常见管道系统水锤与防护

常见管道系统水锤与防护第一页，共四十七页，编辑于2023年，星期六一城市供水管网复杂管系水锤与防护第二页，共四十七页，编辑于2023年，星期六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第三页，共四十七页，编辑于2023年，星期六城市供水管网——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第四页，共四十七页，编辑于2023年，星期六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第五页，共四十七页，编辑于2023年，星期六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无关第六页，共四十七页，编辑于2023年，星期六城市供水管网——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；第七页，共四十七页，编辑于2023年，星期六城市供水管网——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第八页，共四十七页，编辑于2023年，星期六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！第九页，共四十七页，编辑于2023年，星期六二城市热水供热网第十页，共四十七页，编辑于2023年，星期六热水供热网背景：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第十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期六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，诱发空泡溃灭水锤第十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期六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）第十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期六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第十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期六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％供热管网模型第十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期六热水供热网计算结果第十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期六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、排气阀第十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期六三循环冷却系统第十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期六核电站冷却塔第十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期六燃煤电厂工艺流程第二十页，共四十七页，编辑于2023年，星期六火力发电厂冷却系统循环冷却系统工艺管线第二十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期六循环冷却系统及配水系统冷却过程第二十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期六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第二十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期六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→喷头出口计算简图第二十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期六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→排水口计算简图第二十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期六开式循环水管道系统的简化第二十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期六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第二十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期六核电厂美国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：循环水回路第二十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期六核电厂一、二、三回路第二十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期六一回路第三十页，共四十七页，编辑于2023年，星期六一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，有稳压器工作第三十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期六二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、蒸汽发生器第三十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期六加热器或凝汽器边界的概化第三十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期六四长距离输送管道第三十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期六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、安全阀启闭第三十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期六中芯国际至长江排水管——长距离输送管第三十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期六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）第三十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期六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第三十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期六长距离输油系统第三十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期六并、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》附录程序第四十页，共四十七页，编辑于2023年，星期六其他边界元件——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）第四十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期六铁岭－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、最小压力包络线第四十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期六五大型排水泵站主要工况：启动水锤特点：短管系统、刚性水锤计算第四十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期六断流措施传统断流措施流道阻