第三节水锤计算的解析法
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。
式（14-14)所表达的出流规律对反击式水轮机并不适合，根据这一边界条件导出的水锤计算公式，只适用于水斗式水轮机，对反击式水轮机，只能用于水锤的粗略计算。
在《水力学》教材中已经证明，根据基本方程式(14-5)、式(14-6）和边界条件式(14-14），可导出丢、弃负荷时压力管道末端第一相、第二相和任意相末之水锤方程
式中、、-第一相、第二相和第n相末之相对开度，τo为初始开度；
、、第一相、第二相和第n相末管道末端之水锤相对压强，=(Hi- Ho）/Ho；
ρ-水锤常数，ρ=cVmax/2gHo。
利用以上式组可求出任意相末之水锤，但必须连锁求解，例如欲求第n相末之，必须先依次求出
、、……，,故式(14-15)-式14-17)称为水锤的连锁方程，应用起来不够方便，常设法予以简化。
对增加负荷情况，压力管道末端各相末的水锤方程见表14-1。
三、水锤波在水管特性变化处的反射
水锤波在水管特性变化处（如水管进口、分岔、变径段、阀门等）都将发生反射，以便保持该处压强和流量的连续，这是水锤波的重要特性之一。一般说来，当人射波到达水管特性变化处之后，一部分以反射波的形式折回，另一部分以透射波的形式继续向前传播。
反射波与入射波的比值称反射系数，以r表示。透射波与人射波的比值称透射系数，以s表示，两者的关系为
（一）水锤波在水管末端的反射
水锤波在水管末端的反射决定于水管末端节流机构的出流规律。对于水斗式水轮机，其喷嘴的出流规律
为，当ζ≤时，可近似地取v=τ(1+ζ/2)。在入射波未到达的时刻，如ζo=0,=τ。
设有一入射波f（传至阀门的水库反射波），传到阀门后发生反射，产生一反射波F折回，根据基本方程式(14-6)，得
阀门处的水锤压强为人射波与反射波的叠加结果，根据式（14-5），得
以上二式捎去ζ，简化后得阀门的反射系数为
根据水锤常数ρ和任意时刻的开度τ,可利用式(14-19)确定阀门在任意时刻的反射特性。例如，当阀门完全关闭时，τ=0，r=1，阀门处发生同号等值反射，这证明在第一节讨论水锤现象时所用的假定是正确。
式(14-19)适用于水斗式水轮机，用于反击式水轮机是近似的。
（二）水锤波在管径变化处的反射
对于图14-3所示的变径管，人射波从管1传来，在变径处发生反射，反射波为,透射波为，根据式（14-5）和式（14-6）及水流在变径处的连续性，可导出反射系数
式中，
图 14-3 变径管
为正表示反射是同号的，其结果是使管1中水锤压强的绝对值增大；反之，为负表示反射是异号的，其结果是使管1中的水锤压强的绝对值减小。
若管2断面趋近于零，则由式(14-20)得=1，同号等值反射使该处的水锤压强增加一倍，这
相当于水管末端阀门完全关闭情况。若管2断面无限大，则=0，=0，=-1，异号等值反射使该处的水锤压强为零，这相当于水库处的情况。
（三）水锤波在岔管处的反射
对于图14-4的岔管，入射波从管1传来，发生反射，反射波为，透射波为和,根据水锤基本一方程式（14-5)、式（14-6)和该处水流的连续性，导出反射系数为
式中，Q为总管流量（用其他流量亦不影响计算结果）；A为水管断面积，i=1，2，3。式（14-21）可用于计算水锤波在调压室处的反射。
图 14-4 岔管
四、开度依直线变化的水锤
水轮机导叶或阀门的关闭规律常具有图14-5中实线的形式。从全开(τ=到全(τ=0)的全部历时为,由于节流机构的惯性，曲线的开始一段接近水平，开度的变化速度较慢，在这个过程中，引起的水锤压强很小，对水锤计算的实际意义不大。在接近关闭终了时，阀门速度又逐渐减慢，这种现象只对关闭接近终了时的
水锤有影响。因此，为了简化计算，常取阀门关闭过程的直线段加以适当延长，得到（称有效关闭
时间），用进行水锤计算。在缺乏资料的情况下，可近似地取界=和。
进行水锤计算，最重要的是求出最大值。在开度直线变化情况下，不必根据连锁方程依次求出各相的水锤，再从中找出最大值，而可以采取更简便的方法。
图 14-5 开度变化规律
对于阀门直线关闭情况的水锤，根据最大压强出现的时间可归纳为两种类型：
(1)最大水锤田现在第一相末，如图16-6 (a)，此种水锤称为第一相水锤。
(2)最大水锤出现在第一相以后的某一相，其特点是最大水锤压强虽可能超过极限值，但与相差不
大，可用代表，这一类型的水锤现象可用图14-6(b)代表，称为极限水锤。
产生以上不同水锤现象的原因是由于水管末端阀门的反射特性不同。
（一）第一相水锤
根据式(14-19)，当ρτo<1时(τo为起始开度），r为正，水锤波在阀门处的反射是不变号的。在阀门关闭过程中，阀门处任一时刻的水锤压强系由三部分组成：阀门不断关闭所产生的升压波和经阀门反射向上游的反射波，这两种水锤波都按x轴的负方向传递，统称为反向波；第三部分是经水库反射回来的水锤波，因按x的正方向传递，称为正向波。第一相中，正向波未到达阀门，阀门处的水锤压强只决定于开度关闭
所产生的升压波，第一相末达到，如图16-6(a)。第二相末，正向波早已到达阀门，若阀门的反射是不变号的，水库反射回来的降压波仍反射为降压波，两个降压波之和将超过第二相中由于阀门关闭所产生的升压波，因而第二相末的水锤压强＜。第三相末，由于阀门反射回去的降压波，经水库反射为升压波折回阀门，在阀门处又反射为升压波，这两个升压波的共同作用，又使阀门处的水锤压强开始升高，＞。
图 14-6 开度依直线关闭时的两种水锤现象
根据阀门对水锤波不变号的反射规律，水锤压强绕某一值上下波动，最后趋近于。由于最大水锤出现在第一相末，＞，故称为第一相水锤。
ρτo＜1是发生第一相水锤的判别条件，凡属第一相水锤者，即可利用式(16-15)和第一相末的阀门开度
求出最大水锤压强。
对于图14-5所示的直线关闭规律，一个相的开度变化△τ=-/Ts=-2L/（cTs）,负号表示阀门关闭时开度随时间而减小，令-ρ△τ=σ，则
σ和ρ是水锤计算中两个常用的系数。σ表示阀门开度变化时管道中水流动量的相对变化率。
通常，水锤压强不会超过静水头的50％，若近似地以(1+/2)代替,，则式（14-15）可简化为
发生第一相水锤的条件是ρτo＜1，对于丢弃满负荷情况，τo=1,则有ρ=cVmax/l2gHo＜1,若c=1000m/s, Vmax=5m/s,则Ho>250m,故在丢弃满负荷的情况下，只有高水头电站才可能出现第一相水锤。第一相水锤是高水头电站水锤的特征。
（二）极限水锤
根据式（14-19），当ρτo＞1时，r为负，阀门对水锤波的反射是变号的。在第二相中，水库传来的降压波在阀门处友射成升压波，它和第二相中阀门继续关闭产生的升压波共同作用，使第二相中阀门处的水锤
压强不断升高，即＞。同理，以后各相只要满足ρτ＞1的条件，水锤压强将继续升高趋近于极限值
，见图14-6 (b)。由于水锤的最大值为,故称为极限水锤。极限水锤是中低水头电站水锤的特征。在阀门的关闭过程中，由于ρ是常数，随着阀门开度τ的逐渐减小，经过一定时间即会出现那ρτ＜1的
情况，此时水锤压强达到最大值，以后即上下波动趋于极限值，可见，最大水锤可能出现在第一相以后的任何一相。但在开度直线变化的情况下，前后两相水锤压强之差是逐渐减小的，随着相数的增加，水
锤压强越来越趋近于，即。因此，第一相以后各相出现的最大水锤虽可能超
过，但与相差不大，最大水锤出现得越迟越接近，故除第一相水锤以外的各种水锤现象统统归人极限水锤一类。
根据式(14-17)，列出第n相和第n+l相的水锤方程为
根据极限水锤的概念，若相数足够多，则可认为。
将以上二式相减，并以和-ρ△τ=σ代人，得
解上式得
若以近似值(1+/2)代，则式（14-23）可进一步简化为
仅仅用ρτo大于还是小于1作为判别水锤类型的条件是近似的。水锤的类型不但与ρτo有关，而且σ与
有关，可根据二者的数值从图14-7查出。图中有五个区域：I区，属极限正水锤范围；Ⅱ区，＞，属第一相正水锤范围，Ⅲ区，属直接水锤范围；Ⅳ区，，属极限负水锤范围；Ⅴ区，，属第一相负水锤范围。
图 14-7 水锤类型区分图
查出水锤的类型后，可选择相应的计算公式求出最大水锤压强。
表14-1中汇人了各种主要情况的水锤计算公式供选用。
五、起始开度和关闭规律对水锤的影响
（一）起始开度对水锤的影响
水电站可能在各种不同的负荷情况下运行。当电站满负荷运行时，τo=1；当电站以部分负荷运行时，τo< 1。因此，水电站因事故丢弃负荷时的起始开度τo可能有各种数值。
从式（14-24）可以看出，只与σ有关，而与τo无关，因此在ζ-τo坐标场上是一平行于几轴的直线,见图14-8。
从式(14-22)可以看出，随τo的减小而增大，在ζ-τo坐标场上是一根下降的曲线。
式(14-13)为直接水锤公式。当水电站丢弃全部负荷时，V=0,起始流速Vo=τoVmax,代人式(14-13)，得
在ζ-τo坐标场上是一根通过坐标原点的直线，斜率为2ρ。
图 14-8 不同起始开度的水锤压强
图14-8是根据特性常数ρ=和σ=绘制的。分析此图可得出以下结论：
（1）当τo＞（1/ρ)，即ρτo＞1时，＞，最大水锤压强出现在开度变化终了。与τo无关。
(2）当（σ/ρ) ＜τo＜(1/ρ）时，＞，最大水锤出现在第一相末，τo越小；越大。
(3)当τo≤（σ/ρ)时，发生直接水锤。在开度直线变化时，关闭时间与τo成正比，若τo=1时的关闭时间为
,则任意起始开度τo时的关闭时间T =τoTs,同时（σ/ρ) = (2 L/cTs），故不难由τo≤（σ/ρ）导出T≤2L/c,这是发生直接水锤的条件。
(4)最大水锤发生在起始开度τo=σ/ρ之时，由式(14-26)得
图14-8中的实线表示在不同起始开度τo时的最大水锤压强，可见在该情况下最大水锤并不发生在丢弃满负荷之时，而是发生在全部丢弃较小负荷之时。低水头电站的值ρ较大，在τo较小时，仍可能发生第一相水锤。但必须说明：
（1）水轮机存在空转开度 ,在该开度时，机组已不能输出功率，因此机组不可能在开度小于的情况下运行，若>σ/ρ,则不可能发生直接水锤，亦即不会出现ζmax=2σ的情况。与水轮机的型式有
关：混流式水轮机=；转桨式水轮机=；定桨式水轮机=。
（2）以上讨论，均以开度依直线变化且关闭时间与起始开度的大小成正比这一假定为基础。开度的变化规律决定于调速系统的特性，一般在关闭终了有延缓现象，如图14-5所示。在丢弃小负荷时的实际关闭时间比按直线比例关系求出的要长，即大于τoTs，因此丢弃小负荷时的实际水锤压强往往并不起控制作用，只是一种在设计时应该考虑的因素。
（二）开度变化规律对水锤的影响
前面我们讨论了开度依直线变化情况下的水锤现象。开度的变化规律不同，水锤压强的变化过程也不同。图14-9上部绘出了三种不同的关闭规律，三种规律都具有相同的关闭时间，下部绘出了与之相应的三种水锤压强变化过程线。可以看出，关闭规律不同，水锤压强变化过程有很大差异。以Ⅱ、Ⅲ两种情况为例：曲线Ⅱ表示开始阶段关闭速度较快，因此水锤压强迅速上升达最大值，以后关闭速度逐渐减慢，水
锤压强也逐渐减小；曲线Ⅲ(的规律与曲线Ⅱ相反，关闭速度是先慢后快，而水锤压强是先小后大。水锤压强的上升速度随阀门关闭速度的加快而加快，最大压强大致出现在关闭速度较快的那一时段的末尾。从图中可以看出，关闭规律I较为合理，其ζmax=；最为不利的是关闭规律Ⅲ，其ζmax=，约为前者的3倍。可见开度的变化规律对水锤压强的影响很大。
图 14-9 不同关闭规律的水锤压强
对于非直线关闭规律的水锤，需以每相末的开度依次代人连锁方程式(14-15)-式(14-17)求解。
关闭规律决定于调速系统的特性，在一定的范围内是可调的。合理的关闭规律是，在一定的关闭时间情况下，在调速器的可调范围内，获得尽可能小的水锤压强。采用合理的调节规律以降低水锤压强，不需要额外增加投资，是一种经济而有效的措施，这一点在理论和实践上都是应该重视的。
六、水锤压强沿水管长度的分布
以上讨论的都是水管末端A点的水锤问题。设计压力管道时，不仅要知道A点的压强，而且需要水锤沿管长分布的资料。压力管道的强度设计需知管道沿线各点的最大水锤升压；管路布置则需知管道沿线各点的最大水锤降压，以检验管内有无发生真空的可能。在开度依直线规律变化情况下，极限水锤和第一相水锤的分布规律是不同的，如图14-10所示。
图 14-10 水锤压强沿管长的分布
（一）极限水锤的分布规律
研究证明，当压力管道末端出现极限水锤时，无论是正水锤还是负水锤，管道沿线的最大水锤压强都是
按直线规律分布，如图14-10中的虚线所示。若管道末端A点的最大水锤为和，则任意点P的最大水锤
（二）第一相水锤的分布规律
研究证明，第一相水锤沿管长不依直线规律分布。对于正水锤，其分布曲线是上凸的，负水锤的分布曲线是下凹的，如图14-10中的实线所示。
任意点P的最大水锤升压发生在A点的最大水锤升压传到P点之时，即比A点出现最大水锤升压滞后(L-ｌ)/c，其值为
式中-第一相末A点的水锤压强，下标誉表示水锤发生的时刻，因此相当于式（14-15）和式（14-
22,）中的可直接用该二式之一求出；
-第一相终了前2ｌ/c秒时A点的水锤压强，发生在时刻(-2ｌ/c)，当传到P点时，
正好经水库反射折回P点，故P点的水锤压强是二者的代数和。仍可用式(14-15)求解，只需以该时刻的开度代式中的即可。式(14-30)的近似表达式为
式中σ=LVmax/gHoTs,。
上式应用较方便，在一般情况下也有足够的精度。
从式(14-30）的或式（14-31）可以看出，等号右端第一项为管长为L时之A点第一相末水锤压强，第二项为管长为L-ｌ（相当于水库移至P点）时之A点第一相末水锤压强，P点最大水锤压强为上述两者之差。
对于第一相负水锤，任意点P的最大水锤降压为
式中为阀门开启2ｌ/c时刻A点的负水锤，可用表14-1中的公式求解，用2ｌ/c时刻的开度代替。检相当于管长为ｌ（即阀门移至P点）时的第一相水锤。
式（9-32）的近似式为
式中。
对于第一相水锤，假定压强沿管长直线分布是不安全的。
七、开度变化终了后的水锤现象
直到目前为止，我们讨论的都是开度变化过程中的水锤现象。在开度变化终了后，水锤一般并不立即消失，而有一个变化过程。研究这个过程对水轮机的调节和压力管道的设计有时是必要的，例如，阀门关闭终了后的正水锤可能经阀门反射而成负水锤，其值可能大于阀门开启时的压力降低值。
图 14-11 开度变化终了后的水锤现象
开度变化终了后的水锤现象决定于开度变化终了时的阀门反射特性，可用式（14-19）加以判别。若终了开度记为τc，则式（14-19）可写成
(1)若阀门在第n相全部关闭，τc=0, r=1,阀门发生同号等值反射。阀门关闭终了时的升压波经水库反射为等值的降压波返回阀门，又经阀门反射为等值降压波返回水库，两个降压波和一个升压波的叠加，使第n+1相水锤压强与第n相（即阀门关闭终了时）水锤压强绝对值相等而符号相反，若不计摩阻，则阀门关闭后水锤压强成周期性不衰减振荡，如图14-11（a）所示。
(2)若τc>0,ρτc<1,则0 (3)若τc>0, ρτc=1，则r=0,阀门不发生反射，水库传来的反射波到达阀门雌失，如图9=11（c)所示。气、（4）若τc>0,ρτc>1，则一1 对于增加负荷情况可得到类似的结论，但此时τc较大，出现后两种情况的可能性较多。 第四节水锤计算的特征线法 前面介绍了水锤计算的解析法。解析法的优点是应用简便，但难以求解较为复杂锤问题。水锤计算的特征线法原则上可以解决任何形式的边界条件问题，可以较合理应水轮机的特性，能较方便地计人摩阻的影响，也便于用数字计算机计算。 特征线法有两种，一种以ζ-v（或H-V）为坐标场，一种以x-t为坐标场，两法的结果是一致的。 图14-12 简单管示意图 一、以ζ-v为坐标场的特征线法 图14-12表示一特性沿管长不变的水管，P为管中任意一点，距A点和B点的距离分为和。根据基本方程式(14-5)和式(14-6)可导出求解P、B、A三点水锤压强时征线方程。 （一）任意断面P的水锤求解 根据基本方程式（14-5）和式（15一6），P点在时刻t的压强和流速变化为 式中上标“P”表示地点，下标“t”表示时间，例如，表示P点在时刻t的水头，余类推。对于某一确定的断面P，为一常数，为便于书写，在波函数F和f中略去了。 对于A点，在时刻可写出下列相似的方程 因F是由A向P传播的反向波，故。由于水管特性不变，。考虑以上关系，将式(a)和式(b)两组方程相减，得 以上二式消去f，并将ζ=△H/Ho、v=V/Vmax和ρ=cVmax/2gHo。 对于B点，在时刻可以写出与式(b)相似的方程 因f是由B向P传播的正向波，故，将式(c)与(a)两组方程相减，以上法处理，得 从形式上看，式（14-35）是反x向写出的，称之为反向方程，在ζ-v坐标场上是一根斜率为2ρ的直 线，如图14-13中的线；式（9-36）是顺x向写出的方程，成为正向方程，在ζ-v坐标场上是一根斜率为-2ρ的直线，如图14-13中的线。 图14-13 ζ-v坐标场上得特征线 在式（14-35）和式（14-36）中，如已知A点在时刻和B点在时刻的压强和流速 ，即可求出P点在时刻t的压强和流速。和为图14-13中Pt的坐标值，可用 和两条直线的交点求出。用特征线法求解压强和流速的方法就是过去广为采用的水锤计算的图解法。 （二）进口B点的水锤求解 已知P点在时刻t的压强和流速，列出PB间反向方程 压力水管进口为水库或平水建筑物，,故由上式可确定未知量。 （三）管末A点的水锤求解 已知P点在时刻t的压强和流速，列出PA间的正向方程 循环水系统水锤过程分析 2月11日A值白班，#1、2机组同时停运，循环水系统仅启动了#1机循泵A，通过循化门联通#1、2机组循环水系统以保证闭冷水的冷却。启动变恢复操作需要停止#1机组的循泵A。当循泵A停止时集控楼、生产楼及循泵房均出现剧烈的振动；循泵A出口连接橡皮圈被顶出且撕裂。基于此现象可以初步判断循环水系统出现水锤现象。【水锤（Water Hammer），或称水击，意指水流于长管路中流动，此时若将管路下游之阀门快速关闭，水流之流动具有惯性之动量，因此水流之惯性动量持续往前推挤，造成管内压力急速上升，造成管路受到破坏】水锤能量全过程分析可能是由于循泵出水往凝器方向传递，并逐渐停止水流，一部分水由凝器循环水管排出至回水管，另一部分水由动能变为重力势能。此为水回流的第一股能量；当水停止流动时系统中仍然存在着压力势能，此时压力较高的凝器侧循环水母管需要想压力较低的循泵侧泄压。#2机循环水系统也出现这样的过程。此为水回流的第二股能量。由于循泵停泵逻辑为先关门至70%左右，再停泵，最后将门全部关闭。当门全部关闭后，由于水流不断往凝器方向流动，而循泵侧又没有工质补入，直接导致管路中有真空出现。此为水回流的第三股能量；Ⅰ、Ⅱ期循泵联络运行，虽然联络管路较之循环水母管比略小，但是毕竟Ⅱ期循泵供水母管仍有压力存在必然会产生流动。此为水回流的第四股能量（在系统中未明显显现）。 以上四股能量在下面详细分析主次方面： 1、重力势能主要存在于#1、2机组凝器循环水进水管（4根）。仅从泵出口 管和凝器循环水进水管高度差来比较不会大于3米。这股能量不可能为 循环水回流提供过大的动能。可以认为是造成水锤作用的次要方面。 2、压力势能主要存在于#1、2机组循环水母管中间。#1机循环水母管压力 0.48bar，#2机循环水母管压力0.28bar。这样的压力远远低于双循泵运行 的工作压力。循泵停止后压力逐渐卸去，压力势能转化为水回流的动能。 这个方面的转化不可避免，但即使此过程能量100%转换且无摩擦力，那 么在水回到循泵出口蝶阀时提供的压力也应该小于0.48bar。这一能量应 该是造成水锤作用的次要方面。 3、真空出现主要由于关门作用引起，循泵蝶阀关闭越快则真空越大。对于 第九章水电站的水锤及调节保证计算 本章重点内容：水电站有压引水系统非恒定流现象和调节保证计算的任务、单管水锤简化计算、复杂管路的水锤解析计算及适用条件、机组转速变化的计算方法和改善调节保证的措施。 第一节概述 一、水电站的不稳定工况 由于负荷的变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。其主要表现为： (1) 引起机组转速的较大变化 丢弃负荷：剩余能量→机组转动部分动能→机组转速升高 增加负荷：与丢弃负荷相反。 (2) 在有压引水管道中发生“水锤”现象 管道末端关闭→管道末端流量急剧变化→管道中流速和压力随之变化→“水锤”。 导时关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降。 导叶开启时则相反，将在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中则引起压力上升。 (3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。 二、调节保证计算的任务 (一) 水锤的危害 (1) 压强升高过大→水管强度不够而破裂； (2) 尾水管中负压过大→尾水管汽蚀，水轮机运行时产生振动； (3) 压强波动→机组运行稳定性和供电质量下降。 (二) 调节保证计算 水锤和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。 1．调节保证计算的任务： (1) 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据；最小内水压力作为压力管道线路布置，防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据； (2) 计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率，并检验其是否在允许的范围内。 (3) 选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和转速变化不超过规定的允许值。 (4) 研究减小水锤压强及机组转速变化的措施。 Hammer软件在市政管道中的应用 田文军（Bentley 软件（北京）有限公司） 摘要：本文介绍了水锤的基本概念，危害和工程中的预防。根据建设工程中的问题提出预防水锤发生的措施，以提高供水系统的运行安全和可靠性，进而降低投资成本简化运行。并通过Bentley Haestad HAMMER 展示电算法在水锤预防当中的应用。 关键词：Hammer 水锤供水系统长距离输水爆管建设成本运行管理水力计算计算机模拟 1.水锤危害及其防控 1）水锤的定义 水锤是指在压力管道中由于液体流速的急剧变化，造成管中的液体压力显著、反复、迅速地变化，（例如水泵骤停、突然关闭阀门），由液体的压缩性和管道的弹性引起的输送系统中的压力波动，在压力急剧升高的位置产生破坏。水锤的破坏力惊人，对管网的安全平稳运行是十分有害的，容易造成爆管事故。 防止水锤爆管事故的方法有：输水系统中加调压装置，改变管网布置和构成，以达到改变水锤冲击波频率和强度的目的。 2）水锤的危害 水泵启动和停机、阀门启闭、工况改变以及事故紧急停机等动态过渡过程造成的输水管道内压力急剧变化和水锤作用等，常常导致泵房和机组产生振动。由于水锤的产生，使得管道中压力急剧增大至超过正常压力的几倍甚至十几倍，其危害很大，会引起管道的破裂，影响生产和生活。因此必须在长距离压力管段输送系统中安装安全装置。 水锤有正水锤和负水锤之分，它们的危害有： 正水锤时，管道中的压力升高，可以超过管中正常压力的几十倍至几百倍，以致管壁产生很大的应力，而压力的反复变化将引起管道和设备的振动，管道的应力交变变化，将造成管道、管件和设备的损坏。 负水锤时，管道中的压力降低，应力交递变化，出会引起管道和设备振动。同时负水锤时，管中产生不利的真空，造成水柱断流，和再次结合形成的弥合水锤，对管道破坏更为严重。 目前我国泵站相关设计规范（室外给水设计规范GB50013-2006;泵站设计规范GB/T 50265-97）中对水锤防护的计算已经做以相应的规定。 3）管道系统设计和规划中的水锤因素 工程师在设计给水管网过程中需要考虑预算和技术因素，包括运行成本、概算、建设地点和地形条件等因素。在设计管网和消除水锤设备中需要不断进行复杂的风险评估和方案比选，以降低建设成本和运行风险。通常管线规划在平坦地区。在这些系统中需要调整管线平面走向和剖面位置，防止管道在高点积气或压力过低。 停泵水锤计算及其防护措施 停泵水锤是水锤现象中的一种，是指水泵机组因突然断电或其他原因而造成的开阀状态下突然停车时，在水泵及管路系统中，因流速突然变化而引起的一系列急剧的压力交替升降的水力冲击现象。一般情况下停泵水锤最为严重，其对泵房和管路的安全有极大的威胁，国内有几座水泵房曾发生停泵水锤而导致泵房淹没或管路破裂的重大事故。 停泵水锤值的大小与泵房中水泵和输水管路的具体情况有关。在泵房和输水管路设计时应考虑可能发生的水锤情况，并采取相应的防范措施避免水锤的发生，或将水锤的影响控制在允许范围内。我院在综合国内外关于水锤的最新科研成果并结合多年工程实践的经验，以特征线法为基础开发了水锤计算程序。这一程序可较好地模拟各种工况条件下水泵及输水管路系统的水锤状况，为高扬程长距离输水工程提供设计依据。 1 停泵水锤的计算原理 停泵水锤的计算有多种方法:图解法、数解法和电算法。其基本原理是按照弹性水柱理论，建立水锤过程的运动方程和连续方程，这两个方程是双曲线族偏微分方程。 运动方程式为： 连续方程式为： 式中H ——管中某点的水头 V——管内流速 a——水锤波传播速度 x——管路中某点坐标 g——重力加速度 t——时间 f——管路摩阻系数 D——管径 通过简化求解得到水锤分析计算的最重要的基础方程： H-H0＝F(t-x/a)+F(t+x/a) (3) V-V0＝g/a×F(t-x/a)-g/a×F(t+x/a) (4) 式中F(t-x/a)——直接波 F(t+x/a)——反射波 在波动学中，直接波和反射波的传播在坐标轴(H，V)中的表现形式为射线，即特征线。它表示管路中某两点处在水锤过程中各自相应时刻的水头H与流速V之间的相互关系。为了方便计算机的计算，将上述方程组变 900MW压水堆堆芯稳态热工分析及一回路系统水锤计算 作为人类所使用的重要能源之一的核能，因其突出的环保性和经济性，是各个国家重点发展的对象，因其在利用过程中产生的放射性，安全性在核能利用方面占据尤为重要的地位。压水堆是目前世界核电站所采用的主流堆型，占据当前全世界运行机组的60%；在我国运行的核电机组中，压水堆所占的比例更是高达87%。本文针对核反应压水堆堆芯和一回路系统的两个重要的安全因素：堆芯热工和一回路水锤进行了深入的理论研究和数值计算。 结果不仅为核反应堆的设计及安全运行提供理论依据，且为反应堆一回路系统设计时消除或减轻水锤危害提供理论借鉴。本文以900MW压水核电站的堆芯为模拟对象，利用COBRA-IV子通道模型堆芯分析软件，将堆芯燃料组件及冷却剂流道截面由内至外划分为子通道，并考虑相邻子通道之间冷却剂质量及动量的交混，对反应堆进行热工分析。得到了冷却剂在各子通道在轴向不同高度上不同截面的冷却剂质量流速的分配；并利用质量、能量和动量以及其离散方程求得冷却剂在各子通道轴向的温度分布；利用堆芯导热模型，进一步计算得到各子通道燃料棒包壳外表面轴向温度分布和各子通道燃料芯块轴向不同高度处的温度分布，验证其是否达到了热工设计准则中所要求的标准；根据各子通道临界热流密度和实际热流密度得到堆芯各点的DNBR值，并分析反应堆堆芯的安全裕度；最后，将计算结果与运行结果进行比较，验证计算结果的准确性。 本文采用特征线法，针对900MW压水堆一回路系统设备特点建立了完整的数学物理方程和相关边界条件。结合水头平衡方程，阀门运动曲线，以及泵的全特性曲线等分别建立了启泵和停泵以及止回阀运动的模型；并利用FORTRAN语言开发了水锤计算程序，对含止回阀的3泵并联在启动及切换工况下的水锤特性进行 水锤理论及其应用综述 对封闭管道水力瞬变主题的理论和现实利益的研究已超过一百多年的历史。虽然管网的一维性研究是简单的，但是瞬态流体流动的完整描述是流体动力学理论中一个有趣的问题。例如，目前对管道中瞬态的波湍流结构和强度响应和管道中由于水动力不稳定因素引起的流轴对称损失尚无法了解。然而，这种了解对于瞬态管子流动中的能量耗散和水质模型是重要的。这篇文章在历史发展状况以及目前在水利瞬边领域的研究和实践两个方面做了回顾。特别是，这篇文章论述了一维流动的质量和动量方程，波速，数值求解一维问题，以及一维问题的壁面剪应力模型；二维流动的质量和动量方程，湍流模型，数值求解二维问题，边界条件，瞬态分析软件，和水锤理论和实践未来的研究方向。报告着重介绍了各种方程的假设和限制条件，从而阐明了这些方程运动的范围以及这些方程运用的局限性。了解这些方程是局限性是非常重要的（1）可以用来解释结果，（2）判断从他们获得的数据的可靠性，（3）尽量减少在研究和实践的滥用水锤模型，和（4）可以划分影响数值结果和水锤模型物理过程的影响因素。 1 引言 实际上物理知识方面的增长不能被当做一个积累的过程。这种知识的基本格式改变是不时的……，在累计期间，科学家按照他们知道的方法去研究，除了缺少细节和精度的改进。他们依照自然界的规律 思考问题，例如在一定的时间里用简单的模型去解释他们现实的经验。后来的科学家通常发现这些现实体现某些隐含的假设和假设的观念，后来验证竟然是不正确的。范德堡。 中国古代，中部美洲玛雅印第安人，美索不达米亚文明，尼罗河，底格里斯河和幼发拉底河系统接壤，和整个历史上的许多其他社会已经开发出传达的水，主要用于农业灌溉用途广泛的系统，但也为国内旅游业议会供水。古人在“传统，”文化为基础的高科技技术的背景下理解和运用流体流动的原则。随着科学时代的到来和数学中牛顿的原理的发展，我们对流体流动理论有了一个抽象飞跃。到二十世纪中叶，这一飞跃已推动整个水利工程的发展。高速计算机的出现，促使了另一种流体工程原理的研究和应用的离散改造。今天，在液压系统等领域，工程师发现随着技术的迅速进入一个前所未有的知识和信息的积累阶段，他们的任务有了更大的广度和深度。 引述科学革命的结构中的话，库恩称这样激进的时期和我们物理观念的迅速改变真的是一种革命和非累积的过渡时期。而他所持有的科学的观念是真实的，他的言论也同样适用于我们运用的技术能力去涉及一个修改过的或更复杂的物理领域。正是在这种情况下，封闭管道瞬态流动，甚至更普遍，液压分析，设计，管道系统的运作，才会被发现。 计算机时代充满着希望，它带来了巨大的发展和新知识和新技术的应用。以前接受的设计方法，标准和准则正在受到挑战，在某些情况下，过时和修订也在被挑战。计算机辅助分析和设计造成这些改变的主要 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 天津大学，水电站249页水锤压力例题9-2 某水电站压力管道长L=400m ，直接自水库引水，上下游水头差120m ，水击波速度a=1000m/s 。阀门全部开启（τ0=1）时，管道流速Vmax=4.5m/s 。(1)设阀门在0.5s 中全部关闭，求阀门断面最大水击压力。（2）设阀门按线性规律关闭，有效关闭时间Ts=4.8s 。①若阀门由全开到全关，求阀门断面最大水击压力。②若阀门由部分开启（τ0）到全关，求阀门断面最大水击压力。 解： 1判断水击类型 计算相长， s a L t r 8.01000 40022=?== （1）阀门在0.5s 中全部关闭， a L t 2<，发生直接水锤，)(4595.48 .910000m v g a H =?==? （2）阀门按线性规律关闭 ①有效关闭时间Ts=4.8s ，阀门由全开到全关，a L t 2> =0.8s ，发生间接水锤。 ②若阀门由部分开启（τ0=0.5）到全关，Ts=4.8s ×0.5=2.4（s ），a L t 2>=0.8s ，发生间接水锤。 2计算管道特性常数ρ、σ 91.1120 8.925.4100020max =???==gH av ρ 32.08.48.95.44000max =??== s T gH Lv σ 3判断何种间接水锤、计算水锤压力值 ①有效关闭时间Ts=4.8s ，阀门由全开到全关，ρτ0=1.91×1=1.91>1，为极限水锤。 采用表9-1中简化公式 38.032 .0232.0222=-?=-=σσξA m ； )(6.4512038.00m H H A m =?==?ξ ②若阀门由部分开启（τ0=0.5）到全关，Ts=4.8s ×0.5=2.4（s ） ρτ0=1.91×0.5=0.96<1，按照第一相水锤近似公式 32.05.091.1132.021201-?+?=-+=σ ρτσ ξA =0.39 )(8.4612039.001m H H A =?==?ξ 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。 式（14-14)所表达的出流规律对反击式水轮机并不适合，根据这一边界条件导出的水锤计算公式，只适用于水斗式水轮机，对反击式水轮机，只能用于水锤的粗略计算。 在《水力学》教材中已经证明，根据基本方程式(14-5)、式(14-6）和边界条件式(14-14），可导出丢、弃负荷时压力管道末端第一相、第二相和任意相末之水锤方程 文章编号:1007-2284(2005)06-0107-02 不同泵阀开启方式下 水泵起动水锤计算分析 赵红芳 (上海市水务工程设计研究院有限公司,上海 200063) 摘 要:针对某循环水供水系统的特点,应用水锤基本理论和特征线方法,对泵出口阀不同开启方式对应的泵出口阀后起动水锤压力进行了比较分析,得出了较合理的泵阀开启方式。从计算结果看,最大起动水锤压力发生在泵吸水室最高水位对应的工况,本系统采用泵起动后再60s 开阀这种泵阀开启方式,无大的起动水锤问题。 关键词:循环水供水系统;泵阀开启方式;起动水锤;特征线法 中图分类号:T U 991.39 文献标识码:B 某循环水供水系统由循环水泵经供水管道向用水设备供水,为确定系统在水泵起动水力过渡过程中,是否会产生较大的起动水锤压力,结合该循环水供水系统的实际情况,对4种吸水室水位条件下,泵及出口阀按不同方式开启的水泵满管起动工况进行了计算机模拟数值分析。泵系统详细资料如下:水泵额定流量11m 3/s,额定扬程17.8m,额定转速329r /min,额定效率88%,机组转动惯量664kg.m 2 ,泵出口阀选用可控液控蝶阀,系统管线纵剖图如图1所示。针对该系统的具体条件,重点对泵起动后再开阀、泵阀同时开启、阀开到15 时泵起动这三种方式对应的起动过程进行了分析和比较,得出了比较 合理的泵阀开启方式。 图1 系统管线纵剖图 1 供水管道水力过渡过程分析的数学模型 1.1 水力过渡过程计算的特征线法 描述管道瞬变流的基本方程为由运动方程和连续方程组成的非线性偏微分方程,在特征条件d x /d t =V a 的约束下,偏微分方程可转化为常微分方程,通过一阶近似的有限差 分,管道瞬变流基本方程可以简化为如下形式: 收稿日期:2005-01-18 作者简介:赵红芳(1978-),男,助理工程师。 H p i =(C P +C M )/2 Q p i =(C P -H pi )/B =(H pi -C M )/B (1) 式中:C P =H i-1+BQ i-1-RQ i-1|Q i-1|;C M =H i+1+BQ i+1-RQ i+1|Q i+1|;管道的特征常数B =a/(g A );管道的摩阻特性常数R =f x /(2g D A 2);V 、H 和Q 分别表示管道的瞬态流速、瞬态压力水头和瞬态流量;D 为管道直径;A 为管道断面面积;a 为水锤波速。 1.2 单泵起动的水泵端边界条件 设水泵转速由零线性升高到额定转速所需时间为T S ,则水泵起动过程中任意瞬时的相对转速 可以由下式确定: =T /T S T T S =1 T >T S (2) 同时,在起动过程中,水泵的水头平衡条件方程可用下式 表示: F 1=E s -C M -BQ R V +H R (a 2+v 2)[A 0+A 1( +arctan (v/a))]-H f 0v |v | 2 =0 (3)式中:E s 为上游水位;Q R 、H R 分别为水泵额定流量、额定扬程;H f 0为阀门全开时的水头损失; 为阀门的无量纲开度系数;A 0,A 1为水泵全特性曲线的插值系数。 2 起动水锤过程数值模拟 根据水泵厂家提供的资料,泵起动时间为5~10s,这里假定泵6s 可以完成起动。泵出口蝶阀均采用匀速开启,开启时间分别选取30s 和60s,蝶阀不同开启角度的特性如表1。 表1 蝶阀不同开启角度的特性 开启角度90 81 72 63 54 45 36 27 18 9 0 开度系数 1 0.9010.7540.5910.4530.3380.2380.1630.0850.025 图2~图7绘制了4种泵吸水室水位-2.627m 、-0.667m 、2.463m 、3.253m 情况下,阀全开时间分别为30s 和60s,三种泵阀开启方式对应的泵出口阀后的起动水锤压力变化曲 107 中国农村水利水电 2005年第6期 第一节概述 一、水电站的不稳定工况 机组在稳定运行时，水轮机的出力与负荷相互平衡，这时机组转速不变，水电站有压引水系统(压力隧洞、压力管道、蜗壳及尾水管)中水流处于恒定流状态。 在实际运行过程中，电力系统的负荷有时会发生突然变化(如因事故突然丢弃负荷，或在较短的时间内启动机组或增加负荷)，破坏了水轮机与发电机负荷之间的平衡，机组转速就会发生变化。此时水电站的自动调速器迅速调节导叶开度，改变水轮机的引用流量，使水轮机的出力与发电机负荷达到新的平衡，机组转速恢复到原来的额定转速。由于负荷的变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。其主要表现为： (1) 引起机组转速的较大变化 由于发电机负荷的变化是瞬时发生的，而导叶的启闭需要一定时间，水轮机出力不能及时地发生相应变化，因而破坏了水轮机出力和发电机负荷之间的平衡，导致了机组转速的变化。丢弃负荷时，水轮机在导叶关闭过程中产生的剩余能量将转化为机组转动部分的动能，从而使机组转速升高。反之增加负荷时机组转速降低。 (2) 在有压引水管道中发生“水锤”现象 当水轮机流量发生变化时，管道中的流量和流速也要发生急剧变化，由于水流惯性的影响，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化，即产生水锤。导叶关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降。反之导叶开启时，在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中引起压力上升。 (3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。无压引水系统中产生的水位波动计算在第八章已介绍。 二、调节保证计算的任务 水锤压力和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。调节保证计算的任务及目的是： (1) 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据之一；最小内水压力作为压力管道线路布置、防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据。 (2) 计算丢弃负荷和增加负荷时的机组转速变化率，并检验其是否在允许范围内。 (3) 选择水轮机调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和转速变化不超过规定的允许值。 编号：AQ-Lw-03738 ( 安全论文) 单位：_____________________ 审批：_____________________ 日期：_____________________ WORD文档/ A4打印/ 可编辑 一起停泵水锤事故分析及其防 止 Analysis and prevention of a water hammer accident caused by pump stop 一起停泵水锤事故分析及其防止 备注：加强安全教育培训，是确保企业生产安全的重要举措，也是培育安全生产文化之路。安全事故的发生， 除了员工安全意识淡薄是其根源外，还有一个重要的原因是员工的自觉安全行为规范缺失、自我防范能力不强。 摘要：结合银山前区热电工程循环水泵房水锤破坏事故，介绍 了水锤的危害及其防止，重点介绍了多功能水泵控制阀的水锤防护 过程。 关键词：停泵水锤危害防止多功能水泵控制阀 1停泵水锤及其危害 银前区热电工程循环水泵房6台60032T循环水泵出口止回阀 采用ZDFQ807YX-1，DN800液力自动止回阀，在试车过程中，该 止回阀不能实现缓闭，巨大的停泵水锤对水泵和管路造成严重损害。 2005年9月17日，1#、5#循环泵在停泵过程中，先后由于停泵水 锤而遭到严重损害，具体表现是:(1)水泵基础出现裂缝；(2)联轴器分 别出现3mm和8mm错位，弹性垫圈严重磨损。 水锤是指在有压管路中，由于流速的剧烈变化而引起的一系列 急剧的压力交替升降的水力冲击现象。水锤引起的压强升高，可达 管道正常工作压强的几倍，甚至数十倍。这种大幅度的压强波动往往引起管道的强烈振动，造成阀门损坏、水泵损坏、管道接头断开和管道爆裂等事故。据调查，全国各地区都曾发生过停泵水锤事故，有记录的在200次以上。一般的事故造成“跑水”、停水；严重的事故造成泵房被淹，有的还引起冲毁铁路等次生灾害，还有的设备被打坏，伤及操作人员，甚至造成伤亡事故。 2发生停泵水锤的主要原因 停泵水锤大多是由于电力系统故障或水泵机组机械故障导致水泵机组突然停运，造成开阀停车时，在水泵管路中水流速度发生递变而引起压力递变。近年来，自动化程度不断提高，水泵的启停往往实现了远程操作，由于自动化部件故障、电动阀故障、液力自动阀故障等引起的停泵水锤现象出现的概率大大增加。 压水管中的水在停泵后的最初瞬间主要靠惯性以逐渐减慢的速度继续向前流动，然后逐渐降至零。管道中的水在重力作用下开始向水泵倒流，速度由零逐渐增大，当管路中倒流速度达到一定程度时，止回阀很快关闭，因而引起很大的压力上升，即形成水锤。而 第九章水电站的水锤与调节保证计算 第一节概述 一、水电站的不稳定工况 机组在稳定运行时，水轮机的出力与负荷相互平衡，这时机组转速不变，水电站有压引水系统(压力隧洞、压力管道、蜗壳及尾水管)中水流处于恒定流状态。 在实际运行过程中，电力系统的负荷有时会发生突然变化(如因事故突然丢弃负荷，或在较短的时间内启动机组或增加负荷)，破坏了水轮机与发电机负荷之间的平衡，机组转速就会发生变化。此时水电站的自动调速器迅速调节导叶开度，改变水轮机的引用流量，使水轮机的出力与发电机负荷达到新的平衡，机组转速恢复到原来的额定转速。由于负荷的变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。其主要表现为： (1) 引起机组转速的较大变化 由于发电机负荷的变化是瞬时发生的，而导叶的启闭需要一定时间，水轮机出力不能及时地发生相应变化，因而破坏了水轮机出力和发电机负荷之间的平衡，导致了机组转速的变化。丢弃负荷时，水轮机在导叶关闭过程中产生的剩余能量将转化为机组转动部分的动能，从而使机组转速升高。反之增加负荷时机组转速降低。 (2) 在有压引水管道中发生“水锤”现象 当水轮机流量发生变化时，管道中的流量和流速也要发生急剧变化，由于水流惯性的影响，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化，即产生水锤。导叶关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降。反之导叶开启时，在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中引起压力上升。 (3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。无压引水系统中产生的水位波动计算在第八章已介绍。 二、调节保证计算的任务 水锤压力和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。调节保证计算的任务及目的是： (1) 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据之一；最小内水压力作为压力管道线路布置、防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据。 ( 安全论文 ) 单位：_________________________ 姓名：_________________________ 日期：_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改 一起停泵水锤事故分析及其防 止(新版) Safety is inseparable from production and efficiency. Only when safety is good can we ensure better production. Pay attention to safety at all times. 一起停泵水锤事故分析及其防止(新版) 摘要：结合银山前区热电工程循环水泵房水锤破坏事故，介绍了水锤的危害及其防止，重点介绍了多功能水泵控制阀的水锤防护过程。 关键词：停泵水锤危害防止多功能水泵控制阀 1停泵水锤及其危害 银前区热电工程循环水泵房6台60032T循环水泵出口止回阀采用ZDFQ807YX-1，DN800液力自动止回阀，在试车过程中，该止回阀不能实现缓闭，巨大的停泵水锤对水泵和管路造成严重损害。2005年9月17日，1#、5#循环泵在停泵过程中，先后由于停泵水锤而遭到严重损害，具体表现是:(1)水泵基础出现裂缝；(2)联轴器分别出现3mm和8mm错位，弹性垫圈严重磨损。 水锤是指在有压管路中，由于流速的剧烈变化而引起的一系列 急剧的压力交替升降的水力冲击现象。水锤引起的压强升高，可达管道正常工作压强的几倍，甚至数十倍。这种大幅度的压强波动往往引起管道的强烈振动，造成阀门损坏、水泵损坏、管道接头断开和管道爆裂等事故。据调查，全国各地区都曾发生过停泵水锤事故，有记录的在200次以上。一般的事故造成“跑水”、停水；严重的事故造成泵房被淹，有的还引起冲毁铁路等次生灾害，还有的设备被打坏，伤及操作人员，甚至造成伤亡事故。 2发生停泵水锤的主要原因 停泵水锤大多是由于电力系统故障或水泵机组机械故障导致水泵机组突然停运，造成开阀停车时，在水泵管路中水流速度发生递变而引起压力递变。近年来，自动化程度不断提高，水泵的启停往往实现了远程操作，由于自动化部件故障、电动阀故障、液力自动阀故障等引起的停泵水锤现象出现的概率大大增加。 压水管中的水在停泵后的最初瞬间主要靠惯性以逐渐减慢的速度继续向前流动，然后逐渐降至零。管道中的水在重力作用下开始向水泵倒流，速度由零逐渐增大，当管路中倒流速度达到一定程度 简单管水击计算及演示程序说明 （武汉水利电力大学水电站教研室，武汉430072） 1 程序名称及使用方法 1.1 程序名称 执行程序Singlep.exe，原代码文件Singlep.dpr和Single.pas。 1.2 使用方法 该程序是用面向对象编程环境Delphi 4.0编制而成的，可直接在Windows环境下运行。使用界面见图1和图2。 程序使用方法：程序启动后，自动进入图1中，首先填入“水库-管道-阀门”系统的原始参数；之后用鼠标单击数据确定接受数据；然后单击进行计算获得结果；接着可击“波动过程”页标进入图2；单击开始演示观察压力变化和传播过程；得到压力极值和压力分布过程。单击打印屏幕可将屏幕上的内容打印出来，单击打印曲线可将阀端压力变化过程线、最大最小压力沿程分布线打印出来。 图1 参数输入界面 图2 结果输出和参数变化过程显示界面 2 程序功能 能对“水库-管道-阀门”这样的简单引水系统的水力过渡过程进行计算和演示。计算功能可满足初步设计要求。演示功能，作为辅助教学手段，可加深学生对水击物理实质的理解。该程序能配合教材，对下列内容进行分析和演示教学： ①水击波的传播和反射； ②直接水击和间接水击； ③一相水击和末相水击； ④起始开度对水击的影响； ⑤开度变化规律对水击压力的影响； ⑥阀门启闭终了后的水击现象。 3 数学模型及参数说明 3.1 数学模型 采用特征线法。特征方程和特征线方程为 C g a dH dt dV dt f V V D dx dt a C g a dH dt dV dt f V V D dx dt a + - ++==+?? ? ????- ++==-?? ?????: : 2020 在特征线上将特征方程积分并整理有 C H C B Q C H C B Q P P P P P M M P + - =-=+:: 由这两式可解出未知量H p 和Q P 。式中 案例解析如何解决水锤问题 水锤效应，在有压力管路中，由于某种外界原因（如阀门突然关闭、水泵机组突然停车）使水的流速突然发生变化，从而引起水击，这种水力现象称为水击或水锤。本文将分析案例，带给你一些解决水锤现象的办法，并通过系统性的经验分享，帮你强化技术基本功，成为工程上解决问题的高手。 01要小心，水锤发生常见场景 1 阀门关闭太快的情况下，后续水流在惯性的作用下，迅速达到最大，并产生破坏作用，这就是流体力学当中的“水锤效应”，也就是正水锤。 2 关闭的阀门又突然打开后，也会产生水锤，叫负水锤，也有一定的破坏力，但没有前者大。 3 电动水泵机组突然停电或启动时，同样也会引起压力的冲击和水锤效应，冲击波沿管道传播,极易导致管道局部超压而造成管道破裂、损坏设备等。 4 输水管道过长，高差过大，管道中水流速度过大等。 02要重视，水锤现象的危害水锤引起的局部压强升高，可达管道正常工作压强的几倍，甚至几十倍。这种大幅度的压强波动，对管路系统造成的危害主要有： 1 引起管道强烈振动，管道接头断开； 2 破坏阀门，严重的压强过高造成管道爆管，供水管网压力降低； 3 压强过低又会导致管道的瘪塌，还会损坏阀门和固定件； 4 引起水泵反转，破坏泵房内设备，严重的造成泵房淹没等事故，影响生产和生活。在膜项目中，严重时会将膜元件击的粉碎，带来不可恢复的损失。所以，解决水锤效应的方案、防护成为水处理工程中关键性的工艺技术之一。 03要学习，从案例看解决办法案例：在某项目现场，由于现场空间问题，超滤膜水平安装。经常出现两端开裂，渗漏等多种问题。 最终原因：发现是开泵开阀瞬间排气不净，产生水锤和气锤造成。解决方案：每个端盖加装了排气阀，进水阀门从气动改电动慢开阀门。 总结“水锤现象”的解决办法，要注意“防范在先、预防为主”，一般措施有：1 高压泵采用软启动方式避免，如降压启动、变频调速启动、带自动控制器的串电阻启动。 2 在操作方式上避免，如在启动时将进口阀门关闭或关小，然后缓慢打开阀门，直到达到系统工作压力时为止。 3 利用控制防止避免，如用 PLC 控制一电动慢开门，在几十秒的时间内打开阀门。 4 利用安装工艺防止，如在浓水排放口设一回流管道，使得管道的最高点超过反渗透装置中最高的压力容器，这样在装置停止运行时就会在压力容器内存满水。 流体分析与管道应力分析 软件在LNG接收站项目设 计、运营和维护方面的应用 点击数：2172010-07-16 14:13:09来源: Beijing AECsoft，艾思弗，CAESARII， 管道，应力分析，PVElite，压力容器，CADWorx，三维，工厂设计，AFT，流体 分析，电力，热力，市政，燃气，电缆敷设，钢结构 1、LNG项目的特点： 对于LNG接收站,主要管道系统的流体(稳态\瞬态)分析,管道应力(稳态和动态)分析十分重要,这将影响到系统的运行,能耗,安全等诸多方面.L NG接收站是高投资，高技术，设计难度大，设备、管道要求高，运行工况多的大型工程项目。在整个装置中无论是LNG的输送系统，还是气化冷却系统都涉及到稳态的流体输送（压降和流量分布计算）和动态的流体分析（水锤计算）分析的内容。LNG具有较高的饱和压力易气化，当LNG接收系统有阀门关闭或开启，泵启停等操作时，会致使阀门前后泵前后出现剧烈的压力波动。当瞬态压力低于LNG饱和压力时有气体析出，如不加以控制将导致空穴产生（空穴水锤超压往往要比正压水锤要严重得多），瞬态压力可能远远高于管道设计压力，引起爆管，导致严重后果。 另一方面由于瞬态压力波动导致系统一对弯头之间压力不平衡，形成水锤力瞬间冲击管道，支架或管口，可能导致管道偶然应力超标，管口和支架瞬时推力过大，支架失效和管口失等严重后果。因此我们既要分析水锤发生时瞬态压力是否超过管道设计压力，并设计响应的抑制水锤措施；另外应将水锤力加载到CAESARII中进一步分析水锤力对整个管道系统的影响以设置对应的防水锤支架。管道系统详细的应力分析,确保管道系统的强度,柔性和抵抗偶然冲击载荷的能力,精确确定支架的形式和位置,帮助您降低材料费用. 检查法兰泄露情况,确保您法兰不会发生泄露,影响您的生产和安全。 2、LNG接收站设计必须解决的三类问题 流体稳态问题： 1、节能降耗—优化泵选型（优化设计节省投资费用和运行费用为业主最大限制地节省投资和后期运行维护费用） 2、保证LNG输送和气化冷却系统满足所有操作、切换、检修、紧急切断……等工况输送要求； 3、设计正确的管道系统，确定合适的管径、泵和阀门选型。 流体瞬态问题： LNG 接收站深冷管道水击分析； LNG气化冷却水系统水击分析； 1、系统中阀门的操作和泵的启停是否会引发正压水锤或气穴水锤？ 2、瞬态冲击压力是否超过管壁设计压力？ 3、如何抑制水击的产生预防超压？ 4、水锤发生瞬间产生的水锤力是否会导致管道偶然应力超标，支架和管口过载？ 管道应力分析： 持续载荷（管道重量、压力），二次载荷（温度）和偶然载荷（地震，水击）等这三大类载荷对管道的作用和影响，设计合适的管道走向，正确的支架形式和位置，确保管道的强度和结构安全。还可以帮助您降低材料费用，节约您的投资成本！ 停泵水锤的基本理论及计算方法 一、停泵水锤的基本理论 在压力管流中因流速剧烈变化引起水分子动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象，称为水锤现象。它是流体的一种非稳定流动，在液体运动中所有空间点处的一切运动要素不仅随空间位置而改变，而且随时间而改变。水锤可从多个方面进行分类，根据不同的划分方法分为以下四种： (1)直接水锤和间接水锤； (2)起泵水锤、停泵水锤和关阀水锤； (3)刚性水锤和弹性水锤； (4)无水柱分离产生的水锤和水柱分离产生的水锤。 停泵水锤是指水泵机组因突然断电或其他原因而造成开阀突然停车时，在水泵及管路系统中，因流速突然变化而引起一系列急骤的压力夺替升降的水力冲击现象。 停泵水锤发生的主要特点是：突然停泵后，水泵由稳态进入水力过渡过程，主动力矩的消失使水泵机组失去了正常运转时的力矩平衡状态，在惯性的作用下继续保持正转，但转速降低。广一水泵机组突然降低的转速导致压力降低和流量减少，所以压力降低先在泵站处产生。此降压波由泵站及管路首端向管路末端的高位水池传播，并在高位水池处产生升压波，此升压波由高位水池向泵站及管路首端传播。压力管路中的水，在停泵后的最初瞬间，主要依靠惯性作用，向高位水池以逐渐减慢的速度继续流动，在重力和阻力的作用下，使其流速降低至零，但这样的状态是不稳定的；管路系统中的水因重力水头的作用又开始向水泵站倒流，且速度逐渐增大，以后的技术特点，由水泵压出口处不同的边界条件来决定。 水柱分离产生的水锤现象，是指在管路系统中出现了大空腔，当大空腔溃灭，即两股水柱重新弥合时，大空腔内的水蒸气会迅速凝结，两股水柱互相猛烈碰撞，造成升压很高的断流弥合水锤现象。关于水柱分离产生的原因，有两种论点，分别为：“拉断说”和“汽化说”。 “拉断说”认为：当水锤波在管路系统中传播时，水体质点呈现出周期性的疏密变化，水体质点群时而受压，时而受拉，由于水体的承拉能力非常差，当承受不住拉力时，连续水柱就会断裂，并彼此分离开，产生一些大空腔，破坏了水流的连续性，造成水柱分离。 “汽化说”认为：当管路上某点的水压降到汽化压以下时，液态水将迅速汽化，并产生大空腔，破坏了水流的连续性，造成水柱分离。 将连续水流截成两段的大空腔内均充满水蒸气，空腔中压强保持为小于或等于汽化压，产生的水柱分离现象称为水柱分离（汽）或水柱分离（V);当管路中出现真空，经空气阀将空气吸入管内并形成充满空气的大空腔，产生的水柱分离现象称为水柱分离(空）或水柱分离（A)。 水柱分离（汽）产生的前提是密封非常完好的管路，但实际的输水管路并非如此，沿途会设有一定数量的空气阀，因此，在水力过渡过程中，水柱分离（空）产生的可能性并不比水柱分离（汽）小。在相同的技术条件情况下，因水柱分离（空）而形成的充满空气的空气腔的最大长度比传统的以水蒸气为主充填的蒸汽腔的最大长度要大得多。如果在空气腔缩小乃至消失的过程中，即两股水柱重新弥第四节 水锤计算的特征线法
循环水系统水锤过程分析
水电站的水锤及调节保证计算
Hammer软件在输水管道水锤分析中的应用
停泵水锤的计算方法详解
900MW压水堆堆芯稳态热工分析及一回路系统水锤计算
水锤理论及其应用综述
第三节水锤计算的解析法
水锤计算例题9-2
第三节 水锤计算的解析法
不同泵阀开启方式下水泵起动水锤计算分析
水锤计算方法
一起停泵水锤事故分析及其防止
水锤计算
一起停泵水锤事故分析及其防止(新版)
简单管水锤计算及演示程序说明-程永光
案例解析如何解决水锤问题
LNG接收站中的水锤分析
停泵水锤的基本理论及计算方法