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1、常见管道系统水锤与防护常见管道系统水锤与防护一一 城市供水管网城市供水管网复杂管系水锤与防护复杂管系水锤与防护城市供水管网城市供水管网l大型复杂管网大型复杂管网大型复杂管网大型复杂管网拓扑学拓扑学拓扑学拓扑学线性图（有向图）：线性图（有向图）：l l节点、支路（标明支路参考方向）节点、支路（标明支路参考方向）l l支节关联或节支关联支节关联或节支关联数据结构（参考）数据结构（参考）l l节点类型：一维数组节点类型：一维数组 普通节点、恒压节点、空气阀、阀门或水嘴、水泵普通节点、恒压节点、空气阀、阀门或水嘴、水泵l l节支关联：四个一维数组：关联支路编号、支路参考方向节支关联：四个一维数组：关联
2、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数组中的位置适合复杂管路！适合复杂管路！二二 城市热水供热网城市热水供热网热水供热网热水供热网l背景：集中供热系统背景：集中供热系统背景：集中供热系统背景：集中供热系统系统：系统：热网依靠泵作为传输动力，闸门控制管路流量；热网依靠泵作为传输动力，闸门控制管路流量；循环管路循环管路工况：工况：断电、停泵、关阀、热负荷变化断电、停泵、关阀、热负荷变化事故：事故：管道剧烈振动、保温层脱落、补水箱和高位膨管道剧烈振动、保温层脱落、补水箱和高位膨胀管大量冒水、毁坏设备管道
3、、威胁系统安全胀管大量冒水、毁坏设备管道、威胁系统安全l发展趋势：发展趋势：发展趋势：发展趋势：热源单位热容量增加，危险性增加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大量调节阀、闸板阀增加了系统的复杂性热水供热网热水供热网l诱发水锤的常见工况诱发水锤的常见工况阀门的正常启闭阀门的正常启闭正常或事故停泵正常或事故停泵泵或阀门的机械故障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、压力波动变化、压力波动空泡形成和溃灭：高温水在管中汽化后
4、向锅炉加水，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，诱发空泡溃灭水锤水温降低并充满蒸汽管道，诱发空泡溃灭水锤热水供热网热水供热网l水锤计算水锤计算热网管道系统的索引和编码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水锤基本方程系统气液两相流边界条件边界条件l l管道中单泵边界：管道中单泵边界：管道中单泵边界：管道中单泵边界：停泵边界（水头平衡、转动惯量方程）停泵边界（水头平衡、转动惯量方程）、启泵边界（水头平衡）、启泵边界（水头平衡）l l调节阀：调节阀：调节阀：调节阀：正、反向流的孔口方程正、反向流的孔口方程l l管道并串联：管道并串联：管道并串联：管道并
5、串联：管道串联接点、分叉管、短管接头（集中管道串联接点、分叉管、短管接头（集中惯性）惯性）热水供热网热水供热网l水锤计算水锤计算边界条件边界条件l l热用户边界：热用户边界：热用户边界：热用户边界：能量方程、连能量方程、连续方程、孔口方程联立得正、续方程、孔口方程联立得正、反向流的孔口方程反向流的孔口方程 （P205P205206206）l l水加热器边界：水加热器边界：水加热器边界：水加热器边界：进、出水室进、出水室（集中流容）、散热管（当（集中流容）、散热管（当量管）量管）热电厂供热模型热电厂供热模型热电厂供热模型热电厂供热模型热电厂供热模型热电厂供热模型热水供热网热水供热网l分析工况分析
6、工况分析工况分析工况主供水管阀门关闭、设计主供水管阀门关闭、设计缓闭、延迟停泵缓闭、延迟停泵主供水管阀门关闭主供水管阀门关闭循环泵突然停泵无旁通管、循环泵突然停泵无旁通管、有旁通管有旁通管补给水泵故障，输水量减补给水泵故障，输水量减少少断电工况断电工况用户热量减少或增加用户热量减少或增加1515供热管网模型供热管网模型供热管网模型供热管网模型热水供热网热水供热网l计算结果计算结果热水供热网热水供热网l水锤防护水锤防护根据计算结果合理调度根据计算结果合理调度可控缓闭逆止阀可控缓闭逆止阀调压罐调压罐进、排气阀进、排气阀三三 循环冷却系统循环冷却系统核电站冷却塔核电站冷却塔燃煤电厂工艺流程燃煤电厂工
7、艺流程火力发电厂冷却系统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工艺管线循环冷却系统工艺管线循环冷却系统工艺管线循环冷却系统及配水系统循环冷却系统及配水系统冷却过程冷却过程冷却塔配水喷淋管网冷却塔配水喷淋管网双竖井日字型内外分双竖井日字型内外分区配水区配水单竖井内外分区配水单竖井内外分区配水火电厂火电厂 循环冷却系统循环冷却系统l冷却塔集水池冷却塔集水池进进水前池水前池循循环环泵房泵房压压力母管力母管凝汽器凝汽器循环水回水管循环水回水管上塔配水管上塔配水管喷头喷头出口出口计算简图计算简图计算简图计算简图火电厂火电厂 开式冷却水系统开式冷却水系统l进水前池进水前池循循环环泵房泵房循环水
8、压力母管循环水压力母管凝汽器凝汽器（水（水-水热交换器）水热交换器）循循环环水排水沟水排水沟排水口排水口 计算简图计算简图计算简图计算简图开式循环水管道系统的简化开式循环水管道系统的简化系统边界处理系统边界处理l凝汽器边界：集中流凝汽器边界：集中流凝汽器边界：集中流凝汽器边界：集中流容和当量管容和当量管容和当量管容和当量管l循环泵、可控逆止阀循环泵、可控逆止阀循环泵、可控逆止阀循环泵、可控逆止阀边界边界边界边界l集水池边界集水池边界集水池边界集水池边界l分岔管边界分岔管边界分岔管边界分岔管边界l水柱分离与弥合边界水柱分离与弥合边界水柱分离与弥合边界水柱分离与弥合边界核电厂核电厂l l美国美国美
9、国美国1414年间报告年间报告年间报告年间报告6767起压水堆核电厂的水锤事件：起压水堆核电厂的水锤事件：起压水堆核电厂的水锤事件：起压水堆核电厂的水锤事件：一回路一回路1313，二回路，二回路7878（主蒸汽回路占（主蒸汽回路占4040，主给水回路占，主给水回路占6060），三回路），三回路9 9。l l一回路：核岛；停泵关阀水锤一回路：核岛；停泵关阀水锤一回路：核岛；停泵关阀水锤一回路：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辅助系统 l l二回路：常规岛；实现核能与电能转换；二回路：常规岛；实现
10、核能与电能转换；二回路：常规岛；实现核能与电能转换；二回路：常规岛；实现核能与电能转换；主蒸汽回路、主给水回路主蒸汽回路、主给水回路l l三回路：三回路：三回路：三回路：循环水回路循环水回路核电厂一、二、三回路核电厂一、二、三回路一回路一回路一回路边界及计算工况一回路边界及计算工况l l边界条件边界条件边界条件边界条件堆芯压力容器：进口管、水箱、当量管堆芯压力容器：进口管、水箱、当量管蒸汽发生器：进口管、倒蒸汽发生器：进口管、倒U U型管、细管型管、细管稳压器：缩颈气室稳压器：缩颈气室冷却主泵：全特性线冷却主泵：全特性线WH(xWH(x）WB(x)WB(x)l l计算工况计算工况计算工况计算工
11、况停泵不关阀泵转动惯量大停泵不关阀泵转动惯量大停泵，阀门在停泵，阀门在TvTv内线性关闭内线性关闭停泵阀门在停泵阀门在TvTv后关闭，或一步关阀，模拟泵轴突然卡死后关闭，或一步关阀，模拟泵轴突然卡死工况工况3 3，无稳压器，评估稳压器作用，无稳压器，评估稳压器作用工况工况3 3，有稳压器工作，有稳压器工作二回路二回路l主蒸汽回路在负载调节时的汽锤计算主蒸汽回路在负载调节时的汽锤计算主要边界主要边界主要工况主要工况l主给水系统水锤计算主给水系统水锤计算主要边界：主要边界：l l冷凝器、冷凝泵、除盐装置、凝升泵、轴封加热器、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
12、、高压主泵、高加、调节阀、低加、除氧器、前置泵、高压主泵、高加、止回阀、蒸汽发生器止回阀、蒸汽发生器加热器或凝汽器边界的概化加热器或凝汽器边界的概化四四 长距离输送管道长距离输送管道长距离输送管道长距离输送管道l长输系统长输系统长输系统长输系统特点：特点：特点：特点：低扬程大流量泵，扬程主要用于补偿沿程损失，低扬程大流量泵，扬程主要用于补偿沿程损失，l l额定扬程额定扬程100m,100m,一般一般3060m3060m，局损可忽略，局损可忽略l l长管系统必须考虑水和管道的弹性长管系统必须考虑水和管道的弹性趋势：趋势：趋势：趋势：大型化、连续化、关系复杂、地形复杂、介质大型化、连续化、关系复杂
13、、地形复杂、介质多样多样现象：现象：现象：现象：坡顶负压段空化坡顶负压段空化、坡地管道水柱拉断，水柱弥坡地管道水柱拉断，水柱弥合、气锤、启动过程空管合、气锤、启动过程空管l发生水锤原因发生水锤原因发生水锤原因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、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、安全阀启闭流、安全阀启闭中芯国际至长江排水管中芯国际至长江排水管长距离输送管长距离输送管长距离输送管道长距离输送管道l水锤分析目的及注意事项水锤分析目的及注意事项水锤分析目的及注意事项水锤
14、分析目的及注意事项模拟管网瞬态水力情况模拟管网瞬态水力情况鉴别管道、设备是否安全鉴别管道、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注意局部短管处理，防止时间步长过小计算不经济l水锤防护措施水锤防护措施水锤防护措施水锤防护措施根据水锤计算结果合理调度根据水锤计算结果合理调度启动充水泵，泵后旁通管启动充水泵，泵后旁通管进、排气阀进、排气阀调压罐（塔）调压罐（塔）长输管道地形及水锤计算结果长输管道地形及水锤计算结果最高处：长期汽化状态最高处：长期汽化状态30公公里，里，31个个节节点点较低处：初始振荡，正
15、压状态较低处：初始振荡，正压状态停泵后计算结果停泵后计算结果长距离输油系统长距离输油系统并、串联油泵站系统并、串联油泵站系统泵旁路的计算泵旁路的计算停泵惰转过渡过程中旁路开通停泵惰转过渡过程中旁路开通，比较压比较压差，判断旁路流量，与停泵相关方程联立差，判断旁路流量，与停泵相关方程联立参考参考瞬变流瞬变流附录程序附录程序其他边界元件其他边界元件泄压阀、换热器、相变泄压阀、换热器、相变工作原理类似水锤消除器：由常压工作原理类似水锤消除器：由常压空气控制泄流压力空气控制泄流压力由氮气压力控制泄流压力，据此计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算泄流量和经由压头损失非接触热交换提高原
16、有温度降低输非接触热交换提高原有温度降低输送能耗送能耗采用集中惯性元件（刚性水锤段：采用集中惯性元件（刚性水锤段：满足运动方程）满足运动方程）铁岭大连密闭油路输送系统铁岭大连密闭油路输送系统工况：终点阀门突然关闭，工况：终点阀门突然关闭，工况：终点阀门突然关闭，工况：终点阀门突然关闭，20S20S20S20S后全线停输工况后全线停输工况后全线停输工况后全线停输工况首站压力和全线节点最大、最小压力包络线首站压力和全线节点最大、最小压力包络线首站压力和全线节点最大、最小压力包络线首站压力和全线节点最大、最小压力包络线五五 大型排水泵站大型排水泵站主要工况：启动水锤主要工况：启动水锤特点：短管系统、
17、刚性水锤计算特点：短管系统、刚性水锤计算断流措施传统断流措施传统断流措施流道阻力大、门体易损坏、系统难维护1、拍门断流方式: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3、人工封堵流道方式:压压缩缩空空气气断断流流方方法法发发明明技技术术活活页页闸闸门门快快速速断断流流方方法法与活页式快速闸门联合运用的实施例与活页式快速闸门联合运用的实施例与活页式快速闸门联合运用的实施例与活页式快速闸门联合运用的实施例排气与活页式快速闸门联合运用的实施例与活页式快速闸门联合运用的实施例与活页式快速闸门联合运用的实施例与活页式快速闸门联合运用的实施例大型排水泵站大型排水
18、泵站l启动水锤启动水锤电机（起动力矩）、泵（阻力矩）、流道（流量电机（起动力矩）、泵（阻力矩）、流道（流量与几何扬程）与几何扬程）l l防止启动扬程（流量小、扬程大）进入马鞍区，同步防止启动扬程（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（真空破坏虹吸出水流道，有拍门：抽真空启动（真空破坏阀）阀）直管出水流道，无拍门：通气管排气启动直管出水流道，无拍门：通气管排气启动PIPENET 软件的应用软件的应用课程考查：试卷，结合自己专业题目编程计算课程考查：试卷，结合自己专业题目编程计算课程考查：试卷，结合自己专业题目编程计算课程考查：试卷，结合自己专业题目编程计算