长距离大管径多支管重力流供水工程的水锤防护研究优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

硕 士 学 位 论 文 长距离大管径多支管重力流供水工程长距离大管径多支管重力流供水工程 的水锤防护研究的水锤防护研究 汪汪 喜喜 乐乐 导师姓名职称 杨玉思 副教授 申请学位级别 工学硕士 学科专业名称 环境工程 论文提交日期 2012 年 5 月 20 日 论文答辩日期 2012 年 6 月 2 日 学位授予单位 长安大学 分类号 x1 x8 10710 2009129086 study on the water hammer protection of water supply project of long and large diameter with multi branch and gravity flow a dissertation submitted for the degree of master candidate wang xile supervisor prof yang yusi chang an university xi an china i 摘摘 要要 随着社会的高速发展和人们的生活水平提高 我国经济建设进入高峰期 城市化建 设的步伐也越来越快 各个行业和地区的用水量也随之呈增长趋势 水资源分布又不 是随各地区的需求量而分布 这就使得我国各地区的供水量出现有的地方富余有的地方 贫乏 为了满足各地区的用水量 国家和地方政府花费大量人力和物力 支持长距离输 水工程的兴建 如大连引碧工程 南水北调工程等 伴随着输水工程会出现管路爆管问 题 发生管路爆管将会带来巨大的经济损失 因此解决管路爆管问题将是目前技术人员 研究的最重要最首要的问题 长距离大管径多支管重力流输水工程的防爆技术是管道安 全运行的重要技术之一 因此我们有必要将防爆技术进行深入研究 本文通过成都水务沙西至外环路长距离输配水管道工程 对长距离大管径多支管重 力流进行水锤计算分析 本着保证管线运行安全 避免水锤事故的宗旨 对输水系统在 运行过程中可能出现的水锤问题进行预测分析 并确定合理可靠的水锤防护措施 从而 减少经济损失 本文以成都水务沙西至外环路长距离输配水管道工程为例 进行了相应的水锤防护 研究 其研究结果对类似的长距离大管径多支管重力流供水工程的水锤防护具有较高参 考价值和借鉴意义 关键词 长距离大管径多支管 重力流 水锤防护 排气阀 调压塔 ii abstract with the rapid development of society and people s living standards our country s economic construction enters into the rush hour various industries and regions with the growing water consumption the pace of urbanization construction is also more and more quickly water resources distribution is not with the demand and distribution area all over the world which makes the emergence of surplus in some poor places in order to meet the water consumption in each region the state and local government spend a lot of manpower and material resources in supporting the construction of the water long distance conveyance project such as dalian s lead and the south to north water transfer project with the project of water occurring pipe explosion problem it will bring huge economic loss and therefore solve the problem of pipeline explosion this will be the the most important and first and foremost work long and large diameter pipe gravity flow of the water conveyance project of explosion protection technology is an important technology of the pipeline safety operation so we have the necessary proof techniques in depth study this article calculates and analyzes gravity flow water hammer through the chengdu water sand west to long distance water distribution pipeline project with long distance and large diameter and multi branch pipeline with the purpose of ensuring pipeline safe operation and avoiding the accident of water hammer we forecast and analyze the water hammer problems which can occur in the water operation process system and determine reasonable and reliable water hammer protection measures to reduce the economic loss in this paper chengdu water sand west to the waihuan shupeishui long distance pipeline engineering as an example we study water hammer protection theory the research results have higher reference value and reference of the similar kind of long and large diameter much pipe gravity flow water supply project of water hammer protection key words long and large diameter multi branch pipe gravity current water hammer protection exhaust valve pressure regulating tow iii 目目 录录 第一章 绪论 1 1 1 研究本课题的背景以及意义 1 1 2 水锤的基本概述 2 1 2 1 水锤的基本概念 2 1 2 2 水锤分析的重要性 3 1 3 国内外水锤研究的历史以及现状 3 1 3 1 水锤研究历史 3 1 3 2 水锤研究现状 4 1 4 本课题研究的主要内容 6 第二章 水锤防护的理论计算参数和边界条件计算 8 2 1 水锤波速的计算方法 8 2 2 管道摩阻系数的计算方法 8 2 3 边界条件的确定 9 2 3 1 首端水池的边界条件确定 9 2 3 2 管道中分支点的边界条件确定 10 2 3 3 末端水池的边界条件确定 11 2 3 4 管路中阀门的边界条件确定 11 2 3 5 超压泄压阀的边界条件确定 11 2 3 6 排气阀的边界条件确定 12 2 3 7 调压塔的边界条件确定 16 第三章 长距离大管径多支管重力流的水锤防护措施 18 3 1 长距离大管径多支管重力流的水锤分析 18 3 2 长距离大管径多支管重力流的水锤防护措施 19 3 2 1 排气阀防护措施 19 3 2 2 超压泄压阀防护措施 21 iv 3 2 3 箱式双向调压塔防护措施 23 第四章 长距离大管径多支管重力流的水锤计算工程实例 27 4 1 工程基本情况 27 4 2 非稳定流水力过渡过程计算分析 29 4 2 1 工况一 控流站阀门关闭 检修阀一和检修阀二打开 30 4 2 1 1 管路仅安装缓冲排气阀时 分析管路中水锤压力的变化情况 30 4 2 1 2 在指定位置安装超压泄压阀 分析管路中水锤压力的变化情况 34 4 2 1 3 在指定位置安装调压塔 分析管路中水锤压力的变化情况 35 4 2 1 4 安装调压塔时 不同缓冲闭合流速下 关阀时间时的管道水锤分析计算 37 4 2 2 工况二 检修阀一关闭 控流站阀门和检修阀二打开 44 4 2 2 1 管路仅安装缓冲排气阀时 分析管路中水锤压力的变化情况 44 4 2 2 2 在指定位置安装超压泄压阀 分析管路中水锤压力的变化情况 48 4 2 2 3 在指定位置安装调压塔 分析管路中水锤压力的变化情况 48 4 2 2 4 安装调压塔时 不同缓冲闭合流速下 关阀时间时的管道水锤分析计算 51 4 2 3 工况三 检修阀二关闭 控流站阀门和检修阀一打开 58 4 2 3 1 管路仅安装缓冲排气阀时 分析管路中水锤压力的变化情况 58 4 2 3 2 在指定位置安装超压泄压阀 分析管路中水锤压力的变化情况 62 4 2 3 3 在指定位置安装调压塔 分析管路中水锤压力的变化情况 62 4 2 3 4 安装调压塔时 不同缓冲闭合流速下 关阀时间时的管道水锤分析计算 65 4 3 管道发生爆管时 不同位置的检修阀关闭时管路中的水锤压力情况 72 4 3 1 91 20 处发生爆管时 关闭上游 75 20 处检修阀时管道中的压力变化 72 4 3 2 131 20 处发生爆管时 关闭上游 113 90 处检修阀时管道中的压力变化 75 4 3 3 239 20 处发生爆管时 关闭上游 220 50 处检修阀时管道中的压力变化 78 4 4 在不同初始流量下 管路中的水锤压力分析情况 80 4 5 管路中安装注气微排阀水锤压力变化情况 83 4 6 管道充水及运行操作方式分析 88 4 7 计算中几个问题的补充说明 89 v 4 8 小结 89 总结与建议 91 总结 91 建议 91 参考文献 93 攻读学位期间取得的研究成果 95 致 谢 96 长安大学硕士毕业论文 1 第一章 绪论 1 1 研究本课题的背景以及意义 水是维系生命与健康的基本需求之一 地球上被水覆盖的的面积虽然达到70 8 但淡水资源却是极其有限的 在全部水资源中 无法饮用的咸水占97 5 淡水占2 5 人类难以利用的两极冰盖 永冻地带的冰雪和高山冰川的冰雪却占淡水的87 仅占地 球总水量的0 26 才会被人类真正能够利用到 而且分布并不均 我国的水资源地区分 布也是及其不平衡的 长江流域以北地区的面积 占全国的大部分面积高达63 5 但 它的水资源量却仅仅占了全国的19 而长江流域及其以南地区的面积仅仅占全国面积 的36 5 但它的水资源量却占全国的81 干旱 半干旱地区的耕地面积却占全国耕地 面积的一半以上 洪水威胁的江河中下游地区的耕地面积大约占1 3 让中国损失最严 重的自然灾害是干旱和洪涝引发 由此可见我国的水资源的供给和需求之间的矛盾也是 非常突出的 随着社会的高速发展和人们的生活水平提高 我国经济建设进入高峰期 城市化建 设的步伐也越来越快 各个行业和地区的用水量也随之呈增长趋势 更加激化了我国 的水资源的供求矛盾 其主要表现为一下三方面 一方面水的供给总量和需求总量之间 更加的不平衡 可供水量的增长速度远远赶不上所需水量增长的速度 供水状况令人十 分的担忧 二方面在北方地区和南方地区等地域性水资源供求矛盾也变的越来越严重 这一现象严重制约了我国经济和人的全面发展 三方面我国的人口压力使耕地灌溉事业 发展出现阻碍 使用水量增加的主要部门是工业和服务业 城市用水量的大量增加将会 使农业灌溉变的越来越困难 这一现象促使各部门用水矛盾变的更加尖锐 目前据估计 到 21 世纪 30 年代用水量实现零增长之前 全国用水总量将可能达到 7000 亿 m 3 比目 前需水量要增加 2000 亿 m 3 平均每年增加 100 亿 m3 1 我国计划增加供水量却受到水源污染和供水管网的老化等各方面的制约 由于人们 的一系列生产生活活动对附近水源造成污染 而仅仅地下水的存储量却远远不能使人们 的生产生活得到满足 过度开采地下水将会引起地面沉降 为了避免产生这一后果人们 将从远离城市的水源地去取水 根据调查了解 我国大部分的城市都存在供水不足的问 题 其中有一百多个城市问题比较严重 我国城市总缺水量已经高达 60 亿立方米 阻碍城市经济的发展的因素之一是水资源的缺乏 严重影响了居民的生活质量 为 第一章 绪论 2 了解决某些地区水源污染和地下水位明显下降的严重问题 我国采取跨区域长距离输水 方式 为了顺利解决这一问题 国家和地方政府投入大量的人力物力在长距离输水项目 上 大力支持长距离输配水工程使其完美的完成 如近年来天津引滦工程 内蒙古引黄 工程 大连引碧工程 西安黑河饮水工程 北京第九水厂供水工程 秦皇岛饮水工程 上海黄浦江上有饮水工程 青岛引黄济青工程 南水北调工程等 2 输水管线的安全防 护问题将影响输水工程顺利进行 大家都知道 水锤所带来的危害是非常巨大的 由于 水锤事故的发生将会造成管道破裂 设备损坏 大量漏水乃至断水 淹没农田 人身伤 亡等一些列的灾难 严重影响人们正常的生活和工程的进度 对相应部门也带来的严重 的经济损失 因此 我们必须高度重视输水工程安全的问题 对长距离输水管线的安全 防护具有重要的现实意义 目前我国北方城市由于当地水资源非常贫乏 严重阻碍了地方经济可持续发展和提 高人民生活水平 为了缓解城市水资源供求的尖锐矛盾国家必须大力兴建长距离输水工 程 因为管道输水可随地理状况改变而改变 对地质条件的要求也不是很高 渗漏损失 也是相当小 既能保证水质 施工方便 又能节省工程成本 管理方便 这一系列的优 点成为工程设计人员优先考虑的方案 因此长距离重力流输水工程也变的越来越多 重 力流输水工程安全运行将是一个非常重要的方面 总之 长距离重力流工程的水力水锤 分析研究 不仅仅对输水工程设计提供了非常可靠的科学依据 而且也对解决输水工程 的安全问题具有十分重要的指导意义 对长距离重力流输水工程进行水锤分析和防护研究的过程中 输水管路上所用到的 水力设备的研究是非常必须且不可忽视 因此 本文从对成都水务沙西至外环路长距离 输配水管道工程研究入手 对这一工程中所采用水锤防护设措施进行了探讨 找出最合 理最经济的防护措施 成都水务沙西至外环路长距离输配水管道工程是长距离大管径多 支管重力流输水工程 研究这一工程的结论可对类似工程的水锤防护具有十分重要的参 考价值和借鉴意义 1 2 水锤的基本概述 1 2 1 水锤的基本概念 液体在管道输送过程中 经常的会出现一些水锤 水锤是管道衰变流动中的一种压 力波 它的产生是由于管道中某一截面流速发生了改变 这种改变可能是正常的流量调 节 或是事故而使流量堵截 从而使该处压力产生一个突然的跃升或下跌 这个压力的 长安大学硕士毕业论文 3 瞬间波成为水锤 8 液体具有的压缩性以及惯性是发生水锤的物理原因 由于液体的惯性使之维持原有 的运动状态 而流速的突然改变将会导致液体膨胀或者压缩进而使得压强发生急剧的变 化 相反的 如果液体的两侧受力发生变化时也是可以导致流速发生改变的 就一般情 况而言 输水管道的过渡过程起因大体有以下几个 线路集流 分流 启泵和停泵 泵 内发生的回流 机组转速发生了变化或着运行不稳定 动力出现故障 阀门的启闭 空 气进入管道系统或泵等 其中最严重的水锤事故是停泵引起的水锤 1 2 2 水锤分析的重要性 随着我国国民经济的的高速发展 长距离输水输送越来越多 我们的首要任务是是 保证输水管道的安全 由此可见 人们将会越来越重视水锤安全的分析 详细而可靠的 水锤分析为管道设计和购置设备提供依据 是制定管道运行规程准则的重要依据 随着 工农业和人们生活日益增长的供水需求 我国已经通过大量的长距离输水工程如 南水 北调工程 解决人们对供水需求 维持人们的正常的生产生活活动 长距离输水管路都 是几十公里以上的承压输送 输送途中将安装一些水利设备如泵以及控制阀门 在设计 这些输水工程时 都应该事先做大量的水锤分析 水锤预测和水锤事故的模拟 找出在 这些工况下水锤的发生和水锤传播的规律 通过这些可制定一些水锤的防护措施在设计 和以后的运行中 为了长距离输水工程的的安全运行系数提高 对此工程进行水锤分析是非常重要和 不可忽视的 水锤的发生和发展都是以非常快的速度进行的 它是一种瞬变流动 经过 这么些年来 科学家们都在通过一些手段研究水锤的分析和预估 但由于以前没有计算 机 测试仪器又很落后 因此水锤的研究非常缓慢的 随着改革开放 电子计算机和测 试仪器都迅猛发展起来 70 年底后期 水锤的分析研究已经进入了一个新时代 1 3 国内外水锤研究的历史以及现状 1 3 1 水锤研究历史 19 世纪 输送水过程中引发的水锤引起了人们的高度重视 从以前到现在 自 1850 年 wilhelm weber 测量了管壁弹性对水锤波速传播的影响 1875 年 marey 通过实验室 做出的结果证明了水锤波传播速度取决于管壁弹性 1878 年 kortewey 在推导波速方程 式时同时也考虑了管材与流体的弹性 在同一年 michard 与 jules 也进行了第一次水锤 第一章 绪论 4 实验 采用泄压阀与空气室来消弱阀门突然关闭的作用 1883 年 grameka 首次在水锤 分析时考虑了摩擦损失 认为流体是不可压的 流速和摩擦损失成正比 1891 年 j p frizell 通过波速对水锤压力的影响分析 推导出了突然关闭阀门的波速压力强度 的方程 也注意到了关阀时间 分支管和波反射对水锤压力的影响 1898 年 nicolai joukovkovsky 第一次提出了流速的变化 流体的密度和波速对水锤压力上升有影响 推导出了压力和波速跃升方程 考虑了开口管中波的反射问题 小管中压力波传播问题 及波速周期和关阀时间之间的关系 弹簧控制补偿阀的作用 空气室的作用 1913 年 loreuzo 创造出了水锤分析的图解法和数学方法 奠定了这一领域在以后 50 年内研究 的基础 1 3 2 水锤研究现状 在 60 年代以后 随着现在动态测量技术和高速计算机的发展 水锤分析研究开辟 出了新纪元 这样使管道瞬变流分析重点差不多完全集中在计算机的应用上 利用电子 计算机进行了水锤的模拟计算以及在试验中利用电子计算机进行了相关数据的采集和 处理 这样就使得了对复杂的管网水锤分析变成了可能 而不是对其无从下手 越来越 多的关于管道瞬变流研究的模型 方法和计算结果的论文 甚至有些已经形成了专著 但利用瞬变流理论进行了分析和计算实际的工程管网的计算方法 模型 软件和试验研 究 都是在知识产权保护的范围内 因此有关这些方面的研究资料是非常少见的 但我 们还是从一些由国外进行水锤分析的工程看出 在水锤分析及试验研究都取得了一些显 著的成果 在下面介绍几个国家的水锤研究现状 在美国 当前瞬变流研究权威地之一是密执安大学土木工程系 著名的怀利 e b wylie 教授和斯特里特 v l streeter 教授领导的瞬变流研究组 对瞬变流研究 实验研究和水锤理论分析方面做了大量的工作 许多博士生和研究生也被其进行了指 导 在 1967 年这二人出版了 液体顺便 即 hydraulic transients 一书 但紧接 着在 1978 年 9 月将此书更改为 流体瞬变 即 fluid transients 进行出版 1983 年再次出版 到 1983 年将在水利水电出版社出版 是将 瞬变流 由清华大学翻译成 中文版 此书对大学的老师 学生和工程技术人员具有非常好的参考价值 日本也有很 多教授对瞬变流进行研究 1972 年秋元德三教授出版了 水击与压力脉动 这一本书 中文版已经在我国出版 1988 年出版了此书的的日文新版 自 1952 年开始长达十年作 者进行了压力脉动 水电站测流和调速器实验的现场试验 虽然他是一位从事工程的学 长安大学硕士毕业论文 5 者 但是他并不满足于仅仅在一般水力学上的讲授 他会用多从设计的观点来谈论水锤 讨论偏重于水锤的压力脉动的物理现象 水锤的物理概念及压力脉动特性的计算方法和 防止水锤共振的措施 此书对水 火电站 水力机械 泵站 管道工程及民用管路系统 十分有用 伴随着对在输水过程中出现的水锤研究工作的发展 在国际上 由英国皇家 学会流体工程分会领导组织 国际压力涌波会议将会每隔几年都会召开一次 对输水管 道出现的水锤研究进行了总结和相关方面的交流 1983 年我国的学者才开始参加第四 届的国际压力涌波会议 1986 年清华大学在第五届国际学术会议上发表了相关方面的 两篇论文 工程力学系的王学芳教授以及水利水电工程系的王树人教授等人公布了旋启 式止回阀的水锤性能以及水电站调压塔的防护水锤研究的研究成果 这一研究成果使国 内外引起了高度重视 伴随着我国电子计算机技术的高速发展以及相关试验技术的进步和发展 在水锤的 理论研究分析和相关试验研究方面我国进入了一个新时代 但是与国外相比较国内对水 锤的研究由于起步相对比较晚而有很大的差距 并且水锤的基本理论论述资料相对也是 很少的 20 世纪 60 年代国内也开始了对水锤相关方面的研究 例如像龙期泰以及王守 仁等人在水锤方面进行了大量试验研究 这些为后期的水锤分析计算以及防护措施的研 究奠定了一定基础 尤其是对研究下开式水锤消除器 为这一产品的在输水工程中普及 使用起到了一定的积极指导作用 从 80 年代开始 有关水锤的方面的著作才逐渐在我国问世 1981 年 清华大学王 树人主编的 水击理论与水击计算 较系统阐述了水击的基本理论和基本方程式的推导 并给出了简单的电算程序 4 再接着随着 实用水力过渡过程 applied hydraulic transients 6 和 瞬变流 fluid transients 5 这两本书的中译版的出版 关注水 锤的科研人员在我国出现的越来越多 在水柱分离方面金锥等人进行了多年研究 总结 了泵水锤防护的理论 并且建立了水柱分离的计算模型 停泵水锤电算方法也随之发扬 光大 停泵水锤及其防护 2 一书将其研究成果收录其中 在国内的泵站水锤计算中 刘光临和刘竹溪等人利用计算机技术对单向调压塔和水泵全特性曲线进行了深入研究 随之发表了多篇相关论文 22 23 24 25 如 泵站水锤及其防护 也是相对比较早的水锤论 著 索丽生等 26 27 人对水锤进行了大量的理论研究 从各个方面进行水锤分析 做了大 量的工作在水电站压力引水系统的水力过渡过程的研究方面 提供了调压室在工程中的 应用的理论基础 王学芳等人出版了 工业管道中的水锤 7 一书 主要研究工业管道 的水锤防护 涉及输油 核电 电厂等多个领域的水力瞬变 第一章 绪论 6 奕鸿儒等人做了大量的工作在泵站水锤的计算和试验 并且其发表的论文将对国内 常用的微阻缓闭止回阀 逆止阀和两阶段关闭蝶阀等在工程中的正确使用起到指导作 用 在系统的总结了前人成果的基础上 并且对以后的瞬变流的研究起到了一定的积极 作用 液控缓闭蝶阀 8 是 80 年代我国科技人员开发的一种新型的水锤防护设备 通过 对阀门的关闭角度及时间的调节即可分为快关以及慢关 这样可以有效的预防水锤事故 的发生 1988 年 杨玉思教授也是经过了多年苦心的研究成功的研制出了一款气缸式 排气阀 9 这就极大的改进了以前的浮球式排气阀缺点 长距离输水管道的排气问题被 气缸式排气阀真正的解决了 使管道内存气带来的起泵水锤以及运行水锤的隐患被消除 了 近些年来 在有压输水管道中伴有液柱分离的两相瞬变流现象和空穴流方面的研究 国内学者取得了相对比较大进展 于必录等人对有压输水管道系统中发生的液柱分离现 象进行了理论研究 并且认为液柱分离是在有压输水管道系统中当泵的瞬态压力降低到 了汽化压力的时候发生在管道内的一种局部现象 它涉及了比如气液两相之间的质量和 动量的交换 水锤压力的波速变化以及气体释放液体气化等这些复杂的物理现象 蒋劲 等提出了用矢通量分解法求解气液两相瞬变流的方法 10 杨开林等对输水管道气泡动力 特性进行了研究 11 郑源等人对于管道负压条件下的气体释放进行了深入研究 12 孙兰 凤对于管道中采用空气阀消除断流弥合水锤进行了数值模拟 13 金锥 28 29 30 及杨玉思 31 32 33 34 等人对断流水锤的实验研究 数值模拟 以及气液两相流都有较深入的研究 而且杨玉思教授也经过了多年研究 认为城市管网爆管主要是因为管道排气不畅引发气 爆 选择性能优良的排气阀可以减少气爆水锤的发生 14 我国近这些年来因为大型的输水工程的越来越多 所以管道的安全运行问题也越来 越引起了人们关注 在这方面的研究学者也越来越多 并且实际工程的防护和水锤的理 论研究两者都取得了一定的发展 甚至于在个别的领域已经达到了世界的先进水平 但 是随着科技的飞速发展 水锤方面的研究也将会更加的深入和完善 1 4 本课题研究的主要内容 本文主要研究成都水务沙西至外环路长距离输配水管道工程 成都市自来水七厂一 期工程 的管线运行工况和水锤防护方案 主要有几下几点 1 简要阐述水锤的理论计算参数 并给出输水工程中不同位置和不同设备的边界条件 长距离大管径多支管重力流供水工程的水锤防护措施 长安大学硕士毕业论文 7 2 通过成都水务沙西至外环路长距离输配水管道工程的水锤分析 结合恒速缓冲排气 阀 超压压泄压阀 箱式双向调压塔的特性 并通过系统的分析 确定防护方案的合理 性 3 爆管条件下管道压力变化研究状况 对不同位置的爆管事故进行水锤分析和研究 并分析爆管事故发生后阀门操作程序和注意事项 以避免破坏性水锤发生 4 控流站运行方式分析 包括每个控流阀的开关速度 两个阀门的协调控制 5 管道充水运行方式分析及操作规程 对输水管进行计算分析 得出充水控制速度结 论并制定合理的充水方案 6 管道冲洗工况下的运行安全分析 分析冲洗排水管口径设计是否合理 冲洗时冲排 管能否全开及全开情况下会否导致管道产生负压 水锤 是否需要增设真空破坏阀 7 根据上述工程实践研究 提出了长距离大管径多支管重力流供水工程最合理的水锤 防护措施 第二章 水锤防护的理论计算参数和边界条件计算 8 第二章 水锤防护的理论计算参数和边界条件计算 2 1 水锤波速的计算方法 水锤波的传播是指管道中由于流速的骤变而引起的压力变化的传播 它的传播速度 可称为水锤波速并且用符号a表示 水锤波速a与管壁的弹性及液体的压缩性有关 da a 反映管壁的弹性 d 反映水体 的可压缩性 可以从水锤动量方程并根据水的连续性及质量守恒定律导出 ee kd k ee d k a 1 1 1 1 2 1 式中 a 水锤波速 m s 水的密度 n s 2 m4 e 管壁材料的弹 性模量 n m 2 k 水的体积弹性模量 n m 2 水的密度 n s 2 m4 d 管径 m e 管壁厚度 m 公式 2 1 适用于一般的净化水 不考虑水中含气的问题 随着水中掺入空气 它 的体积弹性模量 k 值将会减小 当薄壁水管中均匀分布微小气泡时 a值可按式 2 2 计算 ee d k w w k k g w w a 11 1 2 2 式中 空气的容重 n m 3 水的容重 n m 3 w 混合液中气 泡的体积 m 3 w 混合液的体积 m 3 w w 空气的容积掺入率 k 空气的体积弹性模量 n m 2 k 水的体积弹性模量 n m 2 2 2 管道摩阻系数的计算方法 根据某一特定的流态可导出传统的水力摩阻系数 为满足计算的需要 假设管路在 稳态运行状态下 可以利用海曾 威廉公式计算出管道摩阻系数 具体见下 长安大学硕士毕业论文 9 1 852 1 8524 87 10 67 f ql h cd 2 3 式中 c 系数 d 管径 m l 管道长度 m q 流量 m 3 s 根据实际工程情况 如管道采用钢筒混凝土管 c 值将取 130 通过已知管长 流 量 管径就可得水头损失 2 3 边界条件的确定 大家知道 单一管道的两个端点均只能得到一个相容性方程 因此两个端点结点将 有两个相容性方程可以使用 想要确定最终边界上的两个控制参数 p h与 p q值 就必须 再加一个边界条件方程式 因此就需要补充一个特殊边界点 如 管线上安装的水锤防 护设备的点等 还需要其它的边界条件方程 这些年来 国内外许多相关领域的专家研究出了许多效果良好的水锤防护装置 是 通过对特殊点的边界条件系统研究和长期反复的实验得出的 如 wylie 16 等人通过对有 压输水管路系统做了大量的研究 研究出了气压罐 单向调压塔 水锤消除器 双向调 压塔 空气阀 止回阀等防护装置 对泵站水锤做了许多实验研究的是刘竹溪 17 等人 lee 18 等人对空气阀的性能及原理做了详细而深入的研究 王学芳 19 等人研究在长距离 输水管路中设置空气阀对水锤的效果 进一步提高了人们对空气阀的性能认识 刘梅清 20 等人系统研究了单向调压塔 并对其特殊的性能进行了数值模拟 杨玉思 3 金锥等 人深刻介绍了断流水锤理论和水锤防护措施 2 3 1 首端水池的边界条件确定 大水池水位在短促的暂态期间可被认为是恒定不变的 假设水池水位为 r h 那么 管路上游端节点 1 的水头为 1pr hh 当水池水面是以某种规律变化的时候 例如按正弦波振荡的情况 则为 thhh rp sin 1 2 4 式中 t 相位 h 波动幅度 当 1p h确定后 可利用相容性方程式 pimpi bqch 计算出节点流量 1 1 pm p hc q b 2 5 第二章 水锤防护的理论计算参数和边界条件计算 10 2 3 2 管道中分支点的边界条件确定 图图 2 1 2 1 枝状管网的连接点枝状管网的连接点 以图 2 1 中的四个支管连接点为例子进行讨论 1 水头条件 1 41 3 2 1 ppnspnspp hhhhh 2 6 2 连续条件 0 1 41 3 2 1 ppnspnspp qqqqq 2 7 对支管 1 和 2 写最后步段的相容性方程式 pimpi bqch 可以得 2 2 2 1 1 1 b hc q b hc q pp nsp pp nsp 2 8 对支管 3 和 4 写最前步段的相容性方程式 pimpi bqch 可以得 4 4 1 4 3 3 1 3 b ch q b ch q mp p mp p 2 9 将以上两式中的流量代入式 2 7 可知 0 1 4 4 3 3 2 2 1 1 b c b c b c b c b hq mmpp pp 即 b bcbcbcbc h mmpp p 1 44332211 2 10 在 hp算得以后 再按式 2 8 和 2 9 计算各支管在连接点处的流量 在复杂管路系统中任何的连接点 都是一种枝状的连接点 都是可以用以上公式计 算连接点水头 hp及各支管的流量 qp 长安大学硕士毕业论文 11 2 3 3 末端水池的边界条件确定 末端水池的水位在短促的暂态期间可被认为是恒定不变的 假设水池水位为 hr2 那么管路末端节点 ns 的水头为 hpns hr2 与之相连管道相容性方程如下 pippi bqchc 2 rmpi hchc 当 hpns确定以后 计算的结点流量可为 b hc q pnsp pns 2 12 2 3 4 管路中阀门的边界条件确定 当通过阀门引起的水头损失为h 流量为q 那么两者关系可以表示为 2 2 2 q h ga 2 12 2qcg h 2 13 式中 a 阀门过流断面积 m2 h 阀门处的水头损失 m c 阀口开 启 面积乘以流量系数 q 通过阀门的流量 m3 s 阀门处的阻力系数 c 两者之间的关系可表示为 2 2 a c 2 14 将式 2 12 或 2 13 和阀门上下游两侧的相容性方程式 pimpi bqch 以及 pimpi bqch 联立 可以解出三个未知数 阀门上 下游两侧的两个 hp值和流量 qp 2 3 5 超压泄压阀的边界条件确定 第二章 水锤防护的理论计算参数和边界条件计算 12 图图 2 22 2 泄压阀安装结构简图泄压阀安装结构简图 在超压泄压阀与管道连接点处有以下方程式 321ppp hhh 2 15 0 321 ppp qqq 2 16 式中 1p h 2p h 3p h 超压泄压阀上游以及下游阀处的压力 m 1p q 2p q 3p q 超压泄压阀上游以及下游阀处的流量 m 3 s 当超压泄压阀启动压力 x h大于管道压力 p h时 0 3 p q 当泄压阀启动压力 x h小 于管道压力 p h时 超压泄压阀进口和出口处有 033 2hhgacq pgdp 2 17 式中 0 h 管道外部压力 m g a 开口面积 m 2 d c 流量系数 根据超压泄压阀工作原理 一般超压泄压阀的泄压值 x h采用在安装超压泄压阀处 最大正常使用压力 n h的基础上加上 0 15 0 20mpa 当瞬时压力h大于泄压值时 泄 压阀开始泄压 即当 n hh 15 20 时开始泄压 当 20 15 n hh时 20 15 n hh 2 18 将式 2 15 至式 2 16 与式 pimpi bqch pimpi bqch 联立 即可求解 2 3 6 排气阀的边界条件确定 1 排气阀的边界条件 排气阀是一种用于防止水击事故产生的特殊阀门 一般来说在输水管路的相对高点 即凸起部分 安装排气阀 它是一种特殊阀门用于防止水击事故 当供水管路中的压力 大于大气压时 空气将会被自动排出 而当供水管路中的压力小于大气压时 空气将会 1p h 2p h 2p q 泄压阀 1p q 3pq 3p q 长安大学硕士毕业论文 13 被自动吸入 由于排气阀的边界条件非常复杂 因此我们可以使用空气动力学中的拉瓦尔喷管公 式来解决排气阀里空气进出问题 23 57 58 我们必须满足以下全部假设条件才能使用拉瓦 尔喷管公式 第一 将空气进出排气阀过程均被看作等熵过程 第二 由于管内空气质量相对管 道面积和水体表面积而言非常小 因此在类似这个大热容一般的管道之中 水体温度和 气体温度是非常接近的 甚至可以把它们视为相同温度 所以管道里的空气质量将遵守 等温规律 第三 进入输水管道里的空气不仅都呆在排气阀的周围 并且排气阀还可以 将它们排出来 第四 水体的表面高度不仅要大体上保持不变化 并且要使管道内水的 体积远远大于其内空气的体积 输水管道外大气绝对温度 0 t 绝对压力 0 p 和其内的绝对温度 1 t 绝对压力 1 p共同 决定了排气阀流进流出的空气质量的流量大小 当空气是以亚音速流入时 21 11 0 0000 21 1 1 k kk ppk mcap kr tpp 流入流入流入 010 0 53ppp 2 19 当空气是以临界速度流入时 1 21 0 00 2 1 k k k mcap kr t 流入流入流入 10 0 53pp 2 20 当空气是以亚音速流出时 21 00 1 0 111 21 1 1 k kk ppk mcap kr tpp 流出流出流出 010 1 887ppp 2 21 当空气是以临界速度流出时 1 21 1 0 1 2 1 k k k mcap kr t 流出流出流出 10 1 887pp 2 22 在以上各式中 k 绝热指数 针对空气而言取 1 2 c流出 阀的流量系数 c流入 阀的 流量系数 m流出 流出空气的质量流量 m流入 流入空气的质量流量 a流出 第二章 水锤防护的理论计算参数和边界条件计算 14 阀的开启面积 a流入 阀的开启面积 0 r 气体常数 一般取为 287 jkg k 2 排气阀理论的边界条件 当水头大于大气压时 并且可视空气不存在的情况下 一般进出口各端接头处的边 界条件被视为内截面积 而当水头低于管线高度时 将打开空气阀 使得空气得以流入 其中 但在空气排出去之前 每一个增量末端都要满足恒定内温的一般气体的方程 因 此可以得到以下式子 0 p vmr t 2 23 从图 2 3 中可见 图图 2 3 2 3 排排气阀流动符号如图所示气阀流动符号如图所示 000 0 50 5 iipxippipi p vt qqqqmt mmr t 2 24 式中 pi q 空穴的末了流出流量 i q 空穴的起始流出流量 ppi q 空穴 的末了流入流量 px i q 空穴的起始流入流量 i v 时间增量开始时的空穴体积 0 r 气体常数 一般取为 287 jkg k p 管内绝对压力 t 管内绝 对温度 m 空气流入或流出空穴的末了质量流量 0 m 空气流入或流出空穴的 起始质量流量 0 m 空穴中空气的起始质量 将c 和c 可以简化为 pimpi chcbq 2 25 pipppi chcbq 2 26 p h与p方程为 长安大学硕士毕业论文 15 p hhzp 2 27 式中 液体的重度 z 排气阀高出 p h基准的高度 m h 气压计 压头 m 将公式 2 25 2 26 代入 2 24 可得以下式子 000 2 0 50 5 mp iipxi ccp p vdt qqhzmdt mmr t bb 2 28 排气阀的通用计算公式将为公式 2 28 与式相容性方程式 pimpi bqch 和 pimpi bqch 联立 即可求解 方程 2 28 是排气阀边界通用上网方程式 因为没有将各种各样的排气阀排气性能 的差异考虑在其内 因此要增加一定的限定条件用来满足各种排气阀的差异性即特性 1 浮球式排气阀 浮球式排气阀的阀体是由阀盖和圆柱形阀体组合而成的 在工作压力相同的条 件下 因阀体积可以减小 阀重量也相应可以减轻 而在连接系统管道或着设备接 口处的阀体上装有的缓冲片 因为它可以减少浮球及杠杆等因工作介质而产生的冲 击力使其不易遭到损坏 这样提高了阀的使用寿命 这种类型的排气阀种类多种多 样 它的性能差异也非常显著显著 但它们在各自的特定压力条件下 都会突然起 球 因排气阀不同而起球的压力不同 此时浮球式排气阀的限定条件将为 当p p1 时 排气阀终止排气 即m流出 0 浮球是排气阀的起球压力是 p1 2 有恒速缓冲功能的排气阀 相比于其它浮球式排气阀具有恒速缓冲功能的排气阀多了一个缓冲装置 它将提高 输水效率是因为它可保护管道避免遭到气爆破坏 它的大排气口的启闭 随管道内压大 小不同大排气口的开启度将发生变化 从而实现它的恒速排气功能 它对气流具有限制 作用 当排气速度恒定时 排气速度一般为 0 3m s 与主管道流速相同 3 真空破坏阀 在虹吸式输水管道中真空破坏阀起到快速闸门的作用 如果将它安装在输水管道最 高点 它将能有效的解决因出现真空现象而导致的损坏 根据它的不排气只能进气的工 作特性 将得到它的约束条件为 当 p0 1 p的时候 箱式双向调压塔的单向板将会向下打开 这样就会使活塞处 于管道的低压注水状态 这时箱式双向调压塔将会开始注水而使管道压力升高 2 当 2 p 2 s 1 p 1 s时 箱式双向调压塔的活塞将会整体向上运动 这时活塞 就会处于管道高压的开启状态 此时箱式双向调压塔将会开始泄水而使管道压力降低 3 当 2 p 2 s 1 p 1 s时 箱式双向调压塔的活塞将会处于正常的关闭状态 上面的各符号意义分别表示为 2 s 活塞上部的大面积 m 2 1 s 活塞下部的小面积 m 2 s 面积 m 2 2 p 箱式双向调压塔内的水压 m 1 p 管道的内压 m p 压强 pa f 力 n 2 选用箱式双向调压塔的技术要点 1 一般将主管道直径的 1 2 1 3 作为箱式双向调压塔的公称直径 在理论上虽 第三章 长距离大管径多支管重力流的水锤防护措施 26 然是箱式双向调压塔的直径越大 它的水锤防护的效果将会变的越好 但是同时这样也 将会使工程的成本变的相对比较高 所以应该通过技术和经济两者比较以后再确定箱式 双向调压塔的公称直径 2 一般在输水干管上容易于发生水柱分离的高点或着折点处或者泵站汇水总管 处安装箱式双向调压塔 3 要附设特别注水箱是由于管道的断流空腔很长需要较大注水量 4 箱式调压塔高度一般情况下都会设置为 2 米至 5 米 但是有时会在需要的时 候 也可以将其设置大于 5 米 5 一般情况下箱式双向调压塔都会设置在管道一侧的阀口井内部 但是有时箱 式双向调压塔大多数也有可能会高出地面位置 这时应在高出地面的部分设置塔室 6 为了使箱式调压塔水锤防护的效果达到最佳 因此在有条件时箱式双向调压 塔的选用应最好与系统的水锤防护计算结合起来 3 箱式双向调压塔的性能特点 1 当管道的内部出现负压的时候 此时的箱式双向调压塔就会迅速的向管道内 部进行补水 这样就防止了水柱被拉断而产生的断流弥合水锤 2 它的防止水锤泄压溢流的性能高度既安全又可靠 因为在结构上箱式双向调 压塔的调压活塞采用的是直接动作形式 并且又没有外导管的先导阀等 因此它不仅克 服了超压泄压阀存在的滞动作也克服了拒动作等一些列问题 致使管道泄压既迅速又及 时 管道安全系数将大大的提高 3 箱式双向调压塔反应迅速 动作灵敏 而且对任何的水锤都有很好的防护效 果 进行水锤防护这一过程中 快速升压的水锤类型是最难也是最可怕的水锤类型 就 像是在 1 秒至 2 秒甚至于不到 1 秒的时间范围内水锤的压力就升高到了极限值 接近或 者属于这类快速升压型水锤有气动阀门速闭 含气型断流弥合水锤 水轮机甩负荷关闭 导叶和气囊振荡水锤等 在这种情况下箱式调压塔的作用效果是非常良好的 而普通的 先导式超压泄压阀将几乎完全失去了作用 4 箱式双向调压塔的泄压动作回位的误差相对比较小 大多数的超压泄压阀除 了泄压动作滞后以外 误差压力还要必须保证在 2 3kg cm 2的动作回位 但箱式调压塔 的动作误差仅仅 0 2 0 3kg cm 2从而使水锤防护效果进一步得到了提高 长安大学硕士毕业论文 27 第四章 长距离大管径多支管重力流的水锤计算工程实例 4 1 工程基本情况 成都水务沙西至外环路长距离输配水管道工程 成都市自来水七厂一期工程 为长 距离大管径多支管重力流输水 由沙西线 外环路和八条支管组成 管线全长 77402 米 管道沿线分别在桩号 172 80 343