《有壓輸水系統(tǒng)水力過渡過程計算與水錘防護技術導則》

ICS23.080

CCSP60

團體標準

T/CHESXXX—2022

有壓輸水系統(tǒng)水力過渡過程計算與水錘防護

技術導則

Technicalguideforhydraulictransientprocesscalculationsandwater

hammerprotectionsofpressurizedwatertransmissionsystems

（征求意見稿）

2022-XX-XX發(fā)布2022-XX-XX實施

中國水利學會發(fā)布

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T/CHES****－2022

1總則

1.0.1為規(guī)范有壓輸水系統(tǒng)水力過渡過程計算方法、水錘防護裝置選擇和相關技術要求，使計算

成果能夠有效用于指導水錘防護，保障有壓輸水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，特制定本標準。

1.0.2本標準適用于有壓輸水系統(tǒng)的穩(wěn)定流動計算、瞬變流動計算和水錘防護裝置的優(yōu)選及效果

分析。

1.0.3有壓輸水系統(tǒng)水力過渡過程計算和水錘防護除應執(zhí)行本標準外，尚應符合國家現(xiàn)行有關規(guī)

范和標準的規(guī)定。

1.0.4本標準適用于新建、改建和擴建的有壓輸水系統(tǒng)。

1.0.5本標準主要引用下列標準。其中，不注日期的引用文件，其最新版本適用于本標準。

1.GB50265泵站設計規(guī)范

2.GB50013室外給水設計標準

3.GB/T20203管道輸水灌溉工程技術規(guī)范

4.SL430調(diào)水工程設計導則

5.SL279水工隧洞設計規(guī)范

6.SL511水利水電工程機電設計技術規(guī)范

7SL655水利水電工程調(diào)壓室設計規(guī)范

8.SL/T281水利水電工程壓力鋼管設計規(guī)范

9.CECS193城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（渠）道工程技術規(guī)程

10.T/CEC5010抽水蓄能電站水力過渡過程計算分析導則

11.DL/T5186水力發(fā)電廠機電設計規(guī)范

12.NB∕T10072抽水蓄能電站設計規(guī)范

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2術語

2.0.1有壓輸水系統(tǒng)pressurizedwatertransmissionsystems

從取水口到出水口之間為有壓的輸水系統(tǒng)，包括輸水管道或涵洞線路上所有的建筑物、裝置

和設備，分為有壓重力流輸水系統(tǒng)和泵送加壓輸水系統(tǒng)。

2.0.2水力過渡過程hydraulictransientprocess

有壓輸水系統(tǒng)中因水流速度急劇變化所引起的流動狀態(tài)瞬變過程。

2.0.3水錘waterhammer

由于某種外界原因使輸水系統(tǒng)中水的流速突然發(fā)生改變，從而引起壓力急劇變化的現(xiàn)象。

2.0.4元件element

有壓輸水系統(tǒng)中具有獨立功能的、可用單一模型表示的水力部件，是水力過渡過程計算的基

本單元。

2.0.5節(jié)點node

用于實施有壓輸水系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況與瞬變工況下的流動計算而設置的計算點位置。是連接各

元件的公共位置，是組成輸水管道拓撲結構的基礎。

2.0.6拓撲結構topologicalstructure

組成有壓輸水系統(tǒng)各元件鏈接的關聯(lián)性。

2.0.7邊界條件boundarycondition

有壓輸水系統(tǒng)各元件在輸水系統(tǒng)運行期間的已知的管道、水工設施及設備特性參數(shù)信息。

2.0.8穩(wěn)態(tài)工況steadycondition

有壓輸水系統(tǒng)中主要流動參數(shù)保持不變狀態(tài)的一個特定工況。

2.0.9瞬變工況transientcondition

有壓輸水系統(tǒng)從某一穩(wěn)定工況到另一穩(wěn)定工況的過渡過程。

2.0.10瞬變流transientflow

瞬變工況下有壓輸水系統(tǒng)中的非恒定流動。

2.0.11水力過渡過程計算calculationofhydraulictransientprocess

計算有太輸水系統(tǒng)及其各元件的動態(tài)參數(shù)隨時間變化的情況。

2.0.12輸水系統(tǒng)水力參數(shù)hydraulicparametersofwatertransmissionsystems

特定工況下輸水系統(tǒng)及其各元件的水力學參數(shù)。

2.0.13泵全特性曲線fullcharacteristiccurvesofpump

以流量、轉(zhuǎn)速為坐標，在四個象限內(nèi)分別給出的水泵、制動、水輪機工況等各種工況參數(shù)相

互關系的特性曲線。是進行水泵水力過渡過程計算的基礎資料。

2.0.14泵Suter曲線Sutercurvesofpump

根據(jù)量綱和相似原理建立的水泵揚程和轉(zhuǎn)矩與流量轉(zhuǎn)速組合參數(shù)間的全特性曲線，包括揚程

特性曲線和轉(zhuǎn)矩特性曲線。

2.0.15水錘防護裝置protectiondeviceofwaterhammer

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以消減有壓輸水系統(tǒng)水錘發(fā)生對系統(tǒng)運行產(chǎn)生不利影響為目的的裝置。

2.0.16液體汽化liquidvaporization

當有壓輸水系統(tǒng)中局部壓力下降到水的飽和蒸汽壓以下時，在該處產(chǎn)生的水流由液態(tài)變?yōu)槠?/p>

態(tài)的現(xiàn)象，也稱水柱拉斷。

2.0.17管道最高壓力上升率maximumpressureriserateofpipeline

管道壓力波動的峰值與當?shù)厮^渡過程發(fā)生前最近時刻的穩(wěn)態(tài)工作壓力的比值。

2.0.18時程線timeline

描述有壓輸水系統(tǒng)水力過渡過程中動態(tài)參數(shù)隨時間的變化曲線。

2.0.19壓力包絡線pressureenvelope

在輸水管道水力過渡過程期間出現(xiàn)的由最大壓力線與最小壓力線所包圍的封閉曲線。

2.0.20水錘防護標準protectionstandardofwaterhammer

所允許的有壓輸水系統(tǒng)管道及元件的工作參數(shù)范圍，是調(diào)整水錘防護措施時輸水系統(tǒng)應滿足

的水力過渡過程限制性參數(shù)。

2.0.21計算模型率定computationalmodelcalibration

通過調(diào)整計算模型參數(shù)、基礎數(shù)據(jù)、元件特性參數(shù)，基于特定的有壓輸水系統(tǒng)及其水錘防護

裝置，使水力過渡過程計算結果具有正確性，狀態(tài)變量（壓力、流量等）計算值與實測值的誤差

在可接受范圍內(nèi)的過程。

2.0.22管道靜壓staticpressureofpipe

有壓重力輸水系統(tǒng)在水靜止時的管道壓力值，即管道上游正常水位（管道口為淹沒進水）與

壓力管道末端斷面中心高程之差。

2.0.23監(jiān)視點monitoringpoint

在有壓輸水系統(tǒng)的管道上設置的特定位置，用于儲存計算過程中的中間數(shù)據(jù)及結果數(shù)據(jù)。

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3基本規(guī)定

3.1基礎數(shù)據(jù)獲取

3.1.1為滿足有壓輸水系統(tǒng)水力過渡過程計算與水錘防護需要，應獲取下列基礎數(shù)據(jù)及資料：

1工程概況、工程任務和等級。

2輸水系統(tǒng)平面布置圖、縱剖面圖、橫剖面圖。

3進水池與出水池特征水位。

4當?shù)睾０胃叱?、空化壓力、氣溫等參?shù)。

5輸水系統(tǒng)管道及元件的物性參數(shù)與特性曲線。

6水泵機組的主要參數(shù)及特性曲線。

7水錘防護裝置的性能參數(shù)及特性參數(shù)。

8各元件的連接搭配方式，輸水管網(wǎng)可能的運行方式。

9輸水系統(tǒng)在每種可能運行方式下的邊界條件和初始條件。

10水力過渡過程控制標準。

11其它必需的相關文件。

3.2計算大綱制訂

3.2.1應根據(jù)水力過渡過程計算與水錘防護任務和要求，編制計算大綱，在計算過程中可作必要

的修正。

3.2.2計算大綱內(nèi)容應包括項目概況、工程基本資料、計算目的和內(nèi)容、計算依據(jù)、水錘防護標

準、技術路線及模擬方法、計算工況、計算方案、進度計劃、預期成果、計算負責人和參加人員。

3.2.3計算方案編制應包括穩(wěn)態(tài)工況計算方案編制、瞬態(tài)工況計算方案編制、水錘防護計算方案

編制三部分內(nèi)容。

3.2.4穩(wěn)態(tài)工況計算方案編制應符合下列要求：

1計算的初始條件接近實際情況，應通過穩(wěn)態(tài)工況計算得到。

2依據(jù)計算工況，確定滿足計算目的的計算模型，設置邊界條件，布置監(jiān)視點，確定計算

結果的輸出內(nèi)容及方式。

3采用的計算模型符合穩(wěn)態(tài)工況計算要求，元件的特性參數(shù)符合輸水管網(wǎng)實際。

4計算工況覆蓋輸水系統(tǒng)可能的運行范圍。

5計算得到的輸水系統(tǒng)水位、壓力和流量應以列表及曲線方式輸出。

6搭建計算模型接近實際情況，管線的擴散管段進行當量轉(zhuǎn)換。

3.2.5未加防護裝置瞬態(tài)工況計算方案編制應符合下列要求：

1計算工況覆蓋有壓輸水系統(tǒng)可能的最不利工況及運行轉(zhuǎn)換工況。工況選擇考慮水錘防護

裝置的布置方案。

2依據(jù)計算工況，確定滿足計算目的的計算模型，獲取邊界條件，布置監(jiān)視點，確定持續(xù)

時長，確定計算結果的輸出內(nèi)容及方式。

3計算采用的時間步長滿足庫朗條件要求。

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4計算中設置的監(jiān)視點位置落在壓力或流量最不利的位置附近。監(jiān)視點數(shù)量覆蓋典型節(jié)點。

5計算結果包括瞬變工況的相關曲線。

3.2.6水錘防護計算方案編制應符合下列要求：

1計算工況結合3.2.5條選擇水錘計算方案。

2水錘防護計算的內(nèi)容包括主要過程的水錘防護分析。

3所選擇的水錘防護裝置易于施工和維護，便于運行管理、經(jīng)濟性好，與工程等級相匹配。

4水錘防護最優(yōu)方案應與水錘防護裝置布置方案、水錘防護標準及防護裝置的技術條件結

合進行。

5水錘防護標準應符合下列規(guī)定：

（1）管道最高壓力應滿足如下要求：

a、對于泵送加壓輸水系統(tǒng)，管道最高壓力與管道設計壓力的比值按如下原則選取，

當泵出口工作壓力：

—小于等于100m時，取1.5倍；

—100~300m時，取1.4倍；

—大于等于300m時，取1.3倍。

b、對于有壓重力流輸水系統(tǒng)，管道最高壓力與管道靜壓的比值按如下原則選取，當

管道出口靜壓：

—小于100m時，取1.5倍；

—100~300m時，取1.4倍；

—大于等于300m時，取1.3倍。

（2）管道最低壓力（通常發(fā)生在管道頂部）在考慮海拔修正后應不低于-4.0m，年運行時

間長或抗壓能力低的管道應適當提高所允許的管道最低壓力值；對于采用虹吸斷流

措施的揚水系統(tǒng)，其駝峰處最低壓力在考慮海拔修正后不宜低于-8.0m。

（3）對于泵送加壓輸水系統(tǒng)，水泵機組反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速值小于額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，持續(xù)時間不

超過2min；

（4）整個輸水管網(wǎng)系統(tǒng)在任何情況下都不出現(xiàn)液體汽化現(xiàn)象。

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4水力過渡過程計算模型構建

4.1系統(tǒng)元件拓撲結構構建

4.1.1應根據(jù)有壓輸水系統(tǒng)實際所包含的所有元件，確定元件間的相互連接性和數(shù)據(jù)參數(shù)的一致

性。

4.1.2應根據(jù)有壓輸水系統(tǒng)的流動方向性和幾何位置，構建系統(tǒng)元件拓撲結構，并正確設置相關

元件的模型參數(shù)和性能參數(shù)。

4.1.3系統(tǒng)元件拓撲結構應符合下列要求：

1系統(tǒng)元件拓撲結構應反映實際工程現(xiàn)狀。

2占整個管網(wǎng)系統(tǒng)比較小的并聯(lián)管道可采用等效管道代替。

3特性上漸變管系可采用一段跨越這些小的不連續(xù)段的當量均勻管近似。

4當管長小于波長的4%時，管系中的短管可采用慣性元件，彈性極好的元件可采用容性

（彈性和可壓縮性）元件處理。

4.2基本方程與求解方法

4.2.1水力過渡過程計算模型應按附錄A所列方程建模。

4.2.2計算模型求解方法宜采用附錄B所列方法或其它高精度的一維水動力學數(shù)值計算方法。

4.2.3計算數(shù)值格式應滿足相容性、收斂性和穩(wěn)定性要求。計算模型宜同時能模擬穩(wěn)定流動和瞬

變流動。

4.2.4水泵機組的轉(zhuǎn)速求解應采用機組的運動方程。

4.3邊界條件和初始條件設置

4.3.1初始條件應包含瞬變過程開始前穩(wěn)定工況下整個水力系統(tǒng)的主要參數(shù)，并應按穩(wěn)定工況對

整個輸水系統(tǒng)進行水力計算。計算結果應作為瞬變計算的初始條件。

4.3.2當每一段管道兩端的節(jié)點都只有可利用的一個特征線上的相容方程時，應同時補充相應的

邊界條件方程，確定相應邊界上的水力參數(shù)。所有系統(tǒng)組成元件均宜為以邊界條件方式參與管道

端點的數(shù)值計算。

4.3.3模擬范圍內(nèi)的組成元件邊界條件應包括水力系統(tǒng)中的所有元件及水錘防護元件的邊界條

件。這些元件的邊界條件設置應滿足下列要求：

1上、下游水庫（水池）邊界應給定水位變化規(guī)律。

2串聯(lián)管道按各管段水頭損失相加、流量相等的邊界條件設置。

3并聯(lián)管道按各管段水頭損失相等、流量相加的邊界條件設置。

4分叉管道按各分叉管段水頭損失相等、流入與流出相等的邊界條件設置。

5管道給定摩阻系數(shù)及局部損失系數(shù)。

6管線閥門給定閥門開度與局部阻力系數(shù)的關系曲線。

7泵給定轉(zhuǎn)速與流量、揚程、力矩關系以及泵組轉(zhuǎn)動慣量，水泵的參數(shù)變化通過離散點的

全特性曲線給定，當無法提供全特性曲線按附錄C方法給定。

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8空氣罐應給定罐內(nèi)氣體類型、初始壓力、容積、及進出口水力損失系數(shù)。

9泵出口工作閥門給定閥門阻力系數(shù)與開度的關系，以及閥門動作方式。

10壓力波動預止閥給定設計初始開閥壓力、動作時間、閥門的關閉特性以及預止閥彈簧系

數(shù)。

11水擊泄放閥給定設計初始開閥壓力、動作時間。

12空氣閥給定閥門進排氣口徑、進排氣流量系數(shù)性能曲線。

13調(diào)壓塔給定斷面面積與進出口阻力系數(shù)。

14其他特殊的元件按元件的流動特性要求給定。

4.4計算參數(shù)的確定

4.4.1摩阻系數(shù)的確定可采用附錄D給定。

4.4.2波速應按附錄E確定。

4.5計算網(wǎng)格劃分與時間步長選擇

4.5.1計算模型網(wǎng)格劃分與時間步長應滿足附錄F所示庫朗穩(wěn)定條件。

4.5.2當管道較短，無法滿足庫朗條件時，應采用調(diào)節(jié)波速或管長的方式以使其滿足庫朗條件。

4.5.3管道空間網(wǎng)格步長的確定，應符合下列原則：

1各管段的網(wǎng)格步長與波速比值相等。

2各管段的網(wǎng)格段數(shù)為整數(shù)。

3復雜管道水力系統(tǒng)在滿足該要求存在困難時，可采用附錄G給出的近似方法選取統(tǒng)一時

間步長。

4.5.4計算網(wǎng)格劃分與時間步長實例可見附錄H。

4.6計算監(jiān)視點的確定

4.6.1計算中設置的監(jiān)視點，其位置和數(shù)量應準確反映整個輸水系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與瞬變流動特性。

4.6.2監(jiān)視點宜選擇在泵進口、泵出口、工作閥門進口、工作閥門出口、位置最高點、位置最低

點、局部最高點、水錘防護元件附近及斜坡段或平直段可能出現(xiàn)壓力極值的節(jié)點。

4.7計算軟件的選擇與使用

4.7.1開展水力過渡過程計算所采用的計算軟件，應是已經(jīng)通過正規(guī)手續(xù)效驗和率定，并已獲得

軟件證書備案。

4.7.2可通過加密計算時間步長和空間網(wǎng)格步長的方法檢驗計算軟件給出的計算精度。若加密前

后計算結果變化較小，則數(shù)值解具有一定精度，否則應進一步減小時間步長和空間網(wǎng)格步長，使

數(shù)值解收斂到允許誤差以內(nèi)。

4.7.3在開展過渡過程計算前，應對計算所使用的各種元件特性參數(shù)的準確性進行率定。元件特

性參數(shù)率定應分別針對輸水系統(tǒng)的管道粗糙度與阻力系數(shù)、相關液體介質(zhì)的水錘波速、閥門特性

參數(shù)、空氣閥特性參數(shù)、水泵性能曲線等主要元件進行。

4.7.4元件特性參數(shù)率定應符合下列規(guī)定：

1在具備試驗條件的情況下，應采用試驗結果來確定元件特性參數(shù)。

2在輸水工程還不能提供主要設備具體特性的情況下，可通過已有工程或相關資料中的結

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果來估算元件特性參數(shù)。

3在設備招標后，可通過中標廠家提供的設備性能曲線作為元件特性參數(shù)。

4在輸水系統(tǒng)驗收試驗階段或正式運行階段，可根據(jù)設備制造廠提供的設備實際特性或?qū)?/p>

測結果修正元件特性參數(shù)。

4.7.5對于重要輸水工程，宜有2-3家計算單位同時計算，相互印證，以保證計算結果的可靠性。

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5水力過渡過程數(shù)值計算

5.1計算目的

5.1.1穩(wěn)態(tài)計算結果，可應用于輸水系統(tǒng)設計、管材和閥門的選型，并可用于輸水系統(tǒng)的精準調(diào)

度，實現(xiàn)各分水口的精準流量分配。

5.1.2瞬態(tài)計算結果，可用于現(xiàn)有輸水系統(tǒng)的安全性評估、管道疲勞與爆管可能性評估、水錘防

護措施的選擇、系統(tǒng)運行方式的確定、水泵啟停規(guī)律的整定。

5.1.3計算給出的節(jié)點壓力與流量信息，可應用于輸水系統(tǒng)的調(diào)度與運行方案的可視化。

5.1.4水力過渡過程計算成果，可為輸水系統(tǒng)的管線和水工建筑物的設計依據(jù)。

5.2計算方案與計算工況

5.2.1計算方案應包括下列內(nèi)容：

1輸水管網(wǎng)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的泵串并聯(lián)和管道串并聯(lián)各種組合情況。

2不設置任何防護措施的工程運行情況和設置不同類型防護措施的情況。

3穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況。

5.2.2計算工況的選擇應符合下列要求：

1按可能出現(xiàn)的最不利工況，擬定計算工況。

2對管網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)常運行工況進行計算。對于變速運行的泵站輸水系統(tǒng)應進行流量調(diào)節(jié)工

況計算。對于梯級泵站輸水系統(tǒng)應進行站間流量平衡工況計算。

3計算工況包括未加水錘防護裝置時工況。

4計算工況包括增加水錘防護裝置后的相關工況。

5.2.3有壓重力流輸水系統(tǒng)計算工況見附錄I，泵送加壓輸水系統(tǒng)計算工況見附錄J。

5.3數(shù)值計算

5.3.1數(shù)值計算應借助滿足本標準第4章計算模型構建要求的計算軟件進行。計算軟件應具有

可靠的數(shù)值算法和完善的輸入輸出界面。

5.3.2數(shù)值計算應分別完成穩(wěn)態(tài)計算和瞬態(tài)計算。

5.4計算結果分析與處理方法

5.4.1計算結果宜以文本文件方式保存到計算機存儲器上，在計算過程中或計算完成后可利用數(shù)

據(jù)處理軟件對計算數(shù)據(jù)進行后處理，并應以圖形方式顯示下列計算結果：

1整個管網(wǎng)的最高／最低壓力包絡線。

2關鍵位置的水位／壓力變化過程曲線。

3關鍵位置的流量變化過程曲線。

4水泵機組的轉(zhuǎn)速變化過程曲線。

5水泵出口工作閥門關閉規(guī)律。

6其他曲線。

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5.4.2應給出不同管網(wǎng)配置方案下的計算結果對比情況，并應給出有壓輸水系統(tǒng)的調(diào)度及運行建

議。

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6水錘防護措施

6.0.1有壓輸水系統(tǒng)宜安裝下列防水錘裝置：

1在泵站出水總管起端，設置具有兩階段關閉功能的緩閉閥或軸流止回閥。在有壓重力流

輸水管道末端（或者中部）設置具有兩階段關閉功能的緩閉閥或調(diào)流調(diào)壓閥。

2在泵站出水總管起端、有壓重力流輸水管道末端的關閉閥上游，可視需要設置超壓泄壓

閥。超壓泄壓閥的公稱直徑宜取為主管道直徑的1/5～1/4或經(jīng)水力計算確定。當管道內(nèi)的靜水壓

力很高時，超壓泄壓閥直徑應根據(jù)靜壓力和泄水時間經(jīng)水力計算確定。超壓泄壓閥的泄壓值可采

用最大使用壓力加0.15～0.20MPa。

3當有壓重力流輸水干管的總作用水頭超過0.4MPa時，宜根據(jù)管道水錘防護需要或小流

量運行時消能需要設置減壓閥。

4一般情況下，在輸水管道上宜每隔1.0km左右設置進氣排氣閥。當輸水管道坡度小于1‰

時，宜每隔500m～800m設置進氣排氣閥。在管道局部高點及管道膝部宜設置進氣排氣閥。進氣

排氣閥的設置位置，應根據(jù)水錘防護計算確定。進氣排氣閥的口徑宜取輸水管道直徑的1/12～

1/5。，或經(jīng)計算確定。排氣閥有效排氣口徑不得小于其公稱直徑的70％，或者閥體內(nèi)通過氣體的

最小流道截面積不得小于公稱尺寸的截面積。當管道壓力較大或工況復雜時，應采用具有緩沖功

能的排氣閥。進氣排氣閥可采用一體化復合式空氣閥，也可采用單獨的進氣閥與排氣閥。

6.0.2當計算結果不滿足所規(guī)定的水錘防護標準時，宜按以下方法設置水錘防護裝置：

1重新整定工作閥門啟閉規(guī)律。

2更改進氣排氣閥的型式、規(guī)格、設置的位置和數(shù)量。

3在同時可能出現(xiàn)壓力過高和過低的位置設置雙向調(diào)壓塔。

4在可能出現(xiàn)壓力過低的位置設置單向調(diào)壓塔（池）。

5在水泵倒流倒轉(zhuǎn)超過規(guī)定值時，重新整定泵后工作閥門關閉規(guī)律、增加水泵電機機組轉(zhuǎn)

動慣量或者提高機組強度要求。

6泵后設置空氣罐。

7在泵后旁通管上設置壓力波動預止閥。

8隨著新技術發(fā)展出現(xiàn)的新型水錘防護裝置。

6.0.3水錘防護可采用附錄K給定的措施。

6.0.4采用的水錘防護措施初步方案，可由工程設計單位單獨或聯(lián)合水力過渡過程計算單位首先

提出，然后通過對不同水錘防護措施進行技術經(jīng)濟比較，推薦安全、經(jīng)濟、成熟的防護措施作為

最優(yōu)方案。

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7計算成果與報告編制

7.1計算成果

7.1.1計算成果應包括下列內(nèi)容：

1簡述水力過渡過程計算模型特點。

2對計算結果進行可靠性和合理性分析，必要時對數(shù)學模型參數(shù)進行敏感性分析。

3計算結果包括穩(wěn)態(tài)工況下水力學參數(shù)分布、瞬態(tài)工況下常規(guī)分析/防護措施對比分析。

4推薦的水錘防護措施和防護效果分析。

7.1.2應繪制表征下列關系圖表：

1整個管網(wǎng)系統(tǒng)的最高／最低壓力包絡線。

2水泵機組的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律、流量變化規(guī)律。

3最不利點的壓力變化規(guī)律曲線。

4水泵出口工作閥門前、后壓力變化規(guī)律曲線。

5有調(diào)壓塔、空氣罐防護措施時，調(diào)壓塔、空氣罐的水位變化規(guī)律。

6水泵出口工作閥門的啟閉規(guī)律。

7增加水錘防護措施前后最不利點壓力最高值、最低值、最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、最大反轉(zhuǎn)流量相

對變化率等主要參數(shù)的對比說明。

7.2計算報告編制

7.2.1計算報告應包括下列內(nèi)容：

1報告章節(jié)目錄。

2前言、工程概況、基本資料、計算目的與內(nèi)容、計算模型與計算方法、計算工況、計算

結果與分析。

3水錘防護措施及防護效果分析。

4計算結果可靠性和合理性分析，必要時對數(shù)學模型參數(shù)進行的敏感性分析。

5結論與建議。

6采用圖表、電子文檔等方式，表征計算結果。

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附錄A有壓輸水系統(tǒng)計算模型的基本控制方程

A.0.1有壓輸水系統(tǒng)的基本控制方程包括運動方程和連續(xù)方程兩部分，各參數(shù)描述如圖A.0.1-1

所示。

運動方程按公式（A.0.1-1）計算。

Hvvvf1vv

0（A.0.1-1）

xgtgxDg2

連續(xù)方程按公式（A.0.1-2）計算。

HHa2v

vsin0（A.0.1-2）

txgx

式中：x－沿管線的長度，m;

t－時間，s

H－測壓管水頭，m；

f－管道摩阻系數(shù)；

v－管內(nèi)流速，m/s；

－管道與水平面夾角，o；

a－水錘波傳播速度，m/s；

D－管道內(nèi)徑，m；

g－重力加速度，m/s2。

圖A.0.1-1微元管段

Hv

A.0.2在實際應用中，流加速項v，v和斜率項vsin相對于其他項都是小項，可忽略

xx

不計，運動方程和連續(xù)方程可作簡化計算。

運動方程按公式（A.0.2-1）計算

H1vfvv

0（A.0.2-1）

xgtD2g

連續(xù)方程按公式（A.0.2-2）計算

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Hav2

0（A.0.2-2）

tgx

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附錄B特征線法

B.0.1附錄A中式（A.0.2-1）和式（A.0.2-2）是一組準線性雙曲型偏微分方程，自變量為x和

t，因變量為H和v。將運動方程與連續(xù)方程分別用L1和L2表示

Hvvv

Lgf0（B.0.1-1）

1xtD2

Hav2

L0（B.0.1-2）

2tgx

引入一個變量將和方程進行線性組合，可得

HgHvav2vv

（）

LLLf120B.0.1-3

txtgxD2

若HHx,t，vvx,t，那么它們的全導數(shù)為

ddHHHx

（B.0.1-4）

ddttxt

ddvvvx

（B.0.1-5）

ddttxt

對比式（B.0.1-3）、式（B.0.1-4）和式（B.0.1-5）可知，如果令

dxga2

（B.0.1-6）

dtg

式（B.0.1-3）可以寫成式（B.0.1-7）的全微分方程

ddHvvv

f0（B.0.1-7）

dd2ttD

由式（B.0.1-7）可解得的兩個特征值

g

（B.0.1-8）

a

再將的兩個值代入式（B.0.1-6）可得

dx

a（B.0.1-9）

dt

dxgddHvvvdx

當a時，式（B.0.1-7）可以寫成f0。當a時，式（B.0.1-

dtadtdt2Ddt

18

gHvddvv

7）可以寫成f0。將這兩組方程分別用C和C來表示

attDdd2

gHvddvv

f0

attDdd2

C（B.0.1-10）

dx

a

dt

gHvddvv

f0

attDdd2

C（B.0.1-11）

dx

a

dt

如圖B.0.1-1在x-t平面內(nèi)，式（B.0.1-10）代表斜率為a的AP線，式（B.0.1-11）代表斜率

為-a的BP線，為特征線。表示擾動在x-t平面中傳播的路徑。t0時刻在A點的擾動，將沿直線

AP傳播，在t時間后傳播到P點。t0時刻在B點擾動將沿直線BP傳播，在時間后傳播到

P點。

圖B-1xt平面特征線

將式（B.0.1-10）中的速度v乘以管道的面積，改寫成流量形式的微分方程。將微分方

程沿特征線從A點到P點進行積分，可得

PPPafa

ddd0HQQQt

AAA2

gAgDA2（B.0.1-12）

式中：Q—流量，m3/s。

式（B.0.1-12）中的前兩個積分較容易求解，但代表摩阻損失的第三項積分，無法給定變量

Q關于時間t的表達式。所以采用一階近似的方法估計第三項的數(shù)值。并將ddxat代入，可得

afx

HPHAQPQA2QAQA0

gA2gDA（B.0.1-13）

將微分方程沿特征線C從B點到P點進行積分，同理可得

19

afx

HHQQQQPBPBBB20

gAgDA2（B.0.1-14）

式中：下標P、A、B—相應點的參數(shù)。

x—微元管段長度，m。

將式（B.0.1-13）和式（B.0.1-14）中HP移到等號的右邊可得

HHBQQRQQ

C：PAPAAA（B.0.1-15）

HHBQQRQQ

C：PBPBBB（B.0.1-16）

a

B

式中，B—常數(shù)。gA；

fx

R2

R—常數(shù)。；2gDA。

B.0.2圖B.0.2-1為特征網(wǎng)格，從圖中可知，對于任意中間網(wǎng)格節(jié)點i處的水頭H和流量Q都可

由式（B.0.1-15）和式（B.0.1-16）聯(lián)立求解。將上式各項進行合并整理得

HCBQ

C：PiPPi（B.0.2-1）

HCBQ

C：PiMPi（B.0.2-2）

CHBQRQQ

式中，Piiii1111；

CHBQRQQ

Mi1i1i1i1。

由式（B.0.2-1）和式（B.0.2-2）聯(lián)立求解可得

CCPM

HPi

2（B.0.2-3）

CCPM

QPi

2B（B.0.2-4）

在求解過程中，對于上游邊界節(jié)點僅存在C特征方程，下游邊界節(jié)點僅存在C特征方程，

一個方程中存在水頭H和流量Q兩個未知數(shù)無法求解，所以需要根據(jù)實際情況建立相應邊界條

件方程，與特征方程進行聯(lián)立求解，計算得到上下游邊界處水頭H和流量Q值。

20

圖B.0.2-1特征網(wǎng)格

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附錄C水泵全特性曲線的獲取

C.0.1圖C.0.1-1給出了比轉(zhuǎn)速128、530、950的三種水泵的Suter全特性曲線，當無法獲得水

泵的全特性曲線時，可采用相似的比轉(zhuǎn)速的全特性曲線，或者進行線性插值獲得相應的Suter

曲線。

44

3

22

1

00

02468-102468

-2-2

-3

-4-4

Ns128WhxNs530WhxNs128wmxNs530wmx

Ns950WhxNs950wmx

（a）Whx曲線(b)Wmx曲線

圖C.0.1-1三種比轉(zhuǎn)速的Suter全特性曲線

22

附錄D恒定摩阻和非恒定摩阻計算公式

D.0.1在穩(wěn)態(tài)工況下，不同管材的輸水管道水頭損失，應根據(jù)其糙率按現(xiàn)行國家標準《室外給水

設計規(guī)范》（GB50013）規(guī)定的公式計算。

D.0.2對于瞬變工況，可采用定常流動的摩阻系數(shù)進行水頭損失計算，假設瞬時管壁剪切應力

（即瞬時摩阻）與定常流動時的摩阻相等，恒定摩阻Jq按式（D.0.2-1）計算：

fvv

J（D.0.2-1）

q2D

式中，f－達西-威斯巴哈摩擦系數(shù)，可按下式計算：

64

f，Re2320（D.0.2-2）

Re

1251/.D

20.log，Re2320（D.0.2-3）

ff37.Re

－絕對粗糙度，m；

D－管道內(nèi)徑，m。

D.0.3在瞬變比較劇烈的情況下，恒定磨阻模型不能準確預測壓力波衰減和波形畸變過程，瞬

變流中的瞬時摩阻可以用恒定摩阻和非恒定摩阻之和來表征。總的摩阻J按式（D.0.3-1）計算：

JJJqu（D.0.3-1）

式中，Ju－非恒定摩阻：

kvvv

Jav=(sign())（D.0.3-2）

ugtxx

式中，k－摩擦系數(shù)，根據(jù)剪切衰減系數(shù)C*計算：

C*

k（D.0.3-3）

2

0.00476Re2320當

12.86（）

C*當D.0.3-4

15.29Re2320

lg()

ReRe0.0567

23

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附錄E波速計算方法

E.0.1對地埋管，波速為：

K/

a=

1K/ED/ec

（E.0.1-1）

2Ee

c=

GDEe2（E.0.1-2）

式中，－流體的密度，kg/m3;

K－水的彈性模量，N/m2；

E－管壁的彈性模量，N/m2；

e－襯砌的厚度，m；

D－管道的直徑，m；

G－巖石的剛度模量，N/m2。

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附錄F庫朗條件

F.0.1庫朗條件為

x

t（F.0.1-1）

a

式中，t—時間步長，s；

x—分段長度，m；

a—波速，m/s。

為了保證計算結果穩(wěn)定，有時需對管長進行微量調(diào)整，使其滿足庫朗條件。

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附錄G調(diào)整時間步長的方法

G.0.1空間網(wǎng)格步長選擇原則：

x

1各管段的網(wǎng)格步長與波速比值應相等，即t=j

aj

L

2各管段的網(wǎng)格段數(shù)應為整數(shù)，即j=整數(shù)

xj

L

由此可知，j=整數(shù)

atj

實際中為了滿足上式，有可能使t和xj選得很小。太細網(wǎng)格將增加大量計算機時。

G.0.2復雜管道水力系統(tǒng)要滿足原則2，通常難以找到，因此，可采用近似選取統(tǒng)一時間步長t

方法：

（1）傳統(tǒng)的插值特征線法

（2）調(diào)整波速法

波速的計算本來并不十分精確，允許在一定幅度內(nèi)自由修正波速值，且對水錘動態(tài)的影響不

甚顯著。規(guī)定允許支管長度Lj的波速相對修正系數(shù)j10%，根據(jù)統(tǒng)一的計算時間步長，

支管的段數(shù)為

Lj

NNj(G.0.2-1)

1+jjat

式中，j－j管段波速修正系數(shù)

在允許的修正幅度之內(nèi)，不同的支管可采用不同的i值，保證每一個支管的Ni湊成為整數(shù)。

再進一步通過減小和增加NNj，可使控制在所規(guī)定的幅度之內(nèi)。

（3）當量模型法

對于串聯(lián)管道，按統(tǒng)一的計算時間步長，由上游向下游依次劃分步段，空間步長xatjj=，

若其中一支管的末端剩余不足一個空間步長，可與下一個支管的起始端部結合成“跨管空間步

長”，然后再對下一個支管的其余部分繼續(xù)網(wǎng)格劃分。

L

設跨管空間步長的實際總長度為，水錘波的實際傳播時間j，則，這種由跨

Ljt=

aj

L

管支管組成的空間步長的當量波速可取為a=j

eL

j

aj

跨管空間步長由不同的幾段支管組，跨管空間步長內(nèi)的流體總動能為

11L

22j（）

LjAjUjQG.0.2-2

22Aj

按照總動能守恒原則，可確定跨管空間步長的當量管截面積為

26

L

Aj(G.0.2-3）

eL

j

Aj

根據(jù)水頭損失與實際值一致的原則，跨管空間步長的當量常數(shù)為

fL

Rjj（）

e2G.0.2-4

2gDAjj

（4）短管方法

按統(tǒng)一的計算時間步長t，由上游向下游依次劃分步段，空間步長xajj=t，若其中一支

管的末端剩余不足一個空間步長，即稱之為短管。由此可知，在處理短管之前，各標準管段內(nèi)的

波速就不要調(diào)整，以保證精度。

a.調(diào)整短管波速

對于短管，調(diào)整波速的幅度就大很多。從原則上，只要整個系統(tǒng)按管長的加權平均改速的差

值不超過5％~10％，盡管短管本身的波速的調(diào)整幅度很大也是允許的。

b．剛化短管

把短管中的水體和管壁看作為剛體，從而把導出相應的計算公式以代替特征方程。

c.在控制方程中用差商代替微商法

HHHHHnnnn11