给水排水管网系统ppt课件.ppt

1 教材 严煦世 刘遂庆主编 中国建筑工业出版社 2002 主要参考教材 1 许保玖著 给水处理理论 中国建筑工业出版社 2000 2 周玉文 赵洪宾著 排水管网理论与计算 中国建筑工业出版社 2000 3 唐受印 戴友芝等编 水处理工程师手册 化工出版社 2000 629 663 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 给水排水工程分为给水工程和排水工程两大部份 给水工程的任务 排水工程的任务 给水排水工程专业课内容主要包括水资源规划与保护 取水工程 水处理工程和管网系统工程 本课程为给水排水专业的主干课 教材中主要讲述的内容为给水的输送和分配以及废水的收集和输送管道系统网络的理论 工程设计与管网的管理维护和运行调度的基础理论与工程技术 给水排水管网系统 16 第一章概述 1 给水排水系统的主要功能 1 水量保证 2 水质保证 3 水压保证2 给水排水系统的组成 1 取水系统 2 给水处理系统 3 给水管网系统 4 排水管网系统 5 废水处理系统 6 排放和复用系统 17 第一章概述 3 给水排水系统工作原理 1 流量平衡 2 水质关系 3 水压关系4 给水排水管网系统的功能与特点功能 水量输送 水量调节 水压调节特点 分散性 连通性 传输性 扩展性 18 思考题 水源地 为何取水口一般布置在河流较窄的地方 水质 为何取水口位于城市河流的上游 水压 为何给水处理厂一般建筑在城市地势较高处而污水处理厂却建设在较低处 反之有何问题 19 第一章概述 5 给水管网系统的组成给水管 渠 配水管网 水压调节设施 水量调节设施等 6 排水管网系统的组成废水收集设施 排水管网 水量调节池 提升泵站 废水输水管 渠 排放口等 20 第一章概述 7 给水管网系统类型 1 按水源的数目分类 2 按系统构成方式分类 分压 分质 3 按输水方式分类8 排水管网系统的体制合流制排水系统 直排式 截流式 分流制排水系统 21 本章重点 给排水系统的流量关系 水质变化过程 为何对于某些管网要实行分区供水 应该采用何方式来保证供水的安全性 应该采用何方式保证排水系统的运转安全性 如何进行排水体制的选择 22 第二章管网工程规划 1 工程规划的主要任务确定给排水系统的服务范围和建设规模确定系统的组成与体系结构确定水处理工艺流程与水质保证措施管网规划与定线2 给水排水工程规划原则贯彻执行国家和地方的相关政策与法规城镇及工矿企业规划时兼顾给水排水工程给水排水工程规划与城镇和谐发展合理确定近远期规划与建设范围合理利用水资源与保护环境规划方案尽可能经济高效 23 可研相关法规 中华人民共和国环境保护法 1989年12月 中华人民共和国水污染防治法 1984年5月 中华人民共和国水污染防治法实施细则 2002国务院第284号令 国务院关于环境保护若干问题的决定 建设项目环境保护管理办法 1986年3月 建设项目环境保护设计规定 1987年3月 污染排放许可证管理暂行办法 1986年3月 污水处理设施环境保护 监督管理办法 1989年5月 饮用水源保护区污染防治管理规定 1989年11月 排污费征收标准及计算方法 2003年国家发展计划委员会 财政部 国家环保总局 国家经济贸易委员会第31号令 排污费征收使用管理条例 2003中华人民共和国国务院令第369号 24 建筑结构设计统一标准 GBJ68 84工业建筑防腐设计规范 GBJ46 82建筑结构荷载规范 GBJ9 87建筑防震设计规范 GB50011 2001给排水工程结构设计规范 GB50069 2002混凝土结构设计规范 GB50010 2002地下工程防水技术规范 GB50108 2001建筑地基基础设计规范 GB50007 2002砌体结构设计规范 GB50003 2001劳动部1998年颁发的48号文 关于生产性建设项目职业安全卫生检察的暂行规定 卫生部1994年发布的 工业企业建设项目卫生预评价规范 可研相关法规 25 可研相关法规 工业企业设计卫生标准 TG36 79 工业企业噪声控制设计规范 GBJ87 85 建筑设计防火规范 GBJ16 87 建筑灭火器配置设计规范 GBJ140 90 地表水环境质量标准 GB3838 2002 污水排入城市下水道水质标准 CJ3080 1999 污水综合排放标准 GB8978 1996 农田灌溉水质标准 GB5084 92 农用污泥中污染物控制标准 GB4284 84 污水再生利用设计规范 GB T50335 2002 室外排水设计规范 GBJ14 87 室外给水设计规范 GBJ13 86 工业企业噪音控制设计规范 GBJ87 85 工业企业厂界噪声标准 GB12348 90 建筑电气设计技术规范 JGJ16 83 建筑给水排水设计规范 GBJ15 88 26 可研一般包括内容 1 项目建设的必要性 2 根据城市 企业 的实际情况确定项目建设内容 3 确定给 废 水处理规模及处理程度 4 对给 废 水处理工艺进行技术论证 5 确定给 废 水处理建设用地及地址 6 给 废 水处理工程方案 7 环境和社会影响分析 环境保护 劳动保护 安全运行和节能措施 8 项目运行管理 9 项目实施计划与进度预测 10 投资估算与融资方案 11 财务评价 12 社会效益评价 27 第二章管网工程规划 3 给排水工程规划工作程序 自学 4 给水排水工程技术经济分析方法数学分析法 方案比较法a 静态法年计算费用缺点 投资偿还期确定困难 不能反映资金的时间价值 28 第二章管网工程规划 资金的时间价值 指资金在生产和流通过程中随着时间推移而产生的价值 参考书籍 给水排水工程技术经济实例分析与应用第二章 引起资金时间价值的原因 1 社会再生产角度而言 货币转化为资产后 经历一定时间生产和流通中产生的利润 2 从流通角度而言 消费者或出资者将资金用于投资致使消费推迟而应得到的必要补偿 资金时间价值的衡量尺度 利息和利润 通常采用利率表示 利息的计算分为单利法和复利法 29 第二章管网工程规划 资金的时间价值计算实例 有一笔5万元的借款 借期3年 年利率为8 试分别按照单利法和复利法计算到期的本利和 单利法 F P 1 ni 5 1 3 8 6 2万 复利法 F P 1 i n 5 1 8 n 6 2986万 30 第二章管网工程规划 现值 P 表示在建设初期即0点上的资金价值 终值 F 表示投资偿还期期末的资金价值 复利法计算公式 1 当资金现值为P 年利率为i 则n年后的终值为 F P 1 i n 2 当资金终值为F 年利率为i 投资偿还期为n年 现值为 31 第二章管网工程规划 3 当资金现值为P 年利率为i 投资偿还期为n年内各年分摊资金现金为A 则各年分摊资金现值为 32 第二章管网工程规划 为保证资金现值P得到回收 则有 即 33 第二章管网工程规划 b 动态法年计算费用 34 第二章管网工程规划 计算实例 某给水项目建设投资5800万元 年运行费用为245万元 年 求1 投资偿还期为20年的静态年计算费用值 2 利率为5 5 还款期为20年的动态年计算费用值 35 第二章管网工程规划 计算实例 某废水处理项目工程建设总投资800万元 年运行费用为 43 8万元 年 求1 投资偿还期为10年的静态年计算费用值 2 利率为5 5 还款期为10年的动态年计算费用值 1 静态年计算费用值 2 动态年计算费用值 36 第二章管网工程规划 5 城市用水量预测 1 城市用水量包括项目 2 用水量变化的表示方法平均日用水量最高日用水量最高日平均时用水量最高时用水量 37 日变化系数时变化系数年变化系数 第二章管网工程规划 38 第二章管网工程规划 用水量变化曲线 39 第二章管网工程规划 时变化系数的计算Kh 5 83 24 100 1 40 40 第二章管网工程规划 6 用水量预测计算 城市 1 分类估算法 2 单位面积法 3 人均综合指标法 41 第二章管网工程规划 4 年递增率法Qa Q0 1 t 42 第二章管网工程规划 5 线性回归法Qa Q0 Q t 43 第二章管网工程规划 6 生长曲线法 44 第二章管网工程规划 城市用水量日变化系数 45 第二章管网工程规划 7 给水管网系统规划布置给水管网布置形式 图2 2树状网图2 3环状网 46 图2 4压力与重力相结合输水方式 3 第二章管网工程规划 输水管渠定线 47 8 排水管网系统规划布置污水管网布置基本形式 第二章管网工程规划 平行式布置 48 第二章管网工程规划 正交式 污水管网布置基本形式 49 支管布置与定线 第二章管网工程规划 低边式布置 50 支管布置与定线 第二章管网工程规划 围坊式穿坊式 51 经济分析方法水量变化表示方法用水量预测计算方法 本章重点 52 第三章管网水力学 1 管网水流特征流态特征 层流 紊流 过渡流 紊流流态分为阻力平方区 过渡区以及水力光滑区 管径大小和管壁粗糙度 水流基本处于紊流过渡区和阻力平方区 故取值在1 75 2之间 53 恒定流与非恒定流给排水管网中水的流态不可能为恒定流 但是设计中按照恒定流进行计算 第三章管网水力学 54 均匀流与非均匀流管网中水的流态也不可能为均匀流 但当管道截面在一定距离内不发生变化和转弯时可认为是均匀流 当管道局部出现三通 转弯或变径时则为非均匀流 第三章管网水力学 55 压力流与重力流 断面形状 水头 位置水头 压力水头 流速水头组成势能和动能 水头损失 沿程阻力 沿程水头损失 局部阻力 局部水头损失 第三章管网水力学 56 第三章管网水力学 2 管渠水头损失计算分为沿程水头损失和局部水头损失计算沿程水头损失可采用谢才公式或采用达西公式 局部水头损失计算采用公式 57 第三章管网水力学 3 谢才公式与达西公式比较谢才公式达西公式 注意谢才公式与达西公式的应用范围 58 第三章管网水力学 4 谢才系数或沿程阻力系数的求解谢才系数或沿程阻力系数的求解可选择舍维列夫公式 原苏联 海曾 威廉公式 德国 科尔波洛克 怀特公式 英国 巴甫洛夫斯基公式 原苏联 或曼宁公式 英国 59 第三章管网水力学 5 局阻与沿程水头损失的指数形式沿程水头损失的指数形式局阻水头损失公式的指数形式管道水头损失的指数形式 60 第三章管网水力学 6 局阻与沿程阻力的关系局阻一般只占沿程阻力的5 以内 可以忽略不计 61 例题 某管道直径为700mm 长度为800m 海曾 威廉姆粗糙系数为105 管道上有90度弯头2个 直流三通6个 全开闸阀2个 输水流量为480L s 计算沿程水头损失和局部水头损失并计算局阻与沿程阻力之比 62 分析 本题已知流量可以确定流速 已知粗糙系数可求沿程阻力系数 已知上述两项可求沿程水头损失局阻系数已知可求局阻水头损失 63 计算过程 1 q 480L s D 700mm 0 7m 则v 1 248m s 2 3 0 9 2 0 1 6 0 19 2 2 784 5 0 22 2 25 0 10 64 第三章管网水力学 7 非满管流管渠水力计算公式7 1采用数学分析方法求解非满管流的过水断面积A 然后求解水力半径R 7 2谢才公式与曼宁公式的组合流速公式流量公式 65 第三章管网水力学 8 非满管流计算公式的简化与水力计算方法8 1计算公式的简化水力计算图表等比例简化8 2计算方法已知公式中的三项求解其余两项 66 第三章管网水力学 9 水力等效简化原则 等效后管网与原系统具有相同的水力特性 9 1串联管道的简化 L l1 d1 l2 d2 lN dN 串联管道 67 第三章管网水力学 9 1串联管道的简化 当串联管段管径相同时呢 68 第三章管网水力学 9 2并联管道的简化 d1 q1 d2 q2 dN qN d q 并联管道 69 第三章管网水力学 9 2并联管道的简化 当并联管段管径相同时呢 例题 70 第三章管网水力学 9 3沿线均匀出流的简化 x l ql 71 第三章管网水力学 简化思路假定沿线出水均匀 实际呢 把沿线流量折算为起端与末端流量 与实际是否相符 由两项假定推导出如下公式 72 第三章管网水力学 令n 2 转输系数 qt ql 则 对上式进行等价变换 即 0时 时 0 5 73 第三章管网水力学 9 4局部水头损失计算的简化说明 简化为需要的计算管径 例题 74 第三章管网水力学 10 水泵 75 第三章管网水力学 76 第三章管网水力学 77 第三章管网水力学 78 第三章管网水力学 某S型水泵性能曲线 H 79 第三章管网水力学 10 1工频泵水力特性公式 最小二乘法拟合分析 80 第三章管网水力学 10 2调速泵水力特性公式 水泵静扬程与转速有关 而水泵内阻保持不变 81 第三章管网水力学 10 3考虑吸 压水管路的水泵水力特性公式 Q 82 第三章管网水力学 10 4泵站水力特性公式 同型号水泵并联水力特性公式 同型号水泵并联 每台泵流量相同 等效为一台泵即为泵站水力特性曲线 假定泵站中有n台同型号水泵并联 每台泵水力特性曲线为 当不计管路水头损失时 则有如下流量与扬程对应关系 见下表 83 第三章管网水力学 得同型号水泵并联水力特性公式 84 第三章管网水力学 不同型号水泵泵站水力特性曲线 由于型号不同 故工作流量不等 采用最小二乘法进行计算确定方法 1 从水泵样本中查出其水力特性曲线公式 确定每台泵高效扬程段进而确定共同高效扬程段 2 确定若干高效扬程段中的扬程 根据特性曲线求出流量 3 根据扬程 流量采用最小二乘法进行计算he sp 水泵串联特性曲线 85 作业 P65 第2 5 6题 86 第三章管网水力学 问题 进行管段均匀出流简化时 把管道划分为若干较短小管道时 能否减小计算误差 未确定管径时能否进行局阻等效简化 多台水泵并联工作 泵站静扬程会否受到影响 求泵站水力特性曲线时 若不按照高效段进行计算将会出现何问题 87 第三章管网水力学 本节重点1 水力等效简化原则 方法 并联 串联 2 沿线均匀出流的简化计算 方法 系数 3 计算泵站水力特性曲线 同型号 不同型号 注意 最小二乘法公式不一定背过 但等效简化公式一定要记住 88 第四章管网模型化 1模型化手段 简化与抽象 简化 忽略比较次要给排水设施 分析与计算集中于主要对象 抽象 忽略分析处理对象的具体水力特性 将其视为模型元素 只考虑拓扑关系与水力特性 89 第四章管网模型化 1 1简化简化原则 宏观等效与小误差 管线简化措施 删除次要管线 保留主要管路 管线交叉点较近 可合并 可将全开阀门删除 从全闭阀门处断开 管材不同或管线并联 可采用水力等效原则等效为同一管材或单管道 尽量将大系统拆分为若干小系统 附属设施简化措施 删除对全局水力特性影响小的设施 合并同一位置的多个相同设施 90 第四章管网模型化 1 2抽象抽象的结果 管段与节点 管段 只能输送流量而不允许改变流量 但可改变水的能量 存在大流量处断开 管段较长应分成若干管段 节点 管线交叉处 端点或大流量进出点 只能能量不能改变能量 但存在流量的变化 91 第四章管网模型化 管段与节点属性 构造属性 拓扑属性 管段与节点关联关系 与水力属性 表征管段与节点的水力特征 管段构造属性 长度即管长 直径即管径 粗糙系数 管段拓扑属性 管段方向 起端节点即起点 终端节点即终点 管段水力属性 管段流量为矢量 管段流速为矢量 管段扬程为矢量 管段摩阻 管段压降 节点构造属性 节点高程 节点位置 节点拓扑属性 与节点关联的管段及其方向 节点的度 节点水力属性 节点流量 节点水头 自由水头 针对有压流 92 第四章管网模型化 1 3模型标识节点与管段编号 管段可 1 2 等 节点可 1 2 等 设定管段方向 原因存在矢量 设定节点流量方向 流入为负 流出为正 93 第四章管网模型化 2管网模型的拓扑特性拓扑特性用于描述节点与管段的关联关系 2 1图管网模型略去构造与水力特性后 仅考虑节点与管段之间的关联关系时即为管网图 图即关系或联系 图的表示方法 几何表示法和集合表示法 集合表示时可采用管段集合 节点集合 节点集合与管段集合构成管网图G V E 节点数N G 管段数M G 94 第四章管网模型化 2 2有向图在管网图中 关联任意管段的两个节点是有序的 为表明管段方向 表示管段时由起点指向终点 也可采用各管段的起点集合和终点集合表示管网图 95 第四章管网模型化 2 3管网图的连通性连通图 从图的任意两个顶点均通过一系列边及顶点相连通 即从一个顶点出发 经过相关联的边和顶点可到达其余任一顶点 非连通图可分为若干相互连通部分 96 第四章管网模型化 2 4管网图的可平面图性一图若可把其画在平面上同时任意两条边均不相交 图为可平面图 管网图一般均为可平面图 一般在采用几何表示时 均画成平面图 对于一连通且画在平面上的管网图 管段数 节点数 环数遵循下述关系 M N L 1 97 第四章管网模型化 2 5节点的度关联数 对应管段 2 6关联集记为S v 括号中的数量对应此节点的度 2 7割集分离管段或节点所需切断的管段的集合 98 第四章管网模型化 2 8路径从一节点到达另一节点时通过的不重复的管段名称的集合 2 9回路从一节点出发经过若干不重复的管段后又回到此节点的管段名称集合 回路即管网中的环 99 第四章管网模型化 2 10树定义 无回路且连通 性质 唯一性 任意节点之间存在且存在唯一的路径 删除任一管段造成管网图的非连通性 扩充性 任两个不同节点加上一条管段均组成回路 树的节点数与树枝数 管段数 之间关系为 N M 1 100 第四章管网模型化 2 11生成树对环而言 删除与其环数相对应的管段数量后组成的图即生成树 生成树和树具有相同的性质 这也表明树在适当部位添加一定的管段后组成环 增加的管段数即环数 101 第四章管网模型化 3管网模型的水力特性指管网模型中节点和管段传递 输送流量和能量的特性 理论依据为质量守恒和能量守恒 102 第四章管网模型化 3 1节点流量方程依据质量守恒得到流入节点流量之和与流出节点的流量之和相等 即 103 第四章管网模型化 104 第四章管网模型化 3 2管段能量方程管段两端节点水头之差应该等于该管段压降 非水头损失 HFi HTi hii 1 2 3 M 105 第四章管网模型化 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 Q1 Q2 Q5 Q6 Q7 Q4 Q3 q1 q2 q3 q4 q5 q6 q7 q8 h1 h2 h3 h4 h5 h6 h7 h8 106 第四章管网模型化 3 3恒定流基本方程组 107 第四章管网模型化 问题 管段流量与节点流量能否为负值 若为负值代表什么意义 环的能量具有什么特点 流量具有什么特点 108 第四章管网模型化 本章重点管段 节点路径与回路树节点流量方程与管段能量方程 109 第五章给水管网水力分析 1 给水管网水力分析的参数流量与水头 当管段特性已知且处于恒定流状态时 流量与水头关系可通过恒定流方程组解得 110 第五章给水管网水力分析 2 水力分析的前提条件2 1已知各管段的水力特性即确定管段流量与水头损失之间的关系 111 第五章给水管网水力分析 112 第五章给水管网水力分析 2 2节点流量与节点水头必须一个已知一个未知 113 第五章给水管网水力分析 2 3必须至少存在一个定压节点方程数和未知量相等只是方程组可解的必要条件而非充分条件 作为充分条件 要求管网中必须至少有一个定压节点 若管网中无定压节点 方程组无确定解 114 第五章给水管网水力分析 3恒定流基本方程组的线性变换3 1节点流量连续性方程组的变换大节点概念 关联 割集的方式 下面例题 115 第五章给水管网水力分析 116 第五章给水管网水力分析 针对每个节点可写出节点流量连续性方程 117 第五章给水管网水力分析 由大环以及割集概念写出流量连续性方程 118 第五章给水管网水力分析 整个管网作为割集 节点8的割集 节点6的割集 节点5的割集 节点4的割集 节点3 6 8的割集 节点2 3 5 6 8的割集 节点1 2 3 4 5 6 8的割集 119 第五章给水管网水力分析 写出割集的连续性方程的意义何在 方程中只包含一个管段流量与若干个节点流量 若节点流量已知 可直接求得管段流量 大家分析一下 如下图所示的割集有何意义 120 第五章给水管网水力分析 121 第五章给水管网水力分析 问题所举例子为单定压节点 树状网 一个水源供水 可直接通过流量连续性方程组求解 针对多定压节点也能够列出流量连续性方程组 但很难直接求出定压节点流量 树状网 单定压节点环状网 能够得到定压节点流量 但无法列出直接求解管段流量的连续性方程组 多定压节点环状网 既不能直接求出定压节点流量 也不能列出直接求解管段流量的连续性方程组 122 第五章给水管网水力分析 3 2管段能量守恒方程组的变换将一些相关联的管段首尾相连 形成一条路径 把其能量方程相加减可导出路径能量方程 见下图 123 第五章给水管网水力分析 124 第五章给水管网水力分析 计算定压节点7到定压节点8的压降 这也说明压降方向由7到8 与此方向相同的流向或压降为正值 反之为负值 得 当起点和终点重合时 路径能量方程的形式如何呢 由上图 计算回路 1 2 5 4 的能量方程 分析得到 假定起点为 1 流过管段 2 6 8 5 后回到 1 则路径能量方程为 我们定的水流方向为依次经过 2 6 8 5 若水流方向依次通过 5 8 6 2 呢 路径能量方程如何表示 125 第五章给水管网水力分析 上式也表明对于一个回路即管网系统中的环而言 其能量方程恒为零 环能量方程 我们的上例只存在两个基本环 故能够写出两个环能量方程 若确定环中各节点或各管段流量依旧不能确定多定压节点流量 例子为两个定压节点 如何进行处理呢 工程上提出了虚环的概念 126 第五章给水管网水力分析 虚环存在如下假设 在管网中增加一个虚节点编号为0 叫做虚定压节点 其流量为整个管网系统用水量 压力即水头恒为0 在虚节点与各定压节点之间连接叫做虚管段 虚管段提供各定压节点所需水头与水量 但其本身无压降 各定压节点的节点流量定为0 但节点水头改为未知量 管网成为单定压节点管网 127 第五章给水管网水力分析 Q0 H0 0 0 11 10 q10 Q7 q11 Q8 128 第五章给水管网水力分析 管网简化为单定压节点管网 于是不需列出定压节点之间的能量方程 上述管网增加一个回路 需要多列一个环能量方程 如下 其实 从本质上来讲 虚环能量方程表示的依旧为定压节点能量方程 129 第五章给水管网水力分析 将多定压节点管网采用虚节点统一为单定压节点管网后 管网的环数增加R 1个 假定存在R个定压节点 每一环对应一环方程 则环方程数量为L R 1个 得出环方程 把管段方程表达式带入可进行水力计算 130 第五章给水管网水力分析 4恒定流方程组的求解方法销元与迭代两种手段减少未知量数目和逼近最终解 求解恒定流方程组一般常用的为解环方程和解节点方程 131 第五章给水管网水力分析 4 1解环方程解环方程一般针对单定压节点管网 多定压节点管网如何求解 解环方程的方法为首先使得管网满足流量连续性方程 然后通过计算满足能量方程 计算步骤 先满足流量连续性方程 需要确定管段流量 依据为流量连续性方程 即进行管段流量初分配 根据各管段流量 计算各管段水头损失 然后根据回路即环能量为零的原则判断其是否满足要求 第一次分配不能满足如何进行处理 132 第五章给水管网水力分析 环流量环流量即沿某一固定方向给管网中的某一环施加的相同流量 环流量在节点流入与流出的量相等 未改变流量连续性 但由于环流量的施加却改变了各管段的水头损失 环流量的施加原则是使得环能量满足为0的条件 这也是管网平差的控制原则 一般规定环流量顺时针为正 逆时针为负 133 第五章给水管网水力分析 4 2解节点方程工作顺序与解环方程相反 先使得各环满足能量方程 然后再设法满足流量连续性方程 方法为先对于各节点的水头进行初拟 然后根据压降确定各管段流量 判断各节点是否满足流量连续性方程 134 第五章给水管网水力分析 4 3对于上述两种方法的评价应用范围 环方程一般为单定压节点管网 而节点方程不受限制 复杂程度 一般而言 解环方程未知量较少 而节点方程未知量较多 在手工计算时一般采用解环方程 采用机算时两种方法均可采用 135 第五章给水管网水力分析 5例题 树状网计算 管段流量的计算采用逆推法 节点水头的计算采用顺推法 树状网为典型的单水源单定压节点管网系统 136 第五章给水管网水力分析 问题 为何回路即环的能量为0 节点流量也应该为0 多定压节点管网提出虚环或虚节点的概念有何意义 解环方程和解节点方程的不同在何处 你认为解节点方程或解环方程有没有简便方法 137 第五章给水管网水力分析 本节重点割集的概念在流量连续性方程简化时的应用环流量与环能量虚环解环方程与解节点方程的方法 138 第五章给水管网水力分析 6解环方程水力分析方法6 1管段水力特性的线性化管段水力特性公式表明管段流量与压降遵循下述关系 是线性关系吗 因而管段水力特性线性化可使得恒定流方程组线性化 139 第五章给水管网水力分析 在分析过程中 我们已经得出需要先初拟管段流量的结论 即给定每个管段一个流量值 在给定的流量值上对式子进行微分可得下述关系 由于函数为连续的 原因 在管段给定工况点 qi 0 hi 0 附近 管段水力特性采用该点切线表示 140 第五章给水管网水力分析 误差大小 141 第五章给水管网水力分析 6 2环能量方程组的线性化根据前面已经讲过的内容可知 初拟管段流量满足流量连续性方程 对于每一环的所有管段同时施加同一流量不会改变其连续性 但可改变环的能量 这也表明环流量为改变环能量的唯一变量 我们通过施加不同的环流量使环能量方程组得以满足要求 因此环能量方程组在初拟管段流量的前提下可采用下式表示 针对上式的理解采用以下所示管网来解释 142 第五章给水管网水力分析 143 第五章给水管网水力分析 我们已经将环能量方程组线性化 下面要讨论的问题就是如何对其进行求解 解上述线性方程的基本思路为 在给定初分管段流量下 在环流量初值点处 采用线性切面函数替代环水头函数 采用Taylor公式在初值点处展开 忽略高次项 只保留线性项 得线性方程组 144 第五章给水管网水力分析 式 145 第五章给水管网水力分析 初拟管段流量处各环的闭合差如下所示 hk 将式 表示为矩阵形式为 系数矩阵为 146 第五章给水管网水力分析 而 147 第五章给水管网水力分析 再写一组8个环的 148 第五章给水管网水力分析 本节重点管段水力特性的线性化方法环能量方程组的线性化方法从方程组到矩阵方程组的转化 149 第五章给水管网水力分析 问题在何条件下管段水力特性的线性化过程较符合实际 引起的误差较小 非线性方程组的解法对于方程组的解产生何影响 你能否想出较佳的此非线性方程组的解法 能够较快得出实际结果 150 第五章给水管网水力分析 6 3牛顿 拉夫森法直接求解线性方程组并通过迭代逐步逼近环能量满足为零的条件 步骤为 一初拟各管段流量并给定环水头的最大允许闭合差值 二计算各环水头闭合差三判断各环水头闭合差是否满足小于最大允许闭合差条件 满足计算各管段水力参数 否则进行下面工作 四继续计算矩阵系数五根据公式计算各环环流量六将环流量施加到环内所有管段 得到新的流量重新计算各环闭合差看其能否满足闭合差要求 否则继续计算 七计算管段压降 流速 节点水头 计算节点自由水头 151 第五章给水管网水力分析 前面讲过 首先对各管段进行流量初分配 各节点应该满足质量守恒 我们需要验证其能否满足 这也是将来进行管网设计时的第一步 节点2 89 90 89 90 179 8 0 3 4 6 7也均能满足 那么 节点8呢 这说明 我们用来计算的管网首先已经满足了流量连续性方程 在计算中需要满足的第一个 下面要做的工作是使其满足环能量为零 152 第一步 根据数据计算管段参数 包括管段阻力系数s 管段压降h 管段阻尼系数z 要求采用海曾 威廉姆公式计算 则 水头损失 阻尼系数 153 计算管段水力参数如下表 154 上表已经计算出各管段水头损失 则判断环闭合差 如下 环1 5 2 6 8组成 闭合差为 4 668754 2 745204 1 698341 2 37029 3 345327 环2 3 7 9 6组成 闭合差为 0 205301 1 450033 3 517173 2 745204 4 60704 计算结果表明 环闭合差均不能满足要求 需要进行环流量修正 155 环1闭合差为3 345327 环2闭合差为 4 60704 156 解此方程组可得 q1 0 008445 q2 0 002004 把环流量施加于各环 则可得各管段新流量 如下表 157 已经计算出各管段的新流量 根据新流量计算管段水力参数如下表 重新计算各环闭合差 则 环1闭合差为0 213131 环2闭合差为 0 659550 158 闭合差仍不能满足要求 继续构建系数矩阵 系数矩阵为 可得线性方程组 求解每一环应该施加的环流量 解此方程组可得 q1 0 0048495 q2 0 0005221 159 根据第二次施加的环流量计算各环闭合差 如下表 重新计算各环闭合差 则 环1闭合差为0 0022 环2闭合差为 0 03348 这说明 各环水头已经满足要求 平差过程已经完成 160 已经得出各管段流量 则根据满管流 均匀流以及连续流的假定来计算各计算管段流速 如下表所示 161 计算节点水头与自由水压 如下表 162 第五章给水管网水力分析 上述例题只求解两个环的情况 若环比较多的时候呢 比如四个环 如何列方程组 上述解法为牛顿 拉夫森法 下面看看哈代 克罗斯法如何求解 163 第五章给水管网水力分析 6 4哈代 克罗斯法采用牛顿 拉夫森法求解环流量 所需要求解的方程数量与环数量相等 当环的数量相当大尤其是共用管段较多时 方程组的求解也相当困难 为此 哈代 克罗斯提出了修正的水头平差法 它的解法与牛顿 拉夫森法相同 不同的是此解法忽略邻环的影响 只考虑本环 他认为邻环对于本环的流量影响相对较小 可在计算过程中忽略不计 这种方法导致的后果是收敛速度较慢 与牛顿 拉夫森法相比 但仍然是工程上的常用方法 164 第五章给水管网水力分析 牛顿拉夫森法在计算过程中 所采用的系数矩阵为 由于哈代 克罗斯法认为邻环影响极小 故公共管段的系数依旧为0 则 165 根据哈代 克罗斯法的思路 我们可以把公式大幅度简化 如下图所示计算环流量可写成如下所示 哈代 克罗斯平差公式可以适应环数较多的情况 就算是存在不可想象的数量 依旧计算十分简单 下面仍旧以上述例题为例来讲解 平差公式为 166 第一步仍旧首先计算各管段水力参数 如同牛顿 拉夫森法 167 环1闭合差为3 345327 环2闭合差为 4 60704 系数矩阵为 可得线性方程组 求解每一环应该施加的环流量 168 解此方程组得 q1 0 008445 q2 0 002004 牛顿 拉夫森法 q1 0 0093195 q2 0 0028116 哈代 克罗斯法 把修正流量带入各管段 如下表所示 169 已经计算出各管段的新流量 根据新流量计算管段水力参数如下表 重新计算各环闭合差 则 环1闭合差为 0 1501 环2闭合差为0 2933 170 闭合差仍不能满足要求 继续平差 根据上述公式得到 q1 h z2 6 5 8之和 0 0004821 q2 0 0003044 哈代 克罗斯法 把流量进行校正 依旧计算闭合差 看其能否满足要求 最终闭合差为环1 0 033 环2为 0 063 而经过两次平差后 牛 拉法的最终闭合差为环1 0 0022 环2为 0 03348 171 第五章给水管网水力分析 两种方法的对比表明 在手工计算过程中哈代 克罗斯法能够简化计算 从数据中也可看出 其逼近最佳结果的速度要小于牛顿 拉夫森法 两种方法不存在优劣之分 可根据自己的情况适当采用 172 第五章给水管网水力分析 要求掌握牛顿 拉夫森法的计算过程与方法 掌握哈代 克罗斯法的计算过程与思路 了解哈代 克罗斯法与牛顿 拉夫森法的不同 173 第五章给水管网水力分析 哈代 克罗斯法的改进1 整个管网闭合差总和恒为零 2 平差过程是闭合差在管网中传递与相互抵消的过程 3 改进平差算法的措施 1 各环同时平差改为每次只平差一个环 2 优先平差闭合差较大的一个或几个环 3 改环平差为若干小环组成的大环平差 环组合的原则为各小环闭合差方向相同 174 第五章给水管网水力分析 7节点方程组解法解节点方程是在假定水压的条件下 应用连续性方程以及流量和水头损失的关系 通过计算调整 求出每一节点的水压 节点的水压已知后 即可从任一管段两端节点的水压差得出该管段的水头损失 进一步从流量与水头损失之间的关系计算出管段流量 再使得管网满足流量连续性方程 手工计算一般进行环方程平差 机算一般采用解节点方程组的方法 节点方程组一般平差速度较快 较精确 175 第五章给水管网水力分析 7 1解节点方程的步骤应用节点之间的压差关系即水头关系确定各节点的初分配节点压力 根据各节点水头确定各管段所允许的水头损失 根据水头损失与流量关系确定各相应管段的管段流量 计算各节点是否满足流量连续性方程 满足流量连续性方程 说明各节点水头初分配合理 否则 改变节点水头 继续进行上述工作 直至各环满足流量连续性方程 176 第五章给水管网水力分析 7 2水力特性的线性化 h q 管段水力特性的线性化 平差环方程 qi 0 qi 0 dqi hi 0 hi 0 dhi siqin h q hi 0 hi 0 dHk qi 0 qi 0 dqi 误差 管段水力特性的线性化 平差水头方程 177 第五章给水管网水力分析 和阻尼系数相似 所采用的线性系数即在初分水头点的直线斜率 由于 得 即 代入 得 也可由 得 178 第五章给水管网水力分析 如同解环方程 解节点方程组相似其方法 首先进行线性化 得到系数矩阵如下所示 179 第五章给水管网水力分析 上述解法依旧属于牛顿 拉夫森法 若忽略邻节点的影响 平差公式如下所示 j 1 2 3 N 180 第五章给水管网水力分析 平差步骤与平差环方程一致 只是流量与水头相互调换 181 第五章给水管网水力分析 7 3实例以下图所示管网为例讲解 列节点的连续性方程 取n 2 代入方程组 如下 182 第五章给水管网水力分析 183 解节点方程组与解环方程组的对比 步骤的一致性 计算过程的繁琐性 节点方程组未忽略相邻节点的影响 而环方程忽略相邻环的影响故收敛速度节点方程组快于环方程组 手算采用哈代 克罗斯法时 节点方程组解法不能合并几个节点计算 但可优先平差闭合差较大的节点 计算公式均可采用技巧记忆 184 第五章给水管网水力分析 P101例题 哈代 克罗斯法环方程平差 单定压节点 P105例题 哈代 克罗斯法环方程平差 多定压节点 首先设置虚节点 然后设置虚管段 185 例题的算法 p115 3 节点水头为20m时各水塔供水量与用户用水量 CW已知 可得出s k 10 67 CW1 852 m 4 87 s kl Dm 根据s可得出各管段水量即水塔供水量 需要节点水头为20m 若再小或直至为23 7m呢 当用户用水量为多少时 一座水塔进水 一座水塔供水 另外一座不供不进 解答此问题不需要平差概念 一座高度为25 5m即供水压力 一座为23 7m 另外一座为28 3m 用户用水量是与用户需要水压相关联的 用户需要的水压直接决定各座水塔的供水量 186 当用户用水水压为0m时 各座水塔都供水 且都达到最大流量 随着所需要的水头的增加 各水塔供水量都在减少 当用水水头为其中最低供水压力的水塔压力时 此水塔就不会供水 比如达到23 70m时 水塔2不会供水 但水量也不会由其它水塔进入水塔2 此时管段2的流速为0 达到平衡 当需水压力接着提高 直至大于23 70但小于25 50m时 水塔1和3同时供水 但水塔2成为用户 水流在管段2中反向流动 再接着提高用户水压 直至为25 50m时 管段1又达到一平衡 只由水塔3同时提供用户和水塔水量 当需水压力接着提高 大于25 50m但小于28 30m时 仍然只有水塔3供水 但管段1和2都会存在转输流量 当需水压力为28 30m或以上时 用户就无水可用了 由以上分析可知 当用户用水水头为25 50m时 满足题设条件 可计算相应流量 问题一 当用户用水量为多少时 三座水塔同时供水 问题二 当用户用水量为多少时 两座水塔供水 问题三 当用户用水量为多少时 只有一座水塔供水 187 用水量为50L s时 求解节点 4 的水头 进行节点流量平差 请问不采用平差方法能否求解 方法一 不平差 可先赋予节点 4 一水头H 则可确定管段流量 可解下述方程组 上述方程组中有四个变量 四个方程 可通过数学方法求解 由于此问题的特殊性 可不平差求解 若节点多时 肯定只能采用平差法简单许多 188 方法二 哈代 克罗斯法平差 由于水塔同为供水水源节点 故需要设置一虚节点 由虚节点提供水量 水源节点提供水头 原管网如下所示 189 对流量进行初分配 根据初分配流量列环方程 解环方程 根据平差公式计算施加的环流量 根据所施加的环流量再计算环能量 当环能量满足精度要求 即可停止计算 上述平差方法为环方程组求解方法 本题能否采用解节点方程组的方法进行求解呢 针对本题而言 采用节点方程组求解方法更简便 190 方法三 解节点方程组 哈代 克罗斯法赋予节点 4 一初始水头值 赋值时有要求吗 根据赋予的节点水头 求解每一管段的流量 可计算得到 再根据下述公式求解所应施加的节点能量 接续上述平差方法 直至达到要求 191 第六章给水管网工程设计 设计内容 设计用水量 水量调节以及设计流量计算 管段直径确定 设计工况水力分析 泵站扬程与水塔高度 可无 水力校核 最大转输 消防 事故 绘制管道施工图 管径 埋深 192 1最高日用水量计算包括项目如下 1 居民生活用水量 2 工业企业生活用水及其生产用水 3 消防用水 4 其它用水包括绿化 浇洒道路 公共设施用水 5 未预见水量及管网漏损 15 25 水量单位转换为L s 消防用水并非计算在最高日用水量中 而是转存在清水池中 第六章给水管网工程设计 193 第六章给水管网工程设计 工业用水计算指标万元产值用水量和单位产品用水量 194 第六章给水管网工程设计 2用水量变化及其调节根据所需指标计算出管网总设计供水量 由于用水变化的影响 二级提升泵站不可能实时满足管网用户的需求 可看下图 195 第六章给水管网工程设计 由于供水泵站很难实时满足用户需求 所以在管网系统中需要设置水量调节设施 水量调节构筑物包括清水池 高位水池 水塔等 供水流程为一级泵站均匀吸水通过供水管路送入给水处理厂 给水处理完毕存入清水池 二级提升泵站从清水池吸水进入供水管网 这又分为两种情况 1 无水塔时2 有水塔时 196 第六章给水管网工程设计 但不管何种情况都应满足下述设计原则 1 设计用水量与供水量相等 2 多水源供水可不设计水塔或高位水池 3 单水源供水管网考虑设置水塔与不设置水塔 不设置为最高时流量 设置水塔具体应考虑如下问题 1 泵站运行一般分为两级 不超过三级 2 分级应尽量接近用水曲线 3 水泵机组合理搭配 4 24小时供水量之和应为最大日用水量 197 第六章给水管网工程设计 由上述问题进行分析可知 1 多水源管网系统可不设水塔 2 当管网中不设水塔时 一般为用水量较大的城市 为保证供水安全性 泵站实时供水量应与管网用水量相等 3 当管网中设置水塔时 一般为用水量变化系数较大的城镇或城市 泵站供水量可与管网用水量不必实时相等 多余或欠缺部分由水塔调节 4 不设水塔时 虽然应该实时相等 但泵站设计应该按照最高时计算 5 水塔或高位水池为调节构筑物 调节能力不因受到设置位置而受到影响 198 第六章给水管网工程设计 调节构筑物容积的计算上面已经讲过 由于每天中用水量的不均衡性导致二级提升泵站不可能均匀供水 需要对泵站进行供水分级 一般分为两级 当然 分级越多 供水越接近于用户实际用水量 但泵的种类或型号会偏多 造成管理相当复杂 我们在设计时只要是需要分级一般可直接分为两级 下面以原图为例进行说明 199 上图表明 用水量存在高峰和低谷 若实时满足用户用水量 需要设置很多种型号水泵 根据我们的设计原则 当不设水塔时 泵站供水能力应该和最高时用水量相等 即为0 0583Q 200 当设水塔时 需要对用水量进行分级 现在分为两级 见上图 第一级 晚上23点至凌晨6点共8小时 供水量取为2 5 第二级 早上7点至晚上22点共16小时 则供水量为 100 2 5 8 16 100 5 201 第一级供水量为2 5 第二级供水量为5 则供水泵站供水设计流量为0 05Q 由水塔或高位水池的供水设计流量为 0 0583 0 05 Q 在管网用水量较小时 进入水塔或高位水池的最大转输流量为 0 05 0 0447 Q 202 第六章给水管网工程设计 清水池和水塔设计容积的确定清水池贮存调节流量 还存放消防用水量 给水系统自用水量和安全储备水量 无资料时 可按照最大日用水量的10 20 设计 清水池设计两个 若一个要考虑分格 水塔贮存调节水量以及室内消防水量 若无资料时可按照最大日用水量的2 5 3 5 6 设计 203 第六章给水管网工程设计 3节点设计流量分配计算我们能够计算出整个管网系统的用水量 但是还未把流量折算到具体的元素中去 所以仍无法进行管网设计 为了进行每一设计管段流量的计算 我们把管网系统中的用户定义为两类 一类为集中用户 比如工厂 企事业单位等 即集中流量 另一类为分散用水户 即从管段沿线取水且用水量较小 即沿线流量 204 第六章给水管网工程设计 下面要做的工作就是如何把总用水量转变为节点或管段流量 上面已讲 集中流量所在地必须设置节点 则集中流量很容易转变为节点用水量 剩下要做的工作就是如何把沿线流量转变为节点用水量 沿线流量的计算一般存在两种方法 一为把沿线流量均匀的分配到管段配水长度上去 另一为把沿线流量均匀的分配到管段的供水面积上去 前者叫作以管段配水长度计算的比流量 后者叫作以管段供水面积计算的比流量 205 第六章给水管网工程设计 需要说明的问题在于管段配水长度和管段的实际长度并不一定完全相同 只有当管段两侧均向用户供水时才相同 管段供水面积的确定也存在此问题 若某一管段供水密度较大可相应的加大其计算面积 可大于其实际面积 当供水密度较小时可适当减小 206 第六章给水管网工程设计 根据上面的论述 我们可以根据比流量确定沿线流量 但沿线流量依旧无法进行求解管径 在第3章中我们已经得知沿线流量可以平均分配到管段两端的节点 作为节点用水量 把节点用水量完全相加看其是否与供水量相等 现在就完成了从管网设计流量到节点用水量的计算 教材P128例题 207 第六章给水管网工程设计 4管段流量分配计算解得管网中各节点流量依旧无法进行