關于常見管道系統水錘與防護一城市供水管網復雜管系水錘與防護第2頁,共50頁，2024年2月25日，星期天城市供水管網供水管系：組成：管道、閥門、調壓室、水池（庫）、水泵等元件水錘計算：特征線法內外邊條：計算各個元件任一時刻的邊界條件和每一管道內計算斷面水頭和流量初條：特征線法計算管系恒定流動關鍵問題：管線信息圖、信息存儲方法需靈活簡單第3頁,共50頁，2024年2月25日，星期天城市供水管網——水錘計算一、定常系統的解（《瞬變流》11章）1、管網定常流求解形式（1）單回路平衡、單節點平衡（利用HardyCross法）（2）聯立的回路平衡（多回路方程聯立）（3）聯立的節點平衡（多節點方程聯立）2、計算模型對不到100根管子的小系統，利用HardyCross法——平差Todini和Pilati（1987）梯度法、Osiadacz（1987）牛頓環節點迭代法——如何替換迭代節點水壓上有所區別第4頁,共50頁，2024年2月25日，星期天EPANET計算模型EPANET采用Todini（1987）梯度法——基于節點水壓法的流量修正原則：事先假定的流量可能不滿足節點流量平衡——修正控制方程：節點水壓方程AH＝F、節點流量連續性方程（修正方程）AH＝F：A（N×N）雅可比矩陣H（N×1）未知節點水頭F（N×1）節點流量不平衡的修正系數計算方法：估算每個管段的初始流量（基于經濟V→Q，Qpump用設計值假設），誤差導致節點流量不平衡第5頁,共50頁，2024年2月25日，星期天用特征線法計算恒定流定常狀態下特征線方程第二項為零即可與特征線法統一管道水頭流量僅與常數和邊界條件有關，與B無關第6頁,共50頁，2024年2月25日，星期天城市供水管網——水錘計算二、索引（《瞬變流》11章）定義：一種整型數組，將系統的幾何形態和性能按特定數字型進行描述，使程序能夠有效的求解各種邊界條件。節點類型的明顯特征是：有任意數目的輸入和輸出管路，以及一個出流口或水庫編碼規則：（±節點編號；±管道數目；±管道1編號；±在節點處的管道1截面編號；±管道2編號；±在節點處的管道2截面編號……）→這個索引用來為帶有雙標號的流量和壓頭作標記；第7頁,共50頁，2024年2月25日，星期天城市供水管網——水錘計算二、索引——節點類型規則普通節點：節點＋，管道數目＋出口端Q(t)已知：節點＋，管道數目-水庫：節點－，管道數目＋閥門：節點－，管道數目－——只能進行簡單信息的存儲第8頁,共50頁，2024年2月25日，星期天城市供水管網大型復雜管網——拓撲學線性圖（有向圖）：節點、支路（標明支路參考方向）支節關聯或節支關聯數據結構（參考）節點類型：一維數組普通節點、恒壓節點、空氣閥、閥門或水嘴、水泵……節支關聯：四個一維數組：關聯支路編號、支路參考方向代號、與節點關聯的支路數、第一個關聯支路編號在編號數組中的位置——適合復雜管路！第9頁,共50頁，2024年2月25日，星期天二城市熱水供熱網第10頁,共50頁，2024年2月25日，星期天熱水供熱網背景：集中供熱系統系統：熱網依靠泵作為傳輸動力，閘門控制管路流量；循環管路工況：斷電、停泵、關閥、熱負荷變化事故：管道劇烈振動、保溫層脫落、補水箱和高位膨脹管大量冒水、毀壞設備管道、威脅系統安全發展趨勢：熱源單位熱容量增加，危險性增加大管徑、長距離的大規模增壓泵站系統大量調節閥、閘板閥增加了系統的復雜性第11頁,共50頁，2024年2月25日，星期天熱水供熱網誘發水錘的常見工況閥門的正常啟閉正常或事故停泵泵或閥門的機械故障一、二級系統流量不匹配，使二級水過熱，引起流量變化、壓力波動空泡形成和潰滅：高溫水在管中汽化后向鍋爐加水，水溫降低并充滿蒸汽管道，誘發空泡潰滅水錘第12頁,共50頁，2024年2月25日，星期天熱水供熱網水錘計算熱網管道系統的索引和編碼水錘基本方程系統氣液兩相流邊界條件管道中單泵邊界：停泵邊界（水頭平衡、轉動慣量方程）、啟泵邊界（水頭平衡）調節閥：正、反向流的孔口方程管道并串聯：管道串聯接點、分叉管、短管接頭（集中慣性）第13頁,共50頁，2024年2月25日，星期天熱水供熱網水錘計算邊界條件熱用戶邊界：能量方程、連續方程、孔口方程聯立得正、反向流的孔口方程（P205～206）水加熱器邊界：進、出水室（集中流容）、散熱管（當量管）熱電廠供熱模型熱電廠供熱模型第14頁,共50頁，2024年2月25日，星期天熱水供熱網分析工況主供水管閥門關閉、設計緩閉、延遲停泵主供水管閥門關閉循環泵突然停泵無旁通管、有旁通管補給水泵故障，輸水量減少斷電工況用戶熱量減少或增加15％供熱管網模型第15頁,共50頁，2024年2月25日，星期天熱水供熱網計算結果第16頁,共50頁，2024年2月25日，星期天熱水供熱網水錘防護根據計算結果合理調度可控緩閉逆止閥調壓罐進、排氣閥第17頁,共50頁，2024年2月25日，星期天三循環冷卻系統第18頁,共50頁，2024年2月25日，星期天核電站冷卻塔第19頁,共50頁，2024年2月25日，星期天燃煤電廠工藝流程第20頁,共50頁，2024年2月25日，星期天火力發電廠冷卻系統循環冷卻系統工藝管線第21頁,共50頁，2024年2月25日，星期天循環冷卻系統及配水系統冷卻過程第22頁,共50頁，2024年2月25日，星期天冷卻塔配水噴淋管網雙豎井日字型內外分區配水單豎井內外分區配水第23頁,共50頁，2024年2月25日，星期天火電廠循環冷卻系統冷卻塔集水池→進水前池→循環泵房→壓力母管→凝汽器→循環水回水管→上塔配水管→噴頭出口計算簡圖第24頁,共50頁，2024年2月25日，星期天火電廠開式冷卻水系統進水前池→循環泵房→循環水壓力母管→凝汽器（水-水熱交換器）→循環水排水溝→排水口計算簡圖第25頁,共50頁，2024年2月25日，星期天開式循環水管道系統的簡化第26頁,共50頁，2024年2月25日，星期天系統邊界處理凝汽器邊界：集中流容和當量管循環泵、可控逆止閥邊界集水池邊界分岔管邊界水柱分離與彌合邊界第27頁,共50頁，2024年2月25日，星期天核電廠美國14年間報告67起壓水堆核電廠的水錘事件：一回路13％，二回路78％（主蒸汽回路占40％，主給水回路占60％），三回路9％。一回路：核島；停泵關閥水錘管路連接著堆芯壓力容器、蒸汽發生器、主泵、穩壓器及許多輔助系統二回路：常規島；實現核能與電能轉換；主蒸汽回路、主給水回路三回路：循環水回路第28頁,共50頁，2024年2月25日，星期天核電廠一、二、三回路第29頁,共50頁，2024年2月25日，星期天一回路第30頁,共50頁，2024年2月25日，星期天一回路邊界及計算工況邊界條件堆芯壓力容器：進口管、水箱、當量管蒸汽發生器：進口管、倒U型管、細管穩壓器：縮頸氣室冷卻主泵：全特性線WH(x）WB(x)計算工況停泵不關閥泵轉動慣量大停泵，閥門在Tv內線性關閉停泵閥門在Tv后關閉，或一步關閥，模擬泵軸突然卡死工況3，無穩壓器，評估穩壓器作用工況3，有穩壓器工作第31頁,共50頁，2024年2月25日，星期天二回路主蒸汽回路在負載調節時的汽錘計算主要邊界主要工況主給水系統水錘計算主要邊界：冷凝器、冷凝泵、除鹽裝置、凝升泵、軸封加熱器、調節閥、低加、除氧器、前置泵、高壓主泵、高加、止回閥、蒸汽發生器第32頁,共50頁，2024年2月25日，星期天加熱器或凝汽器邊界的概化第33頁,共50頁，2024年2月25日，星期天四長距離輸送管道第34頁,共50頁，2024年2月25日，星期天長距離輸送管道長輸系統特點：低揚程大流量泵，揚程主要用于補償沿程損失，額定揚程<100m,一般30~60m，局損可忽略長管系統必須考慮水和管道的彈性趨勢：大型化、連續化、關系復雜、地形復雜、介質多樣現象：坡頂負壓段空化、坡地管道水柱拉斷，水柱彌合、氣錘、啟動過程空管發生水錘原因正常起停泵、機組不穩定運行、動力故障、調節流量、中間站運行參數變化、站內發生回流、線路分流和急流、安全閥啟閉第35頁,共50頁，2024年2月25日，星期天中芯國際至長江排水管——長距離輸送管第36頁,共50頁，2024年2月25日，星期天長距離輸送管道水錘分析目的及注意事項模擬管網瞬態水力情況鑒別管道、設備是否安全確定進、排氣閥及其他防護措施的布置和尺寸注意局部短管處理，防止時間步長過小計算不經濟水錘防護措施根據水錘計算結果合理調度啟動充水泵，泵后旁通管進、排氣閥調壓罐（塔）第37頁,共50頁，2024年2月25日，星期天長輸管道地形及水錘計算結果最高處：長期汽化狀態30公里，31個節點較低處：初始振蕩，正壓狀態停泵后計算結果第38頁,共50頁，2024年2月25日，星期天長距離輸油系統第39頁,共50頁，2024年2月25日，星期天并、串聯油泵站系統——泵旁路的計算停泵惰轉過渡過程中旁路開通，比較壓差，判斷旁路流量，與停泵相關方程聯立參考《瞬變流》附錄程序第40頁,共50頁，2024年2月25日，星期天其他邊界元件——泄壓閥、換熱器、相變工作原理類似水錘消除器：由常壓空氣控制泄流壓力由氮氣壓力控制泄流壓力，據此計算泄流量和經由壓頭損失非接觸熱交換提高原有溫度降低輸送能耗采用集中慣性元件（剛性水錘段：滿足運動方程）第41頁,共50頁，2024年2月25日，星期天鐵嶺－大連密閉油路輸送系統工況：終點閥門突然關閉，20S后全線停輸工況

——首站壓力和全線節點最大、最小壓力包絡線第42頁,共50頁，2024年2月25日，星期天五大型排水泵站主要工況：啟動水錘特點：短管系統、剛性水錘計算第43頁,共50頁，2024年2月25日，星期天斷流措施傳統斷流措施流道阻力大、門體易損壞、系統難維護1、拍門斷流方式:啟動困難、停機有時難落位、投資大2、快速閘門斷流方式:效率低、費時費力費資金、十分危險3、人工封堵流道方式:第44頁,共50頁，2024年2月25日，星期天壓縮空氣斷流方法發明技術第45頁,共50頁，2024年2月25日，星期天活頁閘門快速斷流方法第46頁,共50頁，2024年2月25日，星期天與活頁式快速閘門聯合運用的實施例排氣第47頁,共50頁，2024年2月