有压输水系统水力过渡过程计算与水锤防护技术导则
调压塔在有压管道水力过渡过程中的水锤防护作用
调压塔在有压管道水力过渡过程中的水锤防护作用作者：尚鹏来源：《科技风》2017年第18期摘要：现阶段人们的生活水平和生活质量在不断提高，并且随着社会经济发展人口数量也在急剧增长，这就使得人们对于水资源的需求也在不断增加，水资源供需矛盾日益严重，那么目前水资源分配不均和短缺就是我国城市现代化建设的阻力之一。
当前阶段我国实行南水北调工程是考虑到诸多因素影响的，这种长距离输水将面临更大的挑战，对各泵站的停泵水锤造成了消极影响，所以如何消除水柱分离现象和解决水锤危害就成为了必要工作，而研究调压塔在有压管道水力过渡过程中水锤防护作用也是工作的重点和难点。
本文通过分析调压塔水锤防护作用的概况，结合已有的研究和实际的案例，对调压塔在有压管道水力过渡过程中水锤防护作用的效果进行具体和系统阐述。
关键词：调压塔；有压管道；水力过渡；长距离输水；水锤防护作用目前调压塔在有压管道水力过渡过程中的水锤防护作用已经被广泛的了解和认识，并且由于其防止水柱分离的特点受到各行各业的关注，所以根据实际要求应用不同类型的调压塔是切实可行的举措。
为了更好的发挥调压塔在有压管道水力过渡过程中的水锤防护作用，就需要针对不同调压塔的特点和运行原理进行分析，才能有效减少水锤危害，为社会经济建设的其他方面打下良好的基础。
所以，本文从调压塔在有压管道水力过渡过程中水锤防护作用的概况入手，对调压塔在有压管道水力过渡过程中水锤防护作用的表现和效果进行分析和研究。
1 调压塔在有压管道水力过渡过程中水锤防护作用的概况虽然调压塔在有压管道水力过渡过程中应用效果良好，其水锤防护作用也得到了研究人员和工作人员的认可，我国政府有关部门还给予了政策和资金上的支持，使得调压塔和有压管道进入了发展新阶段，但是传统观念和管理模式限制了长距离输水技术的发展，而大部分管理者并不了解调压塔在有压管道水力过渡过程中的水锤防护作用，使得我国水资源分配不均和短缺的现象无法缓解，不利于人们的生产生活正常进行。
长距离压力输水管道水锤防护技术研究
VoU43 Na.6 Jun. 2021
长距离压力输水管道水锤防护技术研究
董茹2张伟东2,闫朝5
(2榆林学院建筑工程学院，陕西榆林 717002； 0.中煤陕西榆林能源化工有限公司公用工程中心，陕西榆林 717002； 3.榆林市水利工程建设中心，陕西榆林717002)
文献标志码:A
文章编号：223 - 2506(2201)26 - 0250 - 26
Research on water hammer pratection technology for long distance pressure water pineline
Dony Ru0 ‘Zhang Weidonv2 , Ynx Chaa5
模型都仅适合应用于无断流的情况。 而当出现多处
断流水锤时，断流弥合水锤计算模型更具有效的实
用性。因此，本文将选用断流弥合水锤计算模型对
断流弥合水锤问题进行计算。
首先根据弹性水锤理论，以2种方式进行表达:
(1运动方程为：
fH + x dV + Z dV vf VI VI _6
⑴
dx g dx g dx D 2g
的计算模型有3种:①无断流弥合水锤的计算模型。 这种计算模型在水力过渡的过程中，并不将水柱的
中断问题纳入模型计算范围。②定点断流弥合水锤
计算模型。这种计算模型在实际应用过程中，需预
先指定出断流弥合所出现的位置。③断流弥合水锤
计算模型［］。该计算模型在对断流弥合水锤的断
流边界进行处理时,不会受到水锤发生位置的限制O 由此看出,在以上3种断流弥合水锤计算模型中，无 断流弥合水锤的计算模型与定点断流弥合水锤计算
论水电站水力机械过渡过程
改善关 闭规律 ，以保证压力上升与转 速上升均在合理的范围之 内。有时 ，由于电站 的基本条件所限 （ 例如具有很长的引水 系 统） ，改善关闭规律无法使水压上升值 降到合理的范 围内，因
此 不 得 不 在 引 水 系统 中增 设 调 压 井 或 调压 阀 。是 否 需要 和需 要
３ 水力机械装置 过渡过 程研 究的现状 和研 究
方 法
在水轮机 过渡过程 中 ，常发 生水锤 引起的系统 压力瞬 时 升 ，直接危及系统的安全 。因此 ，水锤是过渡过程的主要研究 对象 ，也是最早引起人们重视 的现 象之一。早在 １９ 年 ，俄 ８８ 国著名科学家儒可夫斯基首次提出 了水管中水锤理论和末端 阀 水锤计算 的基本方程式。
随着现代水轮机单机容量和功能的不 断扩大 ，水轮机装 置
过渡过程 的问题愈来愈多 ，从而吸引了国际上大批科技人员从 事水轮机过渡过程领域的科学研究与实践活动 。每一个水轮机 的设计 ，必含有过渡过程 的计算 ，以确定工程所必需的基本 结
图 １ 水 电站管道系统布置示意 图
构参数。通 常，对于大型工程 ，它的可行性 和总体布局的合 理
（ 转 第 １０页 ） 下 ２
过程中水轮机装置主要相关 因素 内在关系的基础上 ，求 出主要
动态工况参数随时间变化的解析表达式。由于影响这些动态工
况参数的因素较多 ，往往 为非线性 因素 ，欲求解析表达式 ，就 必须将其中一个或几个非线性 因素线性化 ，这就不可避免地给 计算结 果带来较大 的误 差 。这种 方法 的主要优点是 ：计算 简 便 ，影响工况参数瞬变规律的诸 因素相互关系清晰 、明 了，给
分析计算水 轮机装置过渡过程带来许多方便。 工况参 数瞬变规律 的解析表 达式是 否具有较 高的计算 准
基于Bentley_Hammer的长距离有压管道输水工程的水锤防护研究
总第876期第5期2024年3月河南科技Henan Science and Technology矿业与水利工程收稿日期：2023-09-29作者简介：丁家乐（1998—），男，硕士生，研究方向：水力学；杨明伟（2000—） ，男 ，硕士生，研究方向：水力学。
基于Bentley Hammer 的长距离有压管道输水工程的水锤防护研究丁家乐 杨明伟（华北水利水电大学，河南 郑州 450000）摘 要：【目的】在长距离有压管道输水工程中，因管道内部水流条件复杂而容易产生水锤现象，不仅会影响水流正常输送，还可能导致管道破裂。
因此，有必要进行长距离有压管道输水工程的水锤防护研究。
【方法】基于台前县城乡供水一体化南水北调配套工程，通过Bentley Hammer 软件，在最不利工况下分别建立三种数值模拟模型：无防护措施、加装复合式高速进排气阀水锤防护、气囊式空气罐和复合式高速进排气阀，进行联合水锤防护，对以上三种情况进行水力过渡过程数值模拟分析，研究复合式高速进排气阀与气囊式空气罐联合防护时的水锤防护效果以及气囊式空气罐的防护能力与预设压力和罐体体积之间的关系。
【结果】结果表明：复合式高速进排气阀和气囊式空气罐可以很好地消除管道内水锤带来的危害，气囊式空气罐防护能力随着罐体体积和预设压力的增大而增强，罐体体积对其防护能力影响更显著。
【结论】选择合理的罐体体积和预设压力可以使水锺防护发挥最好的防护效果，最大化输水工程的经济性。
关键词：水锤；水锤防护；复合式高速进排气阀；气囊式空气罐；Bentley Hammer中图分类号：TV675 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）05-0032-07DOI ：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2024.05.007Research on Water Hammer Protection for Long-Distance PressurizedPipeline Water Transmission Project Based on Bentley HammerDING Jiale YANG Mingwei（North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450000, China ）Abstract: [Purposes ] In the long-distance pressurized pipeline water conveyance project, water hammeris easy to occur due to the complex water flow conditions inside the pipeline, which will not only affect the normal transportation of water flow, but also lead to pipeline rupture. Therefore, it is necessary to study the water hammer protection of long-distance pressurized pipeline water conveyance project.[Methods ] Based on the supporting project of the South-to-North Water Diversion Project of the integra⁃tion of urban and rural water supply in Taiqian County, three numerical simulation models were estab⁃lished under the most unfavorable conditions by Bentley Hammer software : no protective measures, in⁃stallation of composite high-speed intake and exhaust valve water hammer protection, airbag air tank and composite high-speed intake and exhaust valve. The combined water hammer protection is carried out, and the numerical simulation analysis of the hydraulic transition process is carried out in the above three cases. The water hammer protection effect of the combined protection of the composite high-speedintake and exhaust valve and the airbag air tank is studied, and the relationship between the protectionability of the airbag air tank and the preset pressure and the volume of the tank is studied. [Findings ] Theresults show that: composite high-speed inlet and exhaust valves and airbag air tanks can be well elimi⁃nate the hazards of water hammer in the pipeline, the protection ability of the airbag air tank increases with the increase of the tank volume and the preset pressure, and the tank volume has a more significant effect on its protection ability.[Conclusions] Selecting a reasonable tank volume and preset pressure will allow it to provide the best protection and maximize the economics of the water transfer project. Keywords: water hammer; water hammer protection; compound high speed intake and exhaust valve; bal⁃loon type air tank; Bentley Hammer0 引言我国水资源分布不均匀，长距离有压管道输水工程在水资源配置优化方面具有重要作用［1］。
浅谈长距离压力输水工程水锤防护设计
浅谈长距离压力输水工程水锤防护设计摘要：长距离输水工程管线长，管道起伏大，输水安全性要求高，而水锤是影响长距离压力输水工程运行的一个重要因素，根据调查统计，在城市给水阀门和工业企业的给水泵站中，绝大部分水锤事故都属与停泵水锤事故。
本文本工程在对压力系统水锤分析时只对停泵水锤进行分析并提出防护设计措施。
关键词：长距离压力输水管道；停泵水锤；防护设计1、工程概况本长距离输水工程，设计流量：20万m3/d（考虑5%的沿程漏损和水厂自用水后为21万m3/d），从取水泵房至水厂主要采用焊接钢管，双管并联，单线长6.2km，管径为DN1200，壁厚10mm；取水泵房设计地面38.5m，泵进口约37.15米，原水引水管余压约2.5-5m。
水厂设计地面标高97.5m，配水井水位标高101.3m，原水进水余压1.0m。
2、模型建立2.1应用软件简介。
本工程水锤分析软件采用奔特力-海思德软件公司的HAMMER软件，该软件将水锤效应（waterhammer）的复杂原理结合成为简单易用的工程工具，建模以节点和管段的稳态计算结果为基础，协助水利工程师顺利地进行任何复杂的水锤水击水力计算与设计。
2.2建模数据。
水泵参数：4台水泵并联工作，3用1备。
其中PMP-1及PMP-2水泵Q=2188m3/h、H=63m，电机功率560kW。
PMP-3及PMP-4水泵Q=4375m3/h、H=63m，电机功率1000kW。
PMP-4为备用泵。
根据取水泵房内远期水泵配置和原水压力管道平面方案布置图及简化的纵断面图，建立水锤计算模型。
示意如下：由上图可知，管线稳态运行时泵后压力最大为70m，管道沿线各节点压力在70m水头范围内，而设计中要求原水输水管的安全可靠性较高，设计泵站后管道采用D1220X10钢管，管线在远期21万m3/d设计流量时可以保证在流量恒定的前提下安全运行，危及管线系统安全的潜在因素是由于事故停泵而引起的停泵水锤，这也是本设计关注的重点。
张峰水库输水二干管线工程重力流水力过渡过程的数值模拟
张峰水库输水二干管线工程重力流水力过渡过程的数值模拟摘要:在供水工程中,当突然启动、停止或为调节流量而起用阀门时所产生的水锤压力往往较大,破坏性强,常造成意外损失。
因此,对关阀水锤进行正确的计算分析,做出必要的防护措施尤为重要。
本文以张峰水库输水二干管线工程为工程背景,进行重力流的水力过渡过程数值模拟,并对计算结果做出分析。
关键词:重力流;关阀水锤;调流调压阀由于压力管路中流速的突然变化,引起管中水流压力急剧上升或降低的现象称为水锤或水击。
水流是具有惯性的,在供水工程中,当突然启动、停止或为调节流量而起用阀门,都将使水流速度发生变化而产生惯性力,惯性力的大小等于水流质量m与加速度的乘积,方向与加速度方向相反。
在出水管路中,这个惯性力就表现为水锤压力。
突然启动、停止或为调节流量而起用阀门所产生的水锤压力往往较大,一般可达正常压力的1.5～4倍或更大,破坏性强,常造成意外损失。
所以对关阀水锤必须进行认真分析,并做出较精确的计算,以便采取必要的防护措施。
重力流水锤是在突然停电或者在阀门关闭太快时,由于压力水流的惯性,产生水流冲击波,就像锤子敲打一样,所以叫水锤。
水流冲击波来回震荡产生的力,有时会很大,从而破坏阀门。
当打开的阀门突然关闭,水流对阀门及管壁,主要是阀门会产生一个压力,由于管壁光滑,后续水流在惯性的作用下,压力迅速达到最大,并产生破坏作用,这就是水力学当中的“水锤效应”,也就是正水锤。
在长距离供水工程中必须考虑这一因素。
相反,关闭的阀门在突然打开后,也会产生水锤,叫负水锤,也有一定的破坏力,但没有前者大。
水锤效应具有很强的破坏作用,可导致管子的破裂或疮陷、损坏阀门和紧固件,为了消除水锤效应的严重后果,在管路中需要设置一系列缓冲措施和设备。
通过计算机数值计算方法来模拟各种工况条件下输水管路系统的水锤状况,包括压力、流量等,进而分析超常水锤压力可能出现的情况,校核阀门和压力管路的承受压力,针对计算分析结果采用必要的水锤防护措施,寻求阀门的最优关闭规律 ,来确保整个供水工程的安全运行,为供水工程的安全运行和供水工程的优化设计提供技术依据,因此意义重大。
有关长距离输水工程水力过渡过程的分析
有关长距离输水工程水力过渡过程的分析摘要：随着社会经济水平的不断提高，我国水利建设获得了长足的发展，其中，长距离输水工程以其重要的社会意义和经济价值获得了业内外人士的普遍关注。
本文将结合实例对长距离输水工程水力过渡过程进行分析，以便参考。
关键词：长距离输水工程；水利过渡工程；分析工程概况某水库输水工程（辽宁省境内），输水管道全长共计222.898公里，途经6市。
该工程属于长距离输水工程，同时还具有大流量以及低扬程的特点，整个输水系统被设计为压力密闭式系统。
泵站上游部分利用有压重力原理进行水流的输送，在整个输水管线上共设置了6个配水站以实现对多个城市的配水，因而管线沿途流量呈现出不断减少的趋势。
其取水头部和输水洞直接相连，不仅设有拦污栅、电动吊车，还设有检修闸门以及工作闸门。
输水洞、配水站之间的主要设施如下：1）调流阀；2）流量计；3）电动蝶阀；4）稳压塔和液控蝶阀；5）排气阀；6）泄水阀[1]。
在有压管道输水工程中，应用水力学非恒定流理论可知，输水系统启停时，系统中的阀门也会随之发生相应的短暂启停，如此一来，便会造成水击的问题。
此过程中，管中流速一旦发生剧烈波动（受某些外界因素影响），将会导致水体压强发生大幅变化，继而对管壁、阀门以及其它各种管路元件造成强烈冲击，轻微时，可能造成相关元件的毁损，严重时，将会造成管道爆裂，影响整个输水工程的安全及正常运营。
由此可见，针对水击过渡过程展开分析、研究具有非常重要的现实意义。
2.水力过渡过程物理模型选择本文将采用一维瞬变流模型对水力过渡过程（或者称之为水击作用）展开数值研究。
其中：1）V—水体流速；2）H—测压管水头；3）a—水击波波速，取值1000m/s2；4）g—重力加速度，取值9.81m/S2；5）x—沿输水管道方向；6）t—时间；7）D—输水管道直径；8）α—输水管道的坡度；9）λ—沿程阻力系数，取值8g/C2。
该控制方程属于常规的双曲线方程，采用特征线—有限差分法展开离散求解。
常见管道系统水锤与防护
热电厂供热模型
热电厂供热模型
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
热水供热网
计算结果
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
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
中芯国际至长江排水管——长距离输送管
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
常见管道系统水锤与防护
城市供水管网 城市热水供热网 工业循环冷却系统 长距离输送（水、油、气）管网 城镇大型排水泵站
一 城市供水管网
复杂管系水锤与防护
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
C : H p H A B(Qp QA ) RQA | QA |
C : H p H B B(Qp QB ) RQB | QB |
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。
水锤效应的解读及防护资料集合(二)
行业标准：
1.给水排水设计手册 (第1册) 常用资料1.pdf
2.给水排水设计手册 (第1册) 常用资料2.pdf
相关专利：
1.【专利】一种防水锤装置及出水装置 2.【专利】限流式管网叠压供水设备 3.【专利】管网水锤消除器 4.【专利】雨淋报警阀
国际文献：
1.基于熵的最小串级控制水电管理涡轮机（en）.pdf
泵站系统水力过渡过程又叫泵站水锤现象，经常发生在水泵站输水系统中。 水锤的发生无疑会给泵站系统带来灾难性破坏，给生产生活带来重大损失，
因此对泵站系统水力过渡过程的研究尤为必要。以泵站系统水力过渡过程为
研究对象，以特征线法为计算基础，借助并最终达到建立泵站系统水力过渡过程仿真平台的目的。
水锤效应的解读及防护资料集合 (二)
更新时间：2014-9-25
模拟与仿真:
1.Flowmaster:
1)高水头水电站爆破膜系统水击分析.rar 采用爆破膜代替调压井是水电站控制水击发生的一项新的技术。针对爆破膜 系统进行水击分析对于保障压力管道系统安全和完善爆破膜系统有着重要意 义。
2)基于Flowmaster的泵站系统水力过渡过程研究.rar
在长距离供水工程中， 空气阀是重要的水锤防护措施。以水锤分析为基础， 构建了空气阀的数学模型， 并结合工程实例， 通过数值模拟仿真对空气阀 在事故停泵工况下的水力过渡过程进行了计算分析。结果表明:合理设置空气 阀，可有效控制沿线负压在管道承受标准之内， 保证长距离供水工程的安全
稳定运行。
3.软起动技术在供水系统改造中的应用.pdf
在对关阀水锤的机理进行研究的基础上， 应用 MATLAB 高级计算语言平台， 对重力有压流管道部分阀门瞬时关闭情况下不同的水锤工况进行了瞬变流计
水力-机械过渡过程计算分析总结
大波动过渡过程计算分析总结水电站输水系统和机组过渡过程的计算分析具有重要的意义，该计算分析对于机组参数GD2的选择、导叶关闭规律的确定、调压室参数的选择和管道线路的布置等方面都有重要的指导作用。
水电站过渡过程计算分析由大波动过渡过程计算分析和小波动过渡过程计算分析两部分组成。
以下对大波动过渡过程计算分析进行总结说明。
大波动过渡过程计算分析主要包含以下几个部分：①该类系统数学计算模型的建立和求解；②仿真计算程序的编制；③具体输水系统有关原始数据的准备（包含实际系统概化问题）；④各种大波动控制工况的计算分析；⑤《水力过渡过程计算分析报告》的撰写。
一．数学计算模型的建立水电站输水系统数学模型由输水道数学模型和边界数学模型两部分构成。
1．输水道数学模型目前，输水道数学模型是根据一元总流流体的运动方程和连续方程，建立有压管道水力瞬变的弹性水锤基本方程组，然后利用特征线法对方程组进行简化、求解（这里暂不讨论无压输水道）；由于在建立和求解模型的过程中，存在一些简化和假定条件，因此存在以下几个值得研究的问题：①现模型采用一元流假定，该假定在某些情况下不适用，应该改用“二元流”或“三元流”原理构造数模。
②该模型要求“同一段管道为单特性管”，因此须对非单特性管进行合理概化。
③该模型中管道阻力系数采用的是阀门关闭前稳态流动的值，实际应该采用动态的阻力系数。
④计算时间步长和波速调整的优化。
⑤含气水锤模型的建立。
2．边界数学模型不同边界具有不同的数学模型，目前基本边界的数学模型已较成熟，满足仿真计算精度要求。
3．数模的求解方法有压输水道数学模型采用特征线法求解；简单边界数学模型（如一元非线性代数方程）采用改进的不动点迭代法求解；复杂边界数学模型（如二元非线性代数方程组）采用牛顿-莱甫生法求解。
二．仿真计算程序的编制利用FORTRAN语言将已建立的数学模型和所选的求解方法编制成仿真计算程序。
同时，须注意以下几个问题：①水轮机特性曲线的变换（目前采用改进的Suter法）。
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有压输水系统水力过渡过程计算与水锤防护技术导则
压输水系统水力过渡过程计算与水锤防护技术导则通常包括以下几个方面：
1. 预测水锤压力：首先需要根据管道系统的特点、泵站和阀门的运行参数，以及水击力学理论，预测水锤压力的大小。
可以使用常用的方法如特征波速法、迭代法、数值模拟等来进行预测。
2. 设计减压设备：在设计压输水系统时，需要合理设置减压设备，如减压阀、蓄冲器等，用于缓冲水锤压力的增减，保护管道系统的安全运行。
减压设备的选型和配置应根据实际情况进行。
3. 控制水锤压力：在系统运行中，可以通过控制阀门的开启和关闭速度，以及调整泵站的运行方式等手段，来控制水锤压力的大小。
一般要求控制水锤压力在可接受范围内，避免对管道系统造成损害。
4. 监测与保护：在压输水系统的运行中，需要设置水锤压力的监测点，并安装合适的传感器进行实时监测。
一旦发现水锤压力超过预设的安全范围，应及时采取措施进行保护，如减压阀自动控制、紧急关闭阀门等。
5. 安全教育与操作规程：对压输水系统的操作人员进行安全教育，使其熟悉水锤防护技术导则，并遵守相关操作规程，保障系统的安全运行。
需要注意的是，不同的压输水系统在水力过渡过程计算与水锤防护技术导则方面可能存在一定差异，具体应根据实际情况进行评估和设计。