常见管道系统水锤与防护

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HardyCross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HardyCross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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||)(:AAApApQRQQQBHHC||)(:BBBpBpQRQQQBHHC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。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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•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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）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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双竖井日字型内外分区配水单竖井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-5-3-1135791113150200400600800管线实际长度管线高程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-4-2024681002004006008001000图2-1循环水系统管线纵剖图管线实际长度（m）管线高程(m)（13.4，0.25）（772.844，0.25）（800，9）（820，-3.2）（980，-3.2）(9,2.45)(809,1.5)计算简图开式循环水管道系统的简化L=36DN3200L=20DN3200L=84D=320090*1R2000L=23D=200090*1R2000L=27D=2000L=48D=338690*2R7500L=147D=3386L=566D=338690*1R219060*1L=58D=169260*1L=71D=1692L=7D=3386L=21D=3386L=20D=1692L1000DN55005.74.84.4外海潮位-6.95-3.813.513.5-5.6-3.8-6.5-6.5-5.6-3.6BCVQ=24.31-0.45-2.851.3L=16.377n=49512hf=5.8mQ=47.5m3/s?22.225*0.5mm-2.85-0.45热水回流井虹吸井循环排水管＊2循环进水管＊2前池-2.62-0.672.37-7.45L=DN3200L=84D=3200L=26.5L=30.5L=55L=147L=56660*1L=58L=71L=21L=20L10004.8L=16.377hf=5.8m4.4-2.62-0.672.37外海潮位虹吸井热水回流井-6.95-7.45-3.813.513.5-5.6-3.8-6.5-6.5-5.61.31.3-3.6-2.85+0.846-2.85+0.846-0.450.91-2.12-4.07BCVQ=24.31前池循环进水管循环排水管-0.45引水隧洞12345678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％。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)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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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最高处：长期汽化状态30公里，31个节点较低处：初始振荡，正压状态停泵后计算结果长距离输油系统并、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、刚性水锤计算断流措施传统断流措施H内湖H外江真空破坏阀轴流泵进水流道虹吸式出水流道流道阻力大、门体易损坏、系统难维护1、拍门断流方式:H内湖H外江H内湖H外江快速闸门启动困难、停机有时难落位、投资大2、快速闸门断流方式:效率低、费时费力费资金、十分危险H内湖H外江3、人工封堵流道方式:压缩空气断流方法发明技术H内湖H外江压缩空气段超驼峰水深超驼峰水深注入压缩空气活页闸门快速断流方法H内湖H外江超驼峰水深与活页式快速闸门联合运用的实施例排气H内湖H外江超驼峰水深H内湖H外江超驼峰水深与活页式快速闸门联合运用的实施例大型排水泵站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PIPENET软件的应用课程考查：试卷，结合自己专业题目编程计算