水锤分析软件Surge2008在压力输水工程中的应用

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1、水锤分析软件Surge2008在压力输水工程中的应用詹咏1安荣云1陈乙飞2（1上海理工大学城市建设与环境工程学院上海200090；2深圳市华力大机电技术有限公司深圳518103）摘要随着国民经济的快速发展，人们用水需求不断增加，引水工程项目也在不断地增多并逐渐向山区扩展，管网的维护工作也变得日益复杂。Surge2008是由美国Kentucky大学研发的一款高效、精细、强壮且功能强大的水锤分析软件，具有近三十年的应用历史。本文利用该软件对有压管输水管路系统的水锤及水锤防护进行了模拟与分析计算。关键词有压输水管路系统水锤注气微排阀水击泄

2、放阀Surge20081前言随着经济社会的不断发展，引水工程规模不断扩大，长距离压力输水工程得到了快速的发展。长距离压力输水工程流量大，扬程高，管线多起伏，系统瞬态水力特性比较复杂，从而提高了对泵站管路系统的设计、施工和运行管理的要求。其中，管路水锤现象是影响到系统安全运行的主要因素之一。凡是能引起水流速度快速变化的水力过程均可以导致水锤现象发生，如阀门的快速开启和关闭，水泵事故断电和开启，节点流量的快速变化，水池水位的快速升降，管道的断裂等。管路系统水锤现象的本质是水流瞬态压力的交替变化，过高或过低的压力将对管道的安全造成严重威胁

3、，必须通过详细的水锤模拟计算，确定一套行之有效的水锤防护方案。本文将利用Surge2008对因水泵事故断电以及关阀所引起的瞬态水力变化进行模拟计算，并采取了相应的水锤防护措施。2工程实例及瞬态模拟2.1工程概况南方某补水泵站工程采用一级加压供水，供水规模为888升/秒，水泵为两用一备，单台水泵流量Q=444升/秒，扬程350米。吸水池最低水位1160米，水泵和止回阀标高均为1158米，末端管进水池标高为1303米，水深2～3米。沿途由Φ600的钢管均匀输水，且输水管在将水输进末端水池前进行了一级减压，减压约110米。水泵出口采用水泵

4、控制阀，关阀规律为：1~3秒快关95%，缓闭5%，5~60秒可调。停泵及关阀瞬态过程水力边界条件设置分别为：（1）水泵1秒断电停泵，水泵控制阀采用2秒快闭95%，8秒缓闭5%的关阀方案；（2）末端阀门1秒快速关闭。建议改为30s均匀关阀2.2数值模拟计算2.2.1求解方法数值模拟软件采用的是美国肯塔基大学研发的Surge2008，水锤波的特征方程为基于弹性水柱理论的两个基本方程：2∂Hc∂Q（1）连续方程=−∂tgA∂xL∂H1∂Q（2）动量方程=−+fQ()∂xgA∂tL沿程阻力损失计算采用海曾-威廉公式：1.85210.67qh

5、=lf1.8524.87CDw式中q—流量，m3/s；Cw—海曾﹣威廉粗糙度系数；D—管段直径，m。两个非线性偏微分方程的数值求解方法为拉格朗日波特性法（WaveCharacteristicMethod，简称WCM），以瞬态管流源于管道系统水力扰动所产生的压力波的发生和传播这一物理概念为理论基础，通过追踪水锤波的发生、传播、反射和干射，计算各节点不同时段的瞬态压力值。在JournalAWWA上发表的多篇论文中，Wood教授对波特性法作了详细的论述，并通过数值模拟及工程验证对该方法与特征线法做了大量对比。结果显示，波特性法与特征线法具

6、有同等的准确性，两者的计算结果完全吻合。鉴于波特征法的特殊计算理论基础，它又具有特征线法所不具备的高效的计算速度（详见参考文献3和4），在大型管网系统水力分析方面具有相当的优势。图2为水泵正常供水情况下，管道的断面图及管道内水流的测压管水头线。起始端，水经水泵加压获得能量，管线局部阻力及沿程阻力消耗掉部分能量。为了尽量降低末端富裕压力，管线在约2000m以后缩径为DN500，在约3500m以后再次缩径为DN400。末端仍然富裕100多米水头。Time0.15011550AA测压管水头线（HGL）1500B管线纵剖面线14501400

7、13501300-1250B120011501100010002000300040005000-图2正常供水时管线断面图及管内水流测压管水头线2.2.2停泵水锤模拟2.2.2.1模拟计算针对两台水泵同时事故断电这种最不利的瞬态工况进行停泵水锤数值模拟，图3为停泵后整个泵站管路系统的水击包络线。Time0.15012800AA最高水头包络线2600B最低水头包络线24002200C管线20001800-16001400C1200B010002000300040005000-图3停泵后整条管线（泵站下游管线）的水击包络线由上图可知，管线

8、最大升压高达1200多米，因最低包络线均位于管线以下10米的位置（模拟时，设定水的最低汽蚀压力为-10米），可以判断上游发生了严重的断流弥合水锤，其源头可能位于泵站出口也可能位于管线的局部高点。AV-130002500A止回阀出口压力