2024有压输水系统水力过渡过程计算与水锤防护技术导则

有压输水系统水力过渡过程计算与水锤防护技术导则PAGEPAGE33目次总则 4术语 5基规定 7础据取 7算纲订 7水过过计模构建 9统件扑构建 9本程求方法 9界件初条设置 9算数确定 10算格分时步长择 10算视的定 10算件选与用 10水过过数计算 12算的 12算案计工况 12值算 12算果析处方法 12水防措施 14计成与告制 15算果 15算告制 15附录A 压水统算模的本制程 16附录B 征法 18附录C 泵特曲的获取 22附录D 定阻非定摩计公式 23附录E 速算法 24附录F 库条件 25附录G 调时步方法 26附录H 计网划时间长择28附录I 压力输统计工况 29附录J 送压水计算况 30附录K 常的锤措施 32条文明 341 总则GB50265 GB50013 GB/T20203SL430 SL279 SL7SL655水利水电工程调压室设计规范SL/T281CECS193 （）T/CEC5010 DL/T5186NB∕T100722 术语pressurizedwatertransmissionsystemshydraulictransientprocess有压输水系统中因水流速度急剧变化所引起的流动状态瞬变过程。waterhammer由于某种外界原因使输水系统中水的流速突然发生改变，从而引起压力急剧变化的现象。elementnodetopologicalstructure组成有压输水系统各元件链接的关联性。boundarycondition有压输水系统各元件在输水系统运行期间的已知的管道、水工设施及设备特性参数信息。steadycondition有压输水系统中主要流动参数保持不变状态的一个特定工况。transientcondition有压输水系统从某一稳定工况到另一稳定工况的过渡过程。transientflow瞬变工况下有压输水系统中的非恒定流动。calculationofhydraulictransientprocess计算有太输水系统及其各元件的动态参数随时间变化的情况。hydraulicparametersofwatertransmissionsystems特定工况下输水系统及其各元件的水力学参数。fullcharacteristiccurvesofpumpSuterSutercurvesofpump水锤防护装置protectiondeviceofwaterhammer以消减有压输水系统水锤发生对系统运行产生不利影响为目的的装置。liquidvaporizationmaximumpressureriserateofpipeline管道压力波动的峰值与当地水力过渡过程发生前最近时刻的稳态工作压力的比值。timeline描述有压输水系统水力过渡过程中动态参数随时间的变化曲线。pressureenvelope在输水管道水力过渡过程期间出现的由最大压力线与最小压力线所包围的封闭曲线。水锤防护标准protectionstandardofwaterhammercomputationalmodelcalibration（staticpressureofpipe与监视点monitoringpoint在有压输水系统的管道上设置的特定位置，用于储存计算过程中的中间数据及结果数据。基本规定基础数据获取计算大纲制订3.2.5a100m1.5—100~300m时，取1.4倍；300m1.3b—小于100m时，取1.5倍；—100~300m时，取1.4倍；—大于等于300m时，取1.3倍。（时间长或抗压能力低的管道应适当提高所允许的管道最低压力值；对于采用虹吸断-8.0m。1.22min；水力过渡过程计算模型构建系统元件拓扑结构构建当管长小于波长的4%时，管系中的短管可采用惯性元件，弹性极好的元件可采用容性（弹性和可压缩性）元件处理。基本方程与求解方法水力过渡过程计算模型应按附录AB边界条件和初始条件设置C计算参数的确定D波速应按附录E计算网格划分与时间步长选择FGH。计算监视点的确定计算软件的选择与使用果来估算元件特性参数。2-3水力过渡过程数值计算计算目的计算方案与计算工况I，泵送加压输水系统计算工况见附录J。数值计算4计算结果分析与处理方法6 水锤防护措施）1/5～1/40.15～0.20MPa。0.4MPa1.0km1‰500m～800m1/5（。K计算成果与报告编制计算成果计算报告编制附录A 有压输水系统计算模型的基本控制方程A.0.1-1所示。运动方程按公式（A.0.1-1）计算。fvv1v fvvgg

（A.0.1-1）连续方程按公式（A.0.1-2）计算。

x D2gHH

a2v

singx0

（A.0.1-2） 式中：x－沿管线的长度，m;t－时间，sH－测压管水头，m；f－管道摩阻系数；v－管内流速，m/s；－管道与水平面夹角，º；a－水锤波传播速度，m/s；D－管道内径，m；g－重力加速度，m/s2。图A.0.1-1 元段H在实际应用中，流加速项vx

v，vx和斜率项相对于其他项都是小项，可忽略不计，运动方程和连续方程可作简化计算。运动方程按公式（A.0.2-1）计算H1vf

vv0

（A.0.2-1）gD2g连续方程按公式（A.0.2-2）计算a2tg

x0

（A.0.2-2）附录B 特征线法A中式（A.0.2-1）和式（A.0.2-2）x和t，因变量为H和v。将运动方程与连续方程分别用L1和L2表示HL1gx

vf vvt vv

（B.0.1-1）a2L2tgx0

（B.0.1-2）引入一个变量将L1和L2方程进行线性组合，可得vvH gH v a2vvLL1L2t

xtg

xf2D0

（B.0.1-3） HHx,tvvx,tdH

（B.0.1-4）dt dtdvdt

dt

（B.0.1-5）B.0.13B0.14）（B0.15）dxga2

（B.0.1-6）dt g式（B.0.1-3）可以写成式（B.0.1-7）的全微分方程vvdHvv f

（B.0.1-7）dt dt 2D由式（B.0.1-7）可解得的两个特征值ga再将的两个值代入式（B.0.1-6）可得dx

（B.0.1-8）adt

（B.0.1-9）vv当dxa可写成gdHdvf 0当vv

a时，式（B.0.1-dt adt dt 2D dt7）可以写成gdHdvf

vv0。将这两组方程分别用C和Cvvadt dt 2DvvgdHdvf vvCadt dt 2Ddx

（B.0.1-10）atvvgdHdvf vvC

adt dt 2D

（B.0.1-11）dxdxatt如图B.0.1-1x-taAPBPx-t平面中传播的路径。t0AtAP传播在 t时间传到P点。t0时在B点动沿线BP播在P点。

时间后传播到图B-1xt平面特征线PP将C式（B.0.1-10）v程沿特征线C从A点到PPPPdHaP

dQ

QQdt0A式中：Q—流量，m3/s。

gAA

2gA2A

（B.0.1-12）Qtf x2gA2QQAHHaQQf x2gA2QQAP A gA P

A（B.0.1-13）将微分方程沿特征线C从B点到Pf x2gA2QQBHHaQQf x2gA2QQBP B gA P

B（B.0.1-14）式中：下标P、A、B—相应点的参数。x—微元管段长度，m。将式（B.0.1-13）和式（B.0.1-14）中HP移到等号的右边可得C：HPHABPAAAC：HPHBBPBBB

（B.0.1-15）（B.0.1-16）B式中，B—常数。

agA；RR—常数。；

f x2gDA2。图B.0.2-1iH和流量Q都可由式（B.0.1-15）（B.0.1-16）C：HPiCPC：HPiCMCPHi1；CMHi1。由式（B.0.2-1）和式（B.0.2-2）联立求解可得

（B.0.2-1）（B.0.2-2）HPiQ

CP2CPCM

（B.0.2-3）Pi 2B

（B.0.2-4）CCHQHQ值。图B.0.2-1 征格附录C 水泵全特性曲线的获取Ns950WhxNs530WhxNs128Whx-2-486420420Ns530wmxNs128wmxNs950wmx8Ns950WhxNs530WhxNs128Whx-2-486420420Ns530wmxNs128wmxNs950wmx864243210-10-2-3-4（a）Whx曲线 (b)图C.0.1-1 三比的Suter特性线附录D 恒定摩阻和非恒定摩阻计算公式（GB50013）对于瞬变工况，可采用定常流动的摩阻系数进行水头损失计算，假设瞬时管壁剪切应力（即瞬时摩阻）与定常流动时的摩阻相等，恒定摩阻Jq按式（D.0.2-1）计算：fvvJq2Dfvv

（D.0.2-1）式中，f－达西-威斯巴哈摩擦系数，可按下式计算：f64，Re2320Re

（D.0.2-2）12.0log/D

，Re

（D.0.2-3）fRe f3.7fRe f －绝对粗糙度，m；D－管道内径，m。D.0.3 在瞬变比较剧烈的情况下，恒定磨阻模型不能准确预测压力波衰减和波形畸变过程，瞬J（D.0.3-1）计算：式中，Ju－非恒定摩阻：

JJqJukJ= ( asign(v ) )

（D.0.3-1）（D.0.3-2）u gC*k0.00476

C*2当Re2320

（D.0.3-3）C*

12.86

（D.0.3-4）当Re2320Re

lg(15.29)Re附录E

波速计算方法 K/ K/ 1K/ED/eca=式中，－流体的密度，kg/m3;K－水的弹性模量，N/m2；E－管壁的弹性模量，N/m2；e－衬砌的厚度，m；D－管道的直径，m；G－岩石的刚度模量，N/m2。

c= 2EeGD

（E.0.1-1）（E.0.1-2）附录F 库朗条件式中，t—时间步长，s；x—分段长度，m；a—波速，m/s。

xt a为了保证计算结果稳定，有时需对管长进行微量调整，使其满足库朗条件。附录G 调整时间步长的方法t=xjaj

Ljxj

=整数由此可知，

Ljaj

=整数实际中为了满足上式，有可能使t和xj选得很小。太细网格将增加大量计算机时。t方法：Lj的波速相对修正系数j10，根据统一的计算时间步长tLj支管的段数为NN Lj

(G.0.2-1)j－j

j 1+atj jiNi再进一步通过减小tNNj，可使jtxj=ajt，若其中一支管的末端剩余不足一个空间步长，可与下一个支管的起始端部结合成“跨管空间步长”，然后再对下一个支管的其余部分继续网格划分。L

锤的际播时间t= Lj则这由跨aja=LjeLjeaj跨管空间步长由不同的几段支管组，跨管空间步长内的流体总动能为1LAU21Q2Lj

（G.0.2-2）2 jjj 2 Ajj按照总动能守恒原则，可确定跨管空间步长的当量管截面积为eALjeLjAj

(G.0.2-3）根据水头损失与实际值一致的原则，跨管空间步长的当量常数为

Re

fjLjjj2gDA2jj

（G.0.2-4）按统一的计算时间步长t，由上游向下游依次划分步段，空间步长xj=ajt，若其中一支5％~10把短管中的水体和管壁看作为刚体，从而把导出相应的计算公式以代替特征方程。H Hn1Hn1HnHn1 2 1 2t 2tQ Qn1Qn1Qn1 2 1 2t 2tH Hn1Hn1Hn1 2 1 2x 2xQ Qn1Qn1Qn1 2 1 2x 2x

（G.0.2-5）（G.0.2-6）（G.0.2-7）（G.0.2-8）由此可得到两个代数方程式，再联合有关的特征方程或边界条件即可解出短管的进口压力Hn1和流量Qn1，以及其出口压力Hn1和流量Qn1等四个未知量。1 1 2 2T/CHES****－2022附录H 计算网格划分与时间步长选择实例cH.0.1H.0.1-1H0=150mL=5125m。阀门全开时流量系数C0=0.009C=C0，/t，为相对tC=21sa=1200m/sf=0.018。c图H.0.1-1管道布置示意图解：AB水位恒定H0=150m。FNNjLj/ajj)t算时间步长t分别为0.1s、0.01s、0.005s三种不同方案，如表H.0.1-1所示。表H.0.1-1波速调整方案方案t/s实际波速/(m/s)调整后波速/(m/s)x/m分段数a0.112001116.288111.628846b0.0112001200.23412.00234427c0.00512001200.2346.00117854H.0.1-2~H.0.1-4H.0.1-3可知方案bct=0.01b方案a方案a方案方案P流量Q流量Q/(m3/s)60402000 5 10 15 20 时间t/s

240方案a方案a方案方案c压力p压力p/Pa1801601401201000 20 40 60 时间t/s

最大、最小压力p/Pa800 100020003000最大、最小压力p/Pa240220200180240220200180160140120100a最大方案a方案b方案b方案c最大c最小

50006000图H.0.1-2量化势 图H.0.1-3阀前力变趋势 图H.0.1-4最大/小力络图附录I 有压重力流输水系统计算工况I.0.1 I.0.1-1表I.0.1-1 有压力水系计工选择编号输水系统布置／工况备注G1高位水库+干线管道+末端阀门+低位水库／正常开阀重点关注开阀过快时出现的低压情况G2高位水库+干线管道+末端阀门+低位水库／关阀重点关注关阀过快时出现的高压情况，关阀规律需要整定G3高位水库+干线管道+首端阀门+低位水库／正常开阀相当于空管充水，需要计算空气阀排气量及充水速度，需要控制阀门开度G4高位水库+干线管道+首端阀门+低位水库／关阀需要关注关阀过快时液体汽化问题G5高位水库+干线管道+阀门+大气出流／开阀相比于工况G1、G3，需要注意管道出口边界条件为p=0G6高位水库+干线管道+阀门+大气出流／关阀相比于工况G2、G4，需要注意管道出口边界条件为p=0G7有压取水口+干线管道+阀门+有压出水口／开阀相比于工况G1、G3、G5，需要注意起点与终点的压力边界条件G8有压取水口+干线管道+阀门+有压出水口／关阀相比于工况G2、G4、G6，需要注意起点与终点的压力边界条件G9干线管道+支线管道+支线阀门+干线阀门／干线阀门正常关闭，支线阀门正常关阀需提前预设各阀门关闭规律，关注不同关阀方式导致的压力上升情况G10干线管道+支线管道+支线阀门+干线阀门／干线阀门关闭，支线阀门正常打开G11干线管道+支线管道+支线阀门+干线阀门／事故紧急关阀，包含干线阀门关闭+各支线阀门单独关闭、同时关阀、依次关阀需关注在不同关阀规律下的压力上升情况G12干线管道+支线管道+支线阀门+干线阀门／爆管+关阀力过高而引起二次爆管附录J 泵送加压输水系统计算工况J.0.1 泵加输系的水过过计工可表J.0.1-1表J.0.1-2、表J.0.1-3选择。表J.0.1-1 泵事断计算况择设糙系数）工况工况备注P1P2工作阀门n-1正常关闭、1拒动机组最大反向转速P3工作阀门全部拒动水泵出水管最小压力P4，n-11nP5，n-11n时事故断电，工作阀门正常关闭P6，n1断电，工作阀门正常关闭水位P7，n1断电，工作阀门拒动机组最大反向转速P8，1阀门正常关闭出水管最小水压P9，1阀门拒动出水管最小水压表J.0.1-2 泵事断最不工计结校核工况编号工况备注R1最大反向转速工况最小可能糙率系数R2最大水压工况R3最小水压工况R4最大反向转速工况最大可能糙率系数R5最大水压工况R6最小水压工况表J.0.1-3 站组启停算况择工况工况备注N1行，最后1台水泵启动，工作阀门正常开启管道最大、最小水压N2出水池正常水位，进水池正常水位，设计扬程，n台水泵运行，逐台正常停机管道最大、最小水压；最大反向转速N3出水池最高水位，进水池最低水位，最高扬程，n台水泵运行，逐台正常停机管道最大、最小水压；最大反向转速N4出水池最低水位，进水池最高水位，最低扬程，1台水泵运行，正常停机管道最大、最小水压；最大反向转速附录K 常用的水锤防护措施K.0.1 K.0.1-1选择。表K.0.1-1 有输系常用锤护施编号名称类型功能适用条件M1液控缓闭控制阀缓闭蝶阀通过整定缓闭控制阀的启闭规律来降低水锤压力波动大型高扬程泵站。如果有UPS电源，也可采用电控缓闭控制阀代替缓闭球阀M2多功能水泵控制阀也称液力控制阀，依靠泵后的压力变化，靠水流的能量来自行启闭。通过调节先导阀来调节启闭时间，从而达到控制水锤压力波动的目的适用于小型泵站M3止回阀缓闭式止回阀通过缓闭止回阀的阀板（或不完全关闭阀板降低机组反转数。中、小型泵站及深井泵站M4液压式缓闭阀门防止水锤升压过高，允许水经过水泵倒流，可作一阀三用（回阀和消除水锤危害。对安全性要求高的泵站，需装设复杂液压系统，及其他后备措施M5快速关闭式在流量接近0时快速完成关闭。防止了水倒流。M6空气阀进气阀可防止液体汽化及弥合水锤危害；当输水管道的内部压力小于大气压时吸入一定的空气。管道系统局部高点、每隔500m~1000m长水力系统M7排气阀当管道内的压力大于大气压时，排出管道内的空气；空管充水时排气。可配合微量排气阀使用，减缓排气速度过快导致的压力波动。管道系统局部高点、每隔500m~800m长水力系统M8调压塔双向管道出现低压（特别是液体汽化）时向管道注水，防止水柱分离及断流弥合水锤；出现高压时泄水减压。用于大流量长管道系统，最好建于高地M9单向管道出现低压（液体汽化）时向管道注水，防止水柱分离及断流弥合水锤。用于大流量长管道系统。须增设由输水管向调压塔补充水的装置M10空气罐有气垫防止水泵工作阀门后升压过高／降压过低。中、小型泵站无气垫M11惯性飞轮防止在水泵停机时因水泵转速降低过快而引起的管道水锤压力波动过大，特别是对低压更加有效。用于中、小型卧式离心泵M12拍门逆止阀安装于排水管道的尾端，具有防止外水倒灌功能的逆止阀。出水池水位高于出水管小型泵站M13水锤爆破膜片安装在水泵旁通管上，用于防止泵后出现超过规定极限的水锤压力。高扬程泵站M14压力波动安装在水泵旁通管上，当水泵突然停中、小型泵站编号名称类型功能适用条件预止阀机时提前打开，当倒流的水流过来时泄