算方法是电算法( 特征线法) 。本 文的计算机程序也都是利用特征线法进行计算机编程。在电算程序中最重要的就是各种 管路和防护措施的边界条件分析。 2 1 边界条件分析 常见的边界条件方程有如下几种情况【l j ： 1 边界上的9 和协是独立于管路系统的控制参数，如管路上、下游为水位恒定 的水池时，边界结点协是固定常数，相容性方程可用来求解纷； 2 边界上的q p 和协之间存在着一定的函数关系，如边界上有正常运转的水泵， 琊和q p 之间函数关系与相容性方程联立可解出边界上的协和9 值； 3 边界上的q p 和协值还与其他边界条件参数有关。 刘勇【4 8 】研究了水泵控制阀消除长距离输水管道断流弥合水锤的性能：胡建永，张健， 索丽生【4 9 l 针对长距离有压输水系统的特点，推导出空气阀的数学模型，并采用目前广泛 使用的水锤计算的特征线方法，进行了空气阀水锤防护的实例分析，推导出了进排气系数 对空气阀运行特性和水锤防护效果的关系；赵向军【5 们，分析了水锤产生的机理，并用 实例说明了水锤防护措施在工程中的应用。刘志勇，刘梅清，蒋劲，赵文胜f 5 l j 介绍了 减压恒压阀的工作原理，进行了减压恒压阀水锤防护效果的预测，并对其影响因素进行 了分析。张彦平【5 2 】研究了气缸式排气阀的性能特点，介绍了在输水管线改造中的应用。 张新萍，郑莉玲【5 3 】论证了正负水锤防护措施的有效结合，避免了严重的水锤压力，对长 供水管道，水泵出口安装液控蝶阀比微阻缓闭止回阀的水锤防护效果好。 虽然目前关于特殊点的边界条件分析已经取得了重要的研究成果，但是由于具体工 程实例的具体问题不同，对水锤防护措施的性能要求也不尽相同。由于现在的水锤防护 设施多种多样，但是即使是同种设备也会因为其设计原理的不同而对管道的水锤防护产 生不同的影响。因此，选择水锤防护措施时必须针对工程具体情况进行实际分析，切不 可一味借助经验进行适用，通过电算程序更加准确的模拟不同管路安装不同防护设施时 的不同水力暂态过程。同时，还可以根据工程对防护措施的要求，反过来不断改进各种 第二章树状供水管网边界条件方程 防护设备，二者互相推动，共同创新发展。 2 1 1 离心泵的边界条件【1 5 】 水头平衡方程式： 图2 3 管道中的水泵简图 e l = c p m 一慨+ 邬娩v + 帆2 + v 2 地+ 彳。x ) 一笔；掣= ( 2 1 ) 转速方程式： e = 0 b 2 + v 2 蛾+ 且x ) 讽一了g d 2 面n 面= 。 将公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 联立，采用迭代法求值。 2 1 2 缓闭止回阀的边界条件【1 6 】 关阀时通过缓闭止回阀的瞬时流量用相对参数表示为： 乃：旦：v 1 ，2 月o l 矿= o a g o = a v o = 一 2222 h o 2 9 ( c a a o ) 2 叩2 h o 2 1 3 排气阀的边界条件【1 7 1 c ：h p t = c p b q 嘲 c 一：h p i = c m + b q 既 ，尸一z + 厅) = p 1 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 长安大学硕十学位论文 p v l + 0 融 q , - - q t x i 一一c m + c p + 静棚) = m o + 0 5 d t ( r h 棚料2 式2 7 是所有具有排气功能的排气装置的通用计算公式。 特殊情况下，目前应用最广泛的排气装置是具有恒速缓冲功能的排气阀，它增加了 缓冲装置，在公式中表现为c 删= 三p 2 。 2 1 4 调压塔的边界条件1 8 】 根据目前广泛使用的调压塔的工作原理和使用场所，可将调压塔分为单向调压塔、 普通双向调压塔、箱式双向调压塔。其中单向调压塔适用于容易产生压力升高的管线部 位，具有单向降压的作用，但不能够低压补水。双向调压塔具有高压泄流、低压补水的 功能。这三种调压塔的相容性方程为： 鳞l = 2 9 ( h e q ) ( 2 8 ) 9 2 = - 2 9 ( 1 - i , 一缉) ( 2 9 ) 式中：绋，、绋：流入、流出调压塔内的流量； 阢调压塔内泄流或注水后的水深； h 调压塔内原来水深。 ( 1 ) 单向调压塔 单向调压塔的工作原理用公式表示如下： h以时，h=峨 ( 2 1 1 ) h - + 办时，h = 4 + 1 i ( 2 1 3 ) 第二章树状供水管网边界条件方程 将上式与相容性方程式联立求解，即可得出箱式双向调压塔的边界条件方程。 式中：日管路水头( m ) ； 以稳态时正常压力( m ) ； 厅调压塔设定值( m ) 。 2 1 5 超压泄压阀的边界条件【2 0 】 与管道连接点处： h e l2 耳22 缉3 ( 2 1 5 ) 绋l + 绋2 + q e 3 2 0 ( 2 1 6 ) 当管道压力胁小于超压泄压阀泄压值时，a p ：o ，当管道压力超过泄压阀启动压力 时，泄压阀处水头： h = 1 4 + ( 2 1 7 ) 式中：4 管道稳态时最大工作压力； 锄一1 5 - - 0 2 m p a ( 1 5 2 0 m 水柱) 4 7 】。 将上面3 个方程进行联立求解。 2 1 6 末端水池的边界条件 通常情况下，末端水池面积要比管道面积大，因为发生水锤事故时，水力暂态的时 间比较短，很短的时间内管线就会趋于稳定状态。所以，在水力过渡过程期间，末端水 池的液面水位可视为恒定。即水池水位视为末端水池边界点的起始压力。再根据方程式 联立求解q p 即可算出其边界条件。 2 1 7 多分支管的相交处的边界条件1 2 1 】 以图2 5 中的四支管连接点为例进行讨论。 1 4 长安大学硕士学位论文 n s 1 i 图2 5 树状管网的连接点 连接条件碉： 1 、连续条件： 绋= 婢埸z 舾一q p ，- s q 4 t ( 2 1 8 ) 2 、水头条件： h p 2h 尸1 胳2h 尸2 胚2h p 3 l2h p 4 i ( 2 1 9 ) 对支管1 和2 写最后步段的相容性方程式，可得 q p i n s - 竿 q p 2 n s = 警 ( 2 2 。) 对支管3 和4 写最前步段的相容性方程式，可得 绯，- l _ 生导 q p 4 1 - - - - 訾 亿2 1 ) 将以上两式中的流量表示式带入式，( 4 - 1 ) ，则、 绋一坼隆鲁+ 鲁+ 鲁+ 鲁 = o 即耻堂垃茜t 掣亿2 2 ，即 厶。 ( 2 ) 在h p 算得后，再按式( 2 6 4 ) 和式( 2 6 5 ) 计算各支管在连接管处的流量。 2 1 8 串联管路的边界条件【2 2 1 若系统中有直径不同的支管1 和2 相串联( 见图2 6 ) ，在连接点应联立管1 中第n 步段的c + 方程和管2 中第一步段的c 方程求解，连接条件有 第二章树状供水管网边界条件方程 1 连续条件： q 凡胭= q p 2 ，l ( 2 2 3 ) 2 水头条件( 不计连接点处的动能和水头损失) ： 日p 1 胳= h p 2 1 ( 2 2 4 ) 式中角标n s 代表节点序号n + i ，双重角标的前一个代表支管序号，后一个代表支管 内的断面序号。 将相容性方程式代入以上两式，可得 ”箐鲁 亿2 5 ， 和l i p = = b 2 c p l + b l c u 2 蜀+ b 2 ( 2 2 6 ) 式中：蜀、c p 。为管l 中的参数： b 2 、c m 2 为管2 中的参数。 串联主要指管路直径发生变化的情况，但计算原则同样适用于壁面材料、粗糙度等特性 发生变化的场合，因为这时各段的b 、c p 、c m 值也会有变化。 z整 j - 0 h 1 ，则断面i 处不发生蒸汽穴，可按通 常的水锤计算公式_ 继续运算。如呆兰z i - h 正+ 日1 r ，则另丑= z j - h 正+ 目r ( 即断面i 处 保持为汽化压强；在鼠确定后，利用相邻步段的相容陛方程计算本时段末断面i 上游的 进入流量岛矗和下游侧的流出流量瞰一 靠蠢= 丁c p - h 一 ：= 学 ( 5 1 ) ( 5 2 ) 长安大学硕士学位论文 ( 5 1 ) s d ( s 2 ) 式中的q 和e 埘即为特征线法中所介绍的公式确定。该计算时段中蒸 汽空腔体积增量为级川一j ，因此。蒸汽空腔发生的时该起，蒸汽空腔累计体积为一 汔= iq 一- 一q i j l ia , ( 5 3 p 随着时段的推移，蒸气空腔先是扩大，然后缩小，一旦况o ，说明蒸汽空腔捎 失，两连续液柱又重新接合，这时应指令况= 0 ，并按通常水锤计算程序计算和珂崩。一 断流点的断流分析计算框图见图5 3 。 上 图5 3 蒸汽型断流水锤计算编程流程图 5 2 3 空气型断流弥合水锤 由于蒸汽型空腔断流弥合水锤升压极高，对管道安全造成极大的危害，不利于管道 的安全运行。为防止负压出现，可以在管道上加装一些防止负压的水锤防护措施，调压 塔，缓冲排气阀等，其中气缸式缓冲排气阀在消除断流弥合水锤方面效果特别明显。 缓冲排气阀的计算通常是在安装排气阀处，根据相容性方程式并结合恒速缓冲排气 第五章树状供水管网水锤综合防护计算机动态模拟 阀的边界条件进行计算。 5 2 4 安装其它水锤防护措施处的水锤计算 在树状供水管网中最主要的特点是分支点多，还有其他比如水库，水泵，水池和管 径变化处等边界点，还有未提及的超压泄压阀、减压阀等水锤防护措施都属于边界条件 点，根据相容性方程式( 2 2 1 ) 和式( 2 2 2 ) 并结合各类边界点的计算公式来编写各个边界 点的计算程序，将各个边界点的计算程序加入水锤计算程序，需要使用该边界条件时可 以方便调用。 3 0 长安大学硕士学位论文 第六章树状供水管网水锤防护计算实例 树状供水管网最主要的特点在于分支多，各种阀门也比较多，水力过渡过程比较复 杂。大伙房供水工程属于典型的树状供水管网，并且包含了重力流和泵站加压这两种最 主要的供水方式，因此本章以大伙房供水工程作为树状供水管网水锤防护计算实例，并 提出适当的水锤防护措施。 6 1工程概况 大伙房供水工程具有流量大、扬程低、分支多的特点。整个管线向多个城市的净水 厂供水，在主管线通往各个城市净水厂处设有配水站，且配水站前不设调蓄水池。鞍山 加压站上游为有压重力流供水，下游为泵站加压压力流供水。具体的供水系统平面布置 如图6 1 所示。 6 2 工程数据资料 6 2 1 水库以及各净水厂水位 1 、水库特征水位见下表6 1 图6 1 供水系统平面布置图 水库特征水位高度( m ) 校核洪水位1 3 9 3 2 正常高水位1 3 1 5 正常蓄水位1 2 4 6 6 工程设计水位1 2 0 0 死水位1 0 8 0 表6 1 3 l 第六章树状供水管网水锤防护计算实例 ( 2 ) 各净水厂以及前池的特征水位见下表6 2 净水厂以及前池的特征水位高度( m ) 抚顺净水厂 9 7 0 沈阳净水厂1 6 6 o 沈阳净水厂24 7 0 辽阳净水厂 2 4 o 鞍山净水厂 3 6 o 盘锦净水厂 1 0 5 营口净水厂1 0 0 表6 2 6 2 2 管道波速 由于管道中含气，参考专家的经验和意见，确定输水隧洞与p c c p 管中水锤波速 b = 1 0 0 0 m s ，玻璃钢管的水锤波速b - - - 5 0 0 m s 。由于波速不同，计算的营盘配水站前是 p c c p 管，步长为2 0 0 m ；营盘配水站后是玻璃钢管，步长为l o o m 。整个供水管线共1 9 8 8 个节点。 相应的计算时段为丁= a l b = o 2 s ，计算总历时为1 5 0 0 s 。 6 2 3 泵站设置 鞍山加压站内包括两座加压泵房，一座给鞍山分支加压，下文称鞍山分支泵房，一 座给下游营盘方向加压，下文称鞍山下游泵房。各泵房的工况如下表6 3 所示： 各泵房工况鞍山分支泵房 鞍山下游泵房( 台) 平均日工况不用加压1 最不利工况一 2 台3 最不利工况二 2 台3 表6 3 6 2 4 管道压力 整个供水管线沿线共采用了三种管材，包括有压钢筋混凝土隧洞、p c c p 管以及玻 璃钢管，其最大承受动水压力分别为：有压钢筋混凝土隧洞承压o 5 m p a ，p c c p 管承压 0 6 m p a ，玻