复杂管道水锤计算

Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2017年第19期·13·文章编号：2095－6835（2017）19－0013－03南水北调配套工程有压输水管道水锤计算及防护措施韩李明（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）摘要：河北省南水北调配套工程水厂以上输水管道工程中大量采用了管道、暗涵等作为输水方式，输水距离从几百米到上百千米不等，水锤分析难度大、防护措施复杂。

以配套工程某设计单元为例，基于Bentley －Hammer 软件建立了长距离有压输水管道水锤计算模型，将管道末端的阀门关闭时长作为控制条件进行水锤数值模拟。

计算结果表明，通过合理地延长阀门关闭的时长能够有效地减小水锤压力。

结合计算分析结果，提出了通过优化管道纵断布置和合理布置进排气设施来减少水锤压力的防护措施，并对管道的运行调度作了相应的要求，为南水北调配套工程其他管线工程提供了相应的参考。

关键词：长距离输水；有压管道；水锤计算；防护措施中图分类号：TV68文献标识码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2017.19.0131工程概况河北省南水北调配套工程引水水源为南水北调中线河北段，供水范围包括京津以南的邯郸、邢台、石家庄、保定、廊坊、衡水、沧州7个设区市、92个县（市、区）、26个工业园区。

配套工程建设分为4条大型输水干渠和7个地市水厂以上输水管道工程，主要建设内容包括：新建改造石津干渠、廊涿干渠、保沧干渠、邢清干渠4条大型输水干渠，新建邯郸、邢台、石家庄、保定、廊坊、沧州、衡水7个设区市境内从干渠到各供水目标的输水管道，输水形式除石津干渠利用部分原有渠道外全部为管道、暗涵。

配套工程某设计单元输水管道工程采用有压重力输水，进口设计水位为73.5m ，沿线共设5个供水目标，设计供水能力为3.76m 3/s ，各目标供水流量为0.61m 3/s 、2.18m 3/s 、0.305m 3/s 、0.305m 3/s 和0.36m 3/s 。

水锤泵工作原理计算泵是一种常见的机械装置，用于将液体或气体从一个地方输送到另一个地方。

而水锤泵是一种特殊类型的泵，它广泛应用于供水系统中，用于增压和输送供水。

本文将介绍水锤泵的工作原理和计算方法。

一、水锤泵的工作原理水锤泵是利用液体的冲击力和泵的控制系统来实现增压和输送液体的一种泵。

其工作原理可以总结为以下几个步骤：1. 泵启动：首先，水锤泵的电机启动，使得泵转子开始旋转。

泵的转子上装有叶轮，当转子旋转时，叶轮将液体吸入泵内。

2. 液体增压：液体在泵内被吸入后，随着转子的旋转，液体在泵内被压缩和加速。

这样，液体的压力将逐渐增大。

3. 泵出口打开：当液体的压力达到一定数值时，控制系统将打开泵的出口阀门，使得泵内的液体开始流出。

这时，液体在管道中被推动，从而实现了输送的目的。

4. 水锤发生：在液体流出管道时，由于液体的惯性作用和流速的变化，会产生水锤效应。

水锤效应是指液体流动时，速度和压力的突变引起的压力冲击。

5. 控制系统调节：为了避免水锤效应对管道和设备造成损坏，水锤泵内置有控制系统，可以通过调节阀门的开度和泵的转速来控制压力和流量，以确保系统的安全运行。

二、水锤泵的计算方法对于水锤泵的计算，常见的参数包括压力、流量和泵的功率等。

下面列举几个常见的计算公式：1. 流量计算：流量是指单位时间内液体通过泵的体积。

常用的计算公式为：流量 = 斜齿轮转速 ×有效工作容积。

2. 压力计算：压力是指液体在管道中的压力，也称为工作压力。

常用的计算公式为：压力 = 密度 ×重力加速度 ×高度差。

3. 功率计算：功率是指泵转子传输给液体的能力，也是衡量泵的耗能情况的指标。

常用的计算公式为：功率 = 流量 ×压力。

以上只是水锤泵工作原理和计算方法的简要介绍，实际运用中还需结合具体的设计和实际参数进行综合分析和计算。

不同类型的泵和管道系统可能有各自的特点和计算公式，需要根据具体情况进行选择和使用。

第三节水锤计算的解析法-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1第三节水锤计算的解析法一、直接水锤和间接水锤（一）直接水锤若水轮机开度的调节时间≤ 2L/c，则在水库反射波到达水管末端之前开度变化已经结束，水管末端只受因开度变化直接引起的水锤波的影响，这种现象习惯上称为直接水锤。

由于水管末端未受水库反射波的影响，故基本方程式(14-5)和式(14-6)中的函数f(t-x/c)，用以上二式消去F(t+x/c)的直接水锤公式从式（14-13）可以看出，当开度关闭时，管内流速减小，括号内为负值，△H为正，发生正水锤，反之，当开启时，△H为负，发生负水锤。

直接水锤的压强界与流速变(V -Vo )和水管特性（反映在波速c 中）有关，而与开度的变化速度、变化规律和水管长度无关。

若管道中的初始流速Vo=5m/s,波速c=1000m/s,在丢弃全负荷时若发生直接水锤，△H将达510m，因此在水电站中直接水锤是应当绝对避免的。

（二）间接水锤若水轮机开度的调节时间>2L/c,则在开度变化终了之前水管进口的反射波已经到达水管末端，此反射波在水管末端将发生再反射，因此水管末端的水锤压强是由向上游传播的水锤波F和反回水管本端的水锤波f叠加的结果，这种水锤现象习惯上称为间接水锤。

显然，间接水锤的计算要比直接水锤复杂得多。

间接水锤是水电站中经常发生的水锤现象，也是我们要研究的主要对象。

二、水锤的连锁方程利用基本方程求解水锤问题，必须利用已知的初始条件和边界条件。

初始条件是水轮机开度未发生变化时的情况，此时管道中为恒定流，压强和流速都是已知的。

对于图14-1的简单管，边界条件是利用A、B两点。

B点的压强为常数，令ζ=△H/Ho，则=0,水锤波在B点发生异号等值反射。

A点的边界条件较为复杂，决定于节流机构的出流规律。

从《水力学》中我们知道水斗式水轮机喷嘴的边界条件可表达为式中v-管道中的相对流速，V=V/Vmax., V为管道中任意时刻的流速，Vmax为最大流速；τ-喷嘴的相对开度，, w为喷嘴任意时刻的过水面积，为最大面积；ζ-水锤相对压强，ζ=（H-Ho）/Ho，H为管末任意时刻的压力水头，Ho为初始水头。

复杂管路水锤的简化计算摘要：压力管路系统分为简单管和复杂管。

简单管是指压力管道的管径、管壁材料和厚度沿管长不变。

复杂管路有两种，一种是串联管，其管径、管壁厚度、材料随水头沿程变化；另一种是分岔管，是指由一条主管分成两条及以上的支管。

在实际工程中，简单管道是少见的，常遇的是复杂管路。

复杂管的水锤计算一般较繁琐，本文提出复杂管路的简化计算。

关键词：复杂管路；简单管；串联管；分岔管；水锤1 复杂管路的简化计算方法及原则工程设计时，可用“等价水管法”和“合支法”将串联管和分岔管转化为简单管计算。

“等价水管法”是遵循管长、相长、管中水体动能与原管相同的原则，将串联管转化成等价的简单管计算。

“合支法”是设想所有机组合并成一台大机组，装在最长的一根支管的末端，应用的流量等于各台机组流量之和，将分岔管简化成串联管，再按等价水管法计算水锤值。

2 简单管水锤波传播速度计算2.1管道的抗力系数根据管道的不同型式，抗力系数的计算如下：（1）均质薄壁钢管管道轴向自由伸缩：……（2-1）管道轴向不能自由伸缩：……（2-2）式中：——钢管的弹性模量；——管壁厚度，有加劲环时，可近似取，其中，为管壁厚度，和分别为加劲环的截面面积和间距；——钢管的泊松比；——钢管内半径。

（2）岩石中的不衬砌隧洞……（2-3）式中：——岩石的单位抗力系数。

（3）埋藏式钢管或钢筋混凝土衬砌管道……（2-4）……（2-5）……（2-6）……（2-7）……（2-8）式中：——钢衬管的抗力系数；——回填混凝土的抗力系数, 若混凝土已开裂，忽略其径向压缩，可近似地令；——环向钢筋的抗力系数；——围岩的抗力系数；——混凝土的弹性模量；——混凝土的泊松比；——钢管内半径；——衬砌外半径；——钢筋圈的半径；——每厘米长管道中钢筋的截面面积。

2.2水锤波传播速度计算……（2-9）式中：——水的体积弹性模量，一般为2.1×105N/cm2；——水的容重，一般为9.8kN/m3；——压力钢管半径，m；——管道的抗力系数；——水中声音传播速度，一般可取为1435m/s。

长距离输水管水锤计算实例汤凯琳发表时间：2019-06-20T10:20:57.667Z 来源：《基层建设》2019年第8期作者：汤凯琳[导读] 摘要：通过工程实例对大口径，长距离输水管道水锤计算及水锤消除措施进行分析。

广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院广西南宁 530000摘要：通过工程实例对大口径，长距离输水管道水锤计算及水锤消除措施进行分析。

关键词：长距离输水管道；水锤计算；阀门设置1、前言水锤：由于外界原因（如阀门突然关闭，水泵机组突然停车），使压力管道中水流速剧烈变化，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水利撞击现象称为水锤现象。

水锤效应有极大的破坏性：当压力过高时造成管道破裂，压力过低（负压）时造成管道瘪塌，还会损坏阀门和固定件。

根据《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》（CECS 193：2005）需对大型长距离输水管线工程进行水锤分析和防护设计。

水锤防护控制标准：①最大压力控制标准：根据《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》（CECS 193：2005）6.1.4 条“水锤防护措施设计应保证输水管道最大水锤压力不超过1.3 ～1.5 倍最大工作压力”。

②最小压力控制标准：根据《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》（CECS 193：2005），对管线负压值没有做出明确数值规定，但是在第6.3.2 条第3点提出：“在突然停泵过程中输水管道出现负压的部分，宜采取消除负压措施及其效果计算”。

下面以北海备用水源为例，简单分析城镇供水大口径长距离输水管水锤分析及计算。

2、工程概况北海备用水源工程，水源为北海市合浦县洪潮江水库滚水坝水域，水库死水位为21.13m，取水口底高程为19.75m，供水至北海市北郊水厂，管道直接接入水厂絮凝反应沉淀池。

该工程日供水量为16.5万m3/d，输水线路总长32.12km，输水管道采用2根管径为DN1200的球墨铸铁管。

输水线路整体呈两端高中间低，最低点高程约3m，沿线地势比较平缓。

第三节水锤计算的解析法一、直接水锤和间接水锤（一）直接水锤若水轮机开度的调节时间≤ 2L/c，则在水库反射波到达水管末端之前开度变化已经结束，水管末端只受因开度变化直接引起的水锤波的影响，这种现象习惯上称为直接水锤。

由于水管末端未受水库反射波的影响，故基本方程式(14-5)和式(14-6)中的函数f(t-x/c)，用以上二式消去F(t+x/c)的直接水锤公式从式（14-13）可以看出，当开度关闭时，管内流速减小，括号内为负值，△H为正，发生正水锤，反之，当开启时，△H为负，发生负水锤。

直接水锤的压强界与流速变(V -Vo )和水管特性（反映在波速c中）有关，而与开度的变化速度、变化规律和水管长度无关。

若管道中的初始流速Vo=5m/s,波速c=1000m/s,在丢弃全负荷时若发生直接水锤，△H将达510m，因此在水电站中直接水锤是应当绝对避免的。

（二）间接水锤若水轮机开度的调节时间>2L/c,则在开度变化终了之前水管进口的反射波已经到达水管末端，此反射波在水管末端将发生再反射，因此水管末端的水锤压强是由向上游传播的水锤波F和反回水管本端的水锤波f叠加的结果，这种水锤现象习惯上称为间接水锤。

显然，间接水锤的计算要比直接水锤复杂得多。

间接水锤是水电站中经常发生的水锤现象，也是我们要研究的主要对象。

二、水锤的连锁方程利用基本方程求解水锤问题，必须利用已知的初始条件和边界条件。

初始条件是水轮机开度未发生变化时的情况，此时管道中为恒定流，压强和流速都是已知的。

对于图14-1的简单管，边界条件是利用A、B两点。

B点的压强为常数，令ζ=△H/Ho，则=0,水锤波在B点发生异号等值反射。

A点的边界条件较为复杂，决定于节流机构的出流规律。

从《水力学》中我们知道水斗式水轮机喷嘴的边界条件可表达为式中v-管道中的相对流速，V=V/Vmax., V为管道中任意时刻的流速，Vmax为最大流速；τ-喷嘴的相对开度，, w为喷嘴任意时刻的过水面积，为最大面积；ζ-水锤相对压强，ζ=（H-Ho）/Ho，H为管末任意时刻的压力水头，Ho为初始水头。

浅析水锤分析计算和防护措施摘要：在水泵正常运行时，如果突然断电，在供水管道中将形成大于水泵正常工作压力数倍的水锤压力，造成水泵和供水管道破坏。

采用特征线法对取水泵站进行了水锤分析。

计算结果表明：水锤压力较大，影响水泵及管路的安全稳定运行。

本文主要对水锤产生的原因、危害及一些常见的防护措施进行了介绍。

关键词：水锤；水柱脱流；水锤防护一、水锤现象水锤现象在压力管路中，由于流体的流速剧烈变化而引起一系列急骤地压力交替升降的水力撞击现象，称为水锤（水击）现象，也称水力瞬变。

目前，国内外普遍将压力输水管路中所发生的各种水锤现象，通称为输水管路的水力过渡过程。

管路中发生水锤现象时，随着压力的交替升降，液体分子质点将相应地呈现密疏状态交替变化，这种变化以纵波形式沿管路往复传播，因此水锤现象是一种波动。

在有压管路中，由于流速的剧烈变化和水流的惯性而引起一系列急骤的压力变化和密度变化。

它们的综合作用结果，在物理现象上表现为快速传播的水锤波动。

水锤波动全过程包括压力波的产生、传播、反射、干涉以及消失的整个物理过程。

水锤的传播只限于连续的水流中，当管路中出现水柱分离时，水锤波的传播受到影响，将会引起更加复杂的物理过程。

引起水锤的主要原因有：1）启泵、停泵、启闭阀门或改变水泵转速、叶片角度调节流量时；尤其在迅速操作，水流速度发生急剧变化的情况下。

2）事故停泵，即运行中的水泵动力突然中断时，较多是由于配电系统故障、误操作、雷击等情况下的突然停泵。

图1-1 供水系统水锤过程线图二、水锤的危害长距离高扬程输水工程中，水锤事故的发生是较为普遍的现象，尤其是管线高差起伏较大、地形复杂的工程。

事故产生的实例也是多种多样的，例如，水电站内因关闭水轮机导叶时操作失误，而造成压力管内水压上升；泵站系统中，因断电或其他原因而使水泵突然停泵，压水管内的压力在下降之后又产生不同程度的压力上升，导致停泵水锤。

水锤事故都会造成不同程度的灾害，轻则造成水管破裂（即爆管），致使供水中断，影响正常的生产生活；重则造成淹毁泵站、泵船沉没等严重后果。

两种水力过渡计算模型的水锤防护比较: Water hammer of cavities collapsing is harm for long distance and large water pipeline,water hammer boost is dozens of times more than the ordinary water hammer. At present mainly through hydraulic calculation model to predict the pipeline pressure, there are two kinds of models, the difference is that whether can reflect the flow and calculate pressure. By combining theory and practice conclusion, consider the water hammer of cavities collapsing model reflects the actual situation.1 水锤计算模型1.1 传统的暂态流动计算程序模型传统的暂态流动计算程序模型是根据有限差分方程和边界条件，按小步段小时段逐步地来求解暂态流动参数。

步骤：常数计算——初始条件计算——内节点计算——边界结点计算——给出下一时段的初始条件——进行下一时段内节点和边界结点的计算。

1.2 考虑断流的水力过渡计算模型断流弥合水锤又分为空气型和蒸汽型两种，要充分考虑这两种断流原因对整个输水管道的影响。

蒸汽型断流弥合水锤是由于负压波效应使连续的液体被蒸汽空腔隔开，又被压缩波挤压溃灭，从而导致两股水流相撞产生瞬间升压。

本文以宏观角度分析，从一种连续液体加固定蒸气穴的模型出发来分析断流弥合水锤。

对于可能发生完全断流型的固定断面，如果在分时段计算的过程中，断面不发生蒸汽穴，可按通常的水锤计算公式继续运算。

复杂管路多泵系统水力过渡过程计算软件1 功能说明（1）软件采用特征线法进行复杂管路多泵系统水力过渡过程计算。

（2）数学模型中考虑了单向调压塔、简单调压塔、空气压力罐、空气阀、泄压阀等多种防护措施的边界条件，软件只需要在界面上输入有关的设置参数，即可计算分析相应水锤防护设施的防护效果。

（3）数学模型中引入了分汇流节点处的边界条件，并运用编程技巧自动实现一个节点上最多16个管段的分汇流计算，因此，能应用于复杂管路的水力过渡过程计算。

（4）软件可实现多台并联泵中任意几台泵的事故停泵或正常停泵（离心泵）的水锤计算。

（5）软件计算中能动态显示过渡过程中沿管线的流量、压力、调压塔内水位等参数的变化过程；计算后可绘制多种计算结果图以便进行分析，包括：水泵无量纲参数变化过程图、绘不同节点压力流量变化过程图、沿程最大最小压力包络线图、调压塔（罐）参数变化过程图、空气阀参数变化过程图、泄压阀出流过程线图等。

（6）软件可实用于复杂管路多泵（或无泵）系统的供水工程、调水工程或灌溉泵站工程的水锤防护方案分析或复核计算。

2 使用说明（1）启动软件，进入“复杂管路多泵系统水力过渡过程计算软件”软件主界面，如图1。

主界面上显示了软件名称、版本信息等。

界面有背景音乐（离开后自动关闭），MID音乐文件存放在“music”文件夹内。

图1 软件主界面（2）在“主界面”上点击按钮，显示登录密码界面，如图2。

如果需要修改密码，则会提示需要输入注册号。

图2 密码界面（3）软件登录后会进入“系统布置”界面，如图3，上面文字说明软件的主要功能。

图3 系统布置界面（4）在“系统布置”界面上点击按钮，进入“读入工程”界面。

在“读入工程”界面选择工程文件，如“示例1.ZWH”，读入已存的工程数据，如图4。

图4 读入工程界面（5）打开工程后在系统在“系统布置”界面上，显示了读入工程的总管段数、总节点数、总水泵台数、进水池水位、出水池水位等参数，如图5。