热水供热网水锤分析.docx

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热水供热网水锤分析

热水供热网水锤分析

摘要本文对热水供热网的水锤现象和产生缘故作了分析；成立了热网水锤分析的数理模型，从描述水锤大体规律的偏微分方程组动身，利用特点能法对热水供热网进行水锤数值计算．本文也考虑了有蒸汽空泡溃灭水锤的计算问题．依照成立的水锤分析数理模型，对北京某大型热水供热网进行了七种瞬变工况的水锤分析，计算结果从物理上看合理、正确，与委托国外某公司对该系统计算的结果符合得较好，在"汽穴"发生后，计算结果比国外的更合理．

关键词水锤供热网集中供热系统

0前言

　　近十余年来，我国的城镇集中供热事业取得了令人注视的进展，北京、沈阳等城市已经或正在建成大型的集中供热系统，热水供热网是一个安装有泵、阀门等设备的十分复杂的密闭循环系统，一旦显现了水锤就无法隔离事故，水锤事故阻碍范围广，严峻时会产生庞大损失，乃至危及人的平安．热水供热网发生水锤是我国城镇集中供热进展进程中显现的实际问题，因此对．热水供热网进行水锤分析的研究具有重要的国民经济意义和学术意义。

　　本文将水锤的理论和方式引入供热专业的研究中，成立了热网瞬变分析的数理模型，处置了热网中复杂的边界条件，从描述水锤大体规律的偏微分方程组动身，利用特点线法对热水供热网进行水捶数值计算，其计算结果可为系统的设计、施工及制定系统运行操作规程提供了科学依据。

1热水供热网水锤的起因

　　有压管中运动着的液体，由于阀门或水泵突然关闭，使得液体流速和动量发生急剧转变，从而引发液体压强的骤然转变，这种现象称为水锤、在现代化热网中，由于加大了热源（热电厂和区域锅炉）单位热容量，由于大管径、长距离的热力管道与设有大量的调剂设备、调剂阀、闸板阀的大型水泵分站的投入运行，发生水锤的可能性大为提高。

在热水供热网中能引发流速转变而致使水锤的因素很多，要紧有以下几种；

（1）阀门的正常启闭和调剂，事故开、关和阀瓣的损坏脱落；

（2）泵的正常或事故启动和停止；

　　（3）泵中的叶轮或导叶的不稳固性和振动；

　　（4）管道的事故堵塞；

　　（5）负水锤产生的空泡溃灭水锤；

　　（6）过热；指一级水和二级水进行热互换时，若是二级水侧的流量由于某种缘故减少，而一级水侧的流量仍维持不变。

二级水所发生的过热现象。

　　（7）热平稳的转变；指由于冷热水之间的密度不同，热生产和热消耗的不同引发的水容积和压力的转变。

2热水供动网水锤的数学处置

　　大体方程

　　热水供热网的水锤能够由运动方程和持续方程描述；

　　　　　　　　　　　　　　　　（１）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）

　　式中H为测压管水头（mH2O）；t为时刻（s）；a为水锤波传播速度（m/s）；A为管道横断面积（m2）；Q为管道流量（m3/s）；x为计算点距起始点的坐标距离（m）；f为管道沿程磨擦阻力系数；D为管内径（m）。

　　由特点线方式，上述偏微分方程能够用下面的一对有限差分方程近似：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）

　　式中　　　　

　　式中Qpl、Hpl为时刻t管遇第i个计算截面的未知流量和测压管水头；Qi-一、Hi-1；为时刻t-△t管道第i一1个计算截面的已知流量和测压管水头，Qi+1；Hi＋l为时刻t-△t管道第i十1个计算截面的已知流量和测压管水头。

　　从图1能够看到假设已知t=0时刻管道的各计算截面的H和Q值，在任何一个内部网格点，都能够利用方程组求出计算时刻的H和Q值。

　　2．2边界条件

　　下面逐各讨论热水供热网中常见的边界条件。

（1）水泵

　　依照相似准那么，当泵的比转速相同时，具有相问的全特性WH及WB。

　　　令　　　

　　其中　　

　　式中下标R代表额定值；H为扬程，Q为流，T为轴线转矩；N为转速。

　　若是某台泵全特性曲线已知，那么就有v和a。

两个未知量，能够通过平稳方程和扭矩平稳方程，叠代求解v和a，取得每一时刻泵的动态参数作为边界条件。

（2）调剂阀

　　　　　　　　　（5）

　　（5）

　　关于负向流动：

　　　　　　　　　　（6）

　　（6）

　　式中t为阀的开度；H0是在初始稳固条件下，即当y=l。

通过阀的流量为Q

　　的水头差。

　　（3）分叉管道的联结节点

　　忽略管道节点处的局部损失，可近似地看做各管道节点处的水头相等

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（7）

　　式中i与分叉管道联结节点相接的管道编号。

　　（4）局部损失

　　　　　　　　　　　　　　　　（8）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（9）

　　式中各参量右下角的第一个下标表示管子的序号，第二个下标表示管段节点的序号，ζ为节点的局部阻力系数。

　　（5）热用户

　　如图2所示为热用户物理模型。

其中①表示和热用户相连的供水管，③表示和热用户相连的回水管，1表示热用户入口侧管道截面标号，2表示热用户出口侧管道截面标号。

　　　　　　　　　　　　　　　（10）

　　反向流动

　　　　　　　　　　　　　　　（11）

　　式中S为热用户的阻力数。

　　（6）集中惯性元件

　　在主管和装置间的短接头、较长系统中的短管和管壳式水加热器都能够看成集中惯性元件来处置，以为管为非弹件的，其中的液体为不可压的，瞬变分析时，以为这部份的弹性远不及惯性重要，当液体介质为固体处置。

　　蒸汽空泡溃灭水锤分析模型

　　热水供热网水温较高，管网中产生水锤时，一方面显现压力的急剧升高和下降，另一方面压力下降达到水的汽化压力时，使水汽化，极易发生空泡溃灭水锤，这是热水供热网的特点。

　　当供热系统管道中显现蒸汽穴时，以为汽穴使水柱分离，而在压力升高时，被分离的水柱再度弥合，相互撞击，形成压力急骤上升。

因此在产生蒸汽空泡前和空泡溃灭后，都将水柱视作持续的流体，采纳前面所述的常规的特点线法进行计算，而一旦产生蒸汽空泡后，就将该截面视作新的特殊内边界，依照水柱分离的模型计算。

　　水头的升高值　　　　　　　　　　　　　　　（12）

　　空穴的体积　　　　　　　　　　　　　　　　　（13）

　　式中QfnQf，是在时刻步长△t流入截面的平均流量和流出截面的平均流量。

3热水供热网水锤分析

　　本文以北京某大型热水供热网为例，分析了七种瞬变工况（正常负载调剂和事故工况）。

　　3。

1大型热水供热网概况

　　该热网总供热面积为0平方米，有151座热力站，热电厂距离供热区15千米，电厂与管网最低点地形高差为47米，与最高点高差为15米，管线设计压力为16巴，设计温度为150度，最大流量为8262吨／小时，最大管径为1200毫米。

热网循环系共6台分两组并联安装，每组中有一台为备用泵，主循环泵特性如下；流量2250吨／小时，扬程160米水柱，转速1480转／分，轴功率1230千瓦、供热系统回水管线上设有两个完全相同的加压泵站，每一个泵站装有6台完全相同的并联的泵，其中两台泵为备用泵，加压泵特性如下：

流量2016吨／小时，扬程35．1米水柱，转速970转／分，轴功率280千瓦。

　3．2水锤工况分析

　　图陵8至图11是对该热水供热网可能出观的七种瞬变工况的部份计算曲线。

（1）主供水管线上阀门在幻213秒内关闭

　　图3给出了主供水管线上阀门前后压力随时刻的转变曲线．在阀门关闭时，阀门前（虚线表示）显现正水锤，阀门后（实线表示）显现负水锤。

计算给果曲线趋势是符合物理概念的。

阀门前压力上升可达到快要450米水柱，阀门后力降到饱和汽化压力，在管道内形成气穴，在275秒时，空泡溃灭，致使30米水柱的刹时压力增加，以后再一次出观气穴，管道内气穴体积的转变曲线如图4所示。

（2）主回水管线上阀门在213秒内关闭　　

　　图5是阀门前后的压力曲线，从那个图看出回水管线上阀门后（实线表示）压力降低到了水的汽化压力，管道中形成气穴，而且空泡溃灭又致使压力的上升，回水阀后的压力上升达到240米水柱．阀门前（虚线表示）显现正水锤，压力上升值达到5o0米水柱．

　　（8）主供水管线上阀门在213秒内关闭，约150秒各泵站停止运行。

　　图6和图7别离给出主供水管线上阀门关闭，全数泵停止运行，阀门前和阀门后的压力曲线．结果说明采取停止泵的运行来操纵关闭主供水管线上的阀门引发的水锤压力具有专门好的成效，阀门前压力仅上升到180米水柱，阀门后可不能产动气穴。

　　（4）主循环水泵突然故障，同时定压系统迅速动作，尽力维持20米水柱的水头。

　　图8是在无旁通管路时，泵前后的压力曲线。

由于定压系统的作用，泵入口压力（实线表示）在20米水柱周围振荡，慢慢衰减，最后答复到20米水柱的压力。

泵出口压力（虚线表示）降低，最后维持在55米水柱，这意味着供热管线上位置较高的地址将会形成空穴。

　　（5）主循环泵突然故障，泵设有旁通管路，故障发生时，切断补水。

　　图9是循环泵进出口的压力曲线，结果说明在循环水泵的出水管路和进水管路之间连接旁通管路的方法，限制了泵出口管路中）中压力的下降，管网中既不产动气穴，也不显现超压现象。

　　（6）两座加压泵站同时发生事故

　　图10是热电厂最近位置最高点回水管中的压力曲线。

结果说明两座加压泵站同时发生事故时，气穴不可幸免地在回水管中位置最高点产生，热电厂周围回水管线中会显现一7米水柱的负压。

　　（7）全数热用户热量要求减少到85%

　　图11是离热电厂"最近的热用户的进出口压力曲线。

热用户的入口压力（虚线表示）从约138能米水柱上升到193米水柱，热用户出口压力（实线表示）从约58米水柱降低到10米水水柱，没有降到水的汽化压力。

工况7的计算结果说明，各个热用户流量的调剂是一种相对无害的动态效应，供热管线是平安的。

　　3．3结果分析

　　为了考察热水供热网水锤计算结果是不是正确，将上面的水锤分析曲线从物理上作了分析，结果是合理的，而且与委托国外某公司对该系统计算的结果进行了比较，二者的大部份工况曲线趋势一致，数据吻合的比较好，在"空穴"发生后，计算结果比国外的更合理，例如国外某公司对工况2的计算曲线阀门的压力低于汽化压力，这在物理概念上是不正确的，是不可能的，这仅说明管道中有气穴产生，故其计算结果是错误的；而本文对工况2的计算结果和理论概念上的分析是一致的，说明计算结果是合理的。

4结论

　　4．1主循环水泵发生故障，有可能在供热管线上位置最高点产动气穴，当主循环水泵从头启动时，会产生空泡溃灭水锤。

　　4．2回水管线上加压泵都发生故障时，有可能在回水管线上位置最高点产动气穴。

　　在水泵的出水管路和进水管路之间连接旁通管路的方法，对操纵水泵故障时的水锤压力具有专门好的成效。

　　4．4采取在阀门完全关闭前停止泵运行的方式来操纵阀门关闭引发的水锤压力具有专门好的成效．

　　4．5本文提供的方式和结果能够用来分析热水供热网的动态转变趋势，为系统的设计、施工及制定系统运行操作规程提供科学依据，对工程设计、系统运行操作有实际意义。

参考文献

　　1..怀特，.斯特里特，瞬变流，水力电力出版社，1983。

　　2.,SimulationofHydraulicTransientsinHeatingNetworks,Thirdinterna-tionalConferenceonPressureSurges,1980

　　3.柯洛夫，热化与热力网，中国机械工业出版社，1988

　　4.哈尔滨建筑工程学院等，供热工程，中国建筑工业出版社，1985