管网水力过渡过程数值模拟及水锤防护策略（李良庚）

时间：2021-01-14 08:04:17　来源：柠檬阅读网本文已影响人

摘要：管网水力过渡过程是管网运行维护管理中常见的现象，若不予以重视，一旦发生管网水锤，会导致不必要的经济损失甚或人身危害，本文结合实例论述了管网水力过渡过程的数值模拟，并研究了管网水锤防护策略的制定。

关键词：管网水力过渡过程数值模拟水锤防护策略

一、引言

管网系供排水（气、热、油）工程管道系统结构，主要可分为树状和环状两种形式。随着系统需求的不断增大，管道系统越来越复杂，分支繁琐，附件众多。由于管道系统靠泵传输动力，阀控制管路流量，不规范地启停泵、阀或发生管路堵塞（包括汽泡堵塞）或泄漏等事件，管网进入水力过渡过程，由于管网组构的复杂性，过大的管内水压得不到及时释放或者过低的管内水压形成的汽泡不能及时消解，极易发生正压水锤或负压水锤事故，正压水锤会使管网剧烈振动，降低管道寿命，严重时会使管网瘫痪，危及系统安全，负压水锤则会产生液柱分离现象，导致管道被压扁或失稳，同时，大量汽泡堵塞管道，会导致过流不畅，严重影响供排水，而一旦汽泡溃灭，将形成溃灭水锤，引发正压水锤效应。因此，如何采用合适的水锤计算方法数值模拟管网水力过渡过程，以制定相应的水锤防护策略，将水锤危害降到最低，对确保管网供排水安全显得尤为必要和重要。

二、管网水力过渡过程的数值模拟

1．管网水锤计算方法的选定

所有的管网水力过渡过程的数值模拟方式都是从基本方程(运动方程和连续性方程，偏微分形式，本文不列出)入手，然后加上不同的限制性假设，从而得到不同的水锤计算方法，如算术法、图解法、特征线法、隐式法、代数法等。算术法是最早使用的计算方法，在理论推导中忽略了摩阻影响，基于阿列维联锁方程，只可求解简单的边界条件，计算精度很低；
之后施奈德和波格龙结合工程实践，各自提出了图解法，该法基于水锤共轭方程，在理论推导上也忽略了摩擦力，但想办法予以了修正，由于该法概念清晰，灵活易懂，计算上也有一定的精度，因此在1931～1962年非常盛行，但该法同算术法一样，只适于解算简单回路；
1962年以后，由于电子计算机的普及，便于电算的特征线法和隐式法逐渐取代了图解法，两者都应用了有限差分法，但前者时步长注重了库朗条件限制影响，管道分段长度必须大致相等以减少内插误差，因此计算精度高，比较适合快速瞬变的泵站、电站、管网的水力过渡过程，后者则放宽了上述限制，计算精度则受到了一定影响，比较适合缓慢瞬变的明渠水力过渡过程；
代数法实际上是特征线法的一种变换形式，只是将时间加入了特征线方程，在同一时间增量可解算多条管道，因而不需考虑管道顺序，再加上该法无需计算管道内点，因此在计算时间上在当时较特征线法经济（随着现代电子计算机的高速发展现已无优势），但其缺点也是显而易见的，首先，因一个方程涉及多条管道，摩擦项计算就不那么精确，其次，大量的索引很容易输入错误，而若管道内点发生水锤现象，又需增加普通节点数，从而需重新建立索引，第三，因不考虑管道内点间相互影响，只适于管道内点瞬态值连续传递即管道内点不发生液柱分离现象的场合，因此在应用范围上受到了限制。综合考虑管网组构的复杂性和各种计算方法的特性，本文选定特征线法作为数值模拟管网水力过渡过程的计算方法。

2．特征线法计算程序

（1）列出特征线方程

式中，B=a/(gA)，R=f△x/(2gdA2)，a为水锤传播速度，g为重力加速度，A为某管道截面面积，f为摩阻系数，△x为某管道分段长度，d为某管道截面直径，M、P、N为某管道的连续三个截面，Q、H代表某管道截面流量、水头的瞬态值。

（2）列出边界方程

管网边界点主要包括管道末端、泵阀端及各种水锤防护设备端等，其边界方程的取得基于边界点水头平衡方程。

（3）求解管网某管道各点瞬态值

特征线方程适合求解管网某管道内点瞬态值，对于管网某管道边界点，需联合边界方程并通过牛顿－莱福笙迭代求解出其瞬态值。计算软件采用Visual Fortran Station，该软件人机对话友好，易于编程和调试，执行速度理想，适合快速瞬变的管网水力过渡过程的数值模拟。

三、管网水锤防护策略的制定

1．防止水锤现象的发生

防止水锤现象的发生要求管网系统结构合理以及管网运行工况良好，主要应从保持管网及其附属设备性能完好、管网及其附属设备内挟气量低、管内水流流态平稳着手，因此凸显规范操作和定时维养的重要性。

2．将水锤危害程度降到最低

将水锤危害程度降到最低要求管网水锤防护措施到位以及水锤事故发生时水锤防护措施执行效果良好。前者要求设计阶段做好系统结构优化（如管材选型过程中注意管道的弹性性质和几何形状、管道支撑特性、管道铺设纵断面平顺程度，适当考虑增加易发生水锤部位的管道强度或增加支撑以减小共振、增强系统薄弱点的抗水锤危害能力等）、制定水锤防护措施（如泵出口液控蝶阀二阶段关闭，管网凸点处加设排气阀、调压塔等）；
后者则要求水锤事故发生时操作者规范停关泵阀等设备，以尽量保持水流平稳，不让水锤危害继续扩大，值得注意的是，管网定时清淤和加固补修等有利于水锤压力的及时释放。

四、工程应用

1．系统分析

某供水工程系一典型的树状管网系统，由十五根管道组成，如图1所示，系统资料略，需收集的资料主要有系统凸点位置，管材形式，水泵机组技术参数，管道特性参数等；
需处理的资料主要有管道分段表，波速调整表，边界类型表等。

2．系统现有水锤防护条件下的事故停机数值模拟

系统现有水锤防护措施仅有泵出口液控蝶阀两阶段关闭和在系统凸点设置排气阀，事故停机后系统凸点（1，72）水力过渡过程曲线如图2所示。

从图2（略）可以看出，该凸点发生了多处水柱分离及弥合现象，且其最大压升峰值不大，都在承压（86.73m）范围之内，但由于负压持续时间较长，易发生管道压扁现象，而若在此水力过渡过程中再次启泵，启泵所形成的升压波和停泵所形成的负压波相撞击，将对管路发生剧烈的冲击作用，导致管道的疲劳损坏。可见，该系统水锤防护的首要任务应为缩短事故停泵过程中负压持续时间，但经过大量的寻优计算，无论怎样调节泵出口液控蝶阀两阶段关闭程序，都难以实现，鉴于此，需考虑采用联合防护措施。

3．两类拟用水锤防护条件下的事故停机数值模拟

表1（略）列出现有防护条件下与两类拟用防护条件（在现有条件下加设）下的液柱分离比较情况，可以看出，调压塔和旁通管在缩短泵出口负压持续时间上效果显著，但存在的问题是，即使将调压塔尺寸再加大，在水流状况上也不会有太大的改善，而尺寸的增大又大大增加了工程投资；
而对于旁通管，消除主管负压效果尚可，但对其他管道消锤效果不明显，而且太大的旁通管径又易造成主管排空，使系统再次启动困难，因此，单加设其中一类防护措施很难达到系统安全运行的目的，鉴于此，需进一步优化联合防护策略。

4．联合防护条件下的事故停机数值模拟

图3（略）给出了泵出口加设旁通管（直径0.2m），在系统凸点(2,153)增设调压塔（塔径3.5m，塔水位4.5m）条件下事故停泵后系统凸点 (1,72) 水力过渡过程曲线，数值模拟结果表明，消锤效果良好。

图4（略）分别给出了4.1与4.4条件下的管道I至VIII的压力包络图，可以看出，4.1条件下管道III至VIII呈现了压力波动较大特性，但其最大压力值均在承压范围之内；
4.4条件下系统整个水力过渡过程中不再出现压力波动较大的现象；
从系统压力最小值（图中红线部分）的变化趋势看，凸点(2,153)压力最小值绝对值突降，而后最小压力值又逐渐降低，并均未发生水柱分离及弥合现象，凸点（2，153）即为调压塔设立位置，消锤效果显而易见。

5．系统水锤防护策略的制定

（1）事故停泵后泵出口液控蝶阀30s匀速关闭，一方面防止水倒流速度过快，另一方面则可防止倒流水对阀处产生较大的冲击作用力。

（2）在泵出口液控蝶阀后装设旁通管，旁通管直径0.2m。事故停泵后，旁通管通过出流阀可从进水池补水至主管，以防止主管液柱分离的发生。

（3）在系统凸点(2,153)装设调压塔，塔径3.5m，塔水位高度4.5m，连管高度0.3m，连管直径0.3m。事故停泵后，调压塔迅速补水到主管，以避免泵出口液柱分离的发生。

五、结语

对管网进行水力过渡过程数值模拟及水锤防护策略的研究，归根到底是为了规范管网日常运行和应急操作的需要。在实践中应当严格按照规范规程进行运作，禁止误操作，并定时维养管网，及时发现和消除诱发管网水锤的因素，从而将管网水锤危害降至最低。

参考文献

[1] Wylie E B，Streeter V L．Fluid Transients．New York: Prentice-Hall，1978

[2] 刘竹溪，刘光临．泵站水锤及其防护．北京：水利电力出版社，1988

作者简介

李良庚，男，1974年生，硕士学历，高级工程师，主要从事水利工程建设管理与泵站机电设备及其自动化等方面的工作与研究。

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