CN116305700B - 一种用于长距离输水管网的水锤评估和消除模型 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及输水管网技术领域，具体公开了一种用于长距离输水管网的水锤评估和消除模型，包括处理器以及与处理器通讯连接的基础数据收集系统、水锤消除模型构建系统、水锤风险评估系统以及水锤消除建议系统；本发明通过在输水管网施工前，对输水管网的设计资料进行验证，利用构建的水锤消除模型，对输水管网的水锤消除率进行预测评估，并基于现有的水锤消除系统，提出水锤消除装置、流量和压力等设备布置点位，为长距离输水管网的稳定运行和调度奠定了扎实的基础。本发明能够有效地辨识、管理并减少和水锤有关的风险，为水锤消除装置和水锤消除系统的布置提供合理化建议和针对性优化方案。
Description
技术领域
本发明涉及输水管网技术领域，更具体地说，本发明涉及一种用于长距离输水管网的水锤评估和消除模型。
背景技术
水锤是指当阀门突然断电或急速关上时，因水压作用而产生的一股激波，类似于铁锤的敲击，故称水锤。水锤的破坏力很大，压强太大时，会造成管道的爆裂，压强太小，会造成管道的塌陷，也会造成水泵、阀门等设备的损坏。在断电停机时，水泵水系统中的势能将克服马达的惯性，使系统突然停止，同时也会产生水锤、水压现象。
水锤是影响长距离输水系统安全运行的重要因素之一，不合理的工程设计和调度方案是引发的水锤现象重要因素。目前，应对长距离输水管线系统产生的水锤危害，采用的都是安装水锤消除装置的解决办法，即水泵出口加装缓闭止回阀，管线高点加装排气阀。但是在实际运行中，对具体的长距离输水管网进行水锤风险评估、对水锤风险装置进行合理的布置以及有效的消除水锤风险，目前还没有一个合理的解决方案。为了解决上述问题，现提供一种技术方案。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种用于长距离输水管网的水锤评估和消除模型，通过在输水管网施工前，对输水管网的设计资料进行验证，利用构建的水锤消除模型，对输水管网的水锤消除率进行预测评估，并基于现有的水锤消除系统，提出水锤消除装置、流量和压力等设备布置点位，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于长距离输水管网的水锤评估和消除模型，包括处理器以及与处理器通讯连接的基础数据收集系统、水锤消除模型构建系统、水锤风险评估系统以及水锤消除建议系统，具体为：
基础数据收集系统用于输水管网基础数据的数据、处理以及核对，输水管网基础数据主要包括输水管网拓扑数据、泵站数据、工况数据以及节点高程；
水锤消除模型构建系统通过圣维南方程组构建水锤消除模型，将输入信息输入至水锤消除模型得到水锤消除量，输入信息包括管线波速、阀门参数、水泵的水锤参数、空气阀参数以及水锤消除罐参数，经过水锤消除模型计算得到瞬变流状态下的流量；
水锤风险评估系统用于应对不同的调水流量方案和开关机操作，通过水锤消除量对输水管网的水锤风险进行评估；
水锤消除建议系统通过水锤风险的评估结果对输水管网压力监测布置点、空气阀布置点建议以及水锤消除罐布置点提出建议，根据建议对水锤风险进行评估复核。
作为本发明进一步的方案，基础数据收集系统的输水管网基础数据包括输水管网拓扑数据、泵站数据、工况数据以及节点高程，具体为：
输水管网拓扑数据通过输水管道图纸获得，包括输水管道的经纬度、管材以及管径，并去除研究范围内不必要的管道线路；
其中，不必要的管线包括低流速管道以及弯曲度低的管道。低流速的管道具有长缓冲距离，无需考虑水锤的影响；弯曲度低的管道由于水锤波的传播受到的弯曲和折射同样极低，故而不考虑水锤的影响。
泵站数据通过泵出口压力表计算获得，包括泵站的设计流量、前池水位及泵站扬程；
工况数据通过流量计获得，包括水源端设计流量、最大流量、正常工况流量和分水口设计流量、最大流量、正常工况流量；
节点高程通过输水管道图纸确定地面高程以及管中心高程。
作为本发明进一步的方案，水锤消除模型构建系统的输入信息包括管线波速、阀门参数、水泵的水锤参数、空气阀参数以及水锤消除罐参数，具体为：
管线波速通过HAMMER软件的波速计算器模块对各管道波速进行计算，计算波速的参数包括管网的输送液体的属性、管材、管径以及管壁厚度；
水泵的水锤参数包括水泵与电机的惯量、水泵的转速和水泵的比速；
阀门参数通过阀门的特性曲线，建立各阀门的开度与流量的关系图，计算阀门不同开度下的流量；
空气阀参数通过不同类型的空气阀排气流量曲线，获取空气阀的压力与流量的关系；
水锤消除罐参数根据水锤消除罐的参数资料获得，获取其存留时间、高程、容积、水箱计算模型、大气压力水头、直径以及气体定律指数。
作为本发明进一步的方案，水泵的水锤参数包括水泵与电机的惯量、水泵的转速和水泵的比速，其中，水泵与电机的惯量通过HAMMER软件的水泵与电机惯量计算器计算得来，水泵的比速的计算公式为：
；
式中：为水泵比速，N为水泵转速，Q为水泵最佳运行效率点流量，H为水泵最佳运行效率点扬程。
作为本发明进一步的方案，水锤消除模型通过综合输入信息得到输水管网的水锤消除量，输入信息包括管线波速、阀门参数、水泵的水锤参数、空气阀参数以及水锤消除罐参数，水锤消除量的计算公式为：
；
式中：P为水锤消除量，为管线波速，/>为阀门参数，/>为水泵的水锤参数，/>为空气阀参数，/>为水锤消除罐参数。
作为本发明进一步的方案，瞬变流状态下的流量通过圣维南方程组进行计算，其中，用于长距离输水管线的圣维南方程组计算公式为：
；
；
；
；
式中：Q为流量，A为过水断面面积，v为管内流，h为管内水深，t为时间，X为距离，摩阻坡度，/>为底坡，/>和/>为时间和空间差分的权重，/>和j分别为空间和时间的格点号，g为重力加速度，H为管内直径。
作为本发明进一步的方案，通过水锤消除量对输水管网的水锤风险进行评估，评估的具体步骤为：
步骤一，通过对水锤消除量进行线性变换得到L，再对线性变换后的水锤消除量进行标准化、正则化得到D，将标准化、正则化后的参数L作为自变量带入函数，根据函数值对水锤消除量进行分级评估；
步骤二，对水锤消除量进行分级评估的步骤为：
当时，水锤消除量为低级消除；
当时，水锤消除量为中级消除；
当时，水锤消除量为高级消除；
式中：为/>函数值的最大值，/>为/>函数值的最小值。
与现有技术相比，本发明的技术效果和优点：
1.本发明能够充分验证项目管线的设计合理性，为水锤消除装置和水锤消除系统的布置提供合理化建议和针对性优化方案；
2.本发明能够将水锤效应复杂原理结合成为简单易用的工程工具，协助水利工程师更顺利地进行任何复杂的水锤水击水力计算与设计；
3.本发明为用户提供了基于精确数值解的水力计算引擎，能够有效的辨识、管理并减少和水锤有关的风险。
附图说明
图1为本发明一种用于长距离输水管网的水锤评估和消除模型结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种用于长距离输水管网的水锤评估和消除模型，包括处理器以及与处理器通讯连接的基础数据收集系统、水锤消除模型构建系统、水锤风险评估系统以及水锤消除建议系统，具体为：
基础数据收集系统用于输水管网基础数据的数据、处理以及核对，输水管网基础数据主要包括输水管网拓扑数据、泵站数据、工况数据以及节点高程；
输水管线基础数据的收集、处理和核对，是水锤模型建立和运行的基础，越加完善的数据和信息，就越能够保证管线水锤模型的准确性。
水锤消除模型构建系统通过圣维南方程组构建水锤消除模型，将输入信息输入至水锤消除模型得到水锤消除量，输入信息包括管线波速、阀门参数、水泵的水锤参数、空气阀参数以及水锤消除罐参数，经过水锤消除模型计算得到瞬变流状态下的流量；
水锤风险评估系统用于应对不同的调水流量方案和开关机操作，通过水锤消除量对输水管网的水锤风险进行评估；
水锤消除建议系统通过水锤风险的评估结果对输水管网压力监测布置点、空气阀布置点建议以及水锤消除罐布置点提出建议，根据建议对水锤风险进行评估复核。
本实施例中基础数据收集系统的输水管网基础数据包括输水管网拓扑数据、泵站数据、工况数据以及节点高程，具体为：
输水管网拓扑数据通过输水管道图纸获得，包括输水管道的经纬度、管材以及管径，并去除研究范围内不必要的管道线路；
其中，不必要的管线包括低流速管道以及弯曲度低的管道。低流速的管道具有长缓冲距离，无需考虑水锤的影响；弯曲度低的管道由于水锤波的传播受到的弯曲和折射同样极低，故而不考虑水锤的影响。
泵站数据通过泵出口压力表计算获得，包括泵站的设计流量、前池水位及泵站扬程；
工况数据通过流量计获得，包括水源端设计流量、最大流量、正常工况流量和分水口设计流量、最大流量、正常工况流量；
节点高程通过输水管道图纸确定地面高程以及管中心高程。
本实施例中水锤消除模型构建系统的输入信息包括管线波速、阀门参数、水泵的水锤参数、空气阀参数以及水锤消除罐参数，具体为：
管线波速通过HAMMER软件的波速计算器模块对各管道波速进行计算，计算波速的参数包括管网的输送液体的属性、管材、管径以及管壁厚度；
水泵的水锤参数包括水泵与电机的惯量、水泵的转速和水泵的比速；
阀门参数通过阀门的特性曲线，建立各阀门的开度与流量的关系图，计算阀门不同开度下的流量；
空气阀参数通过不同类型的空气阀排气流量曲线，获取空气阀的压力与流量的关系；
水锤消除罐参数根据水锤消除罐的参数资料获得，获取其存留时间、高程、容积、水箱计算模型、大气压力水头、直径以及气体定律指数。
本实施例中水泵的水锤参数包括水泵与电机的惯量、水泵的转速和水泵的比速，其中，水泵与电机的惯量通过HAMMER软件的水泵与电机惯量计算器计算得来，水泵的比速的计算公式为：
；
式中：为水泵比速，N为水泵转速，Q为水泵最佳运行效率点流量，H为水泵最佳运行效率点扬程。
本实施例中水锤消除模型通过综合输入信息得到输水管网的水锤消除量，输入信息包括管线波速、阀门参数、水泵的水锤参数、空气阀参数以及水锤消除罐参数，水锤消除量的计算公式为：
；
式中：P为水锤消除量，为管线波速，/>为阀门参数，/>为水泵的水锤参数，/>为空气阀参数，/>为水锤消除罐参数。
本实施例中瞬变流状态下的流量通过圣维南方程组进行计算，其中，用于长距离输水管线的圣维南方程组计算公式为：
；
；
；
；
式中：Q为流量，A为过水断面面积，v为管内流，h为管内水深，t为时间，X为距离，摩阻坡度，/>为底坡，/>和/>为时间和空间差分的权重，/>和j分别为空间和时间的格点号，g为重力加速度，H为管内直径。
当输水主管线上分设东部、南部、北部三条输水管线时，输水管线的开机过程涉及主线与南线两个泵站，共六台泵，为验证六个泵后阀门正常开机过程中管道压力安全情况，运用HAMMER软件对开机水力过渡过程进行模拟。
开机过程中主线泵站的水泵逐台开启，同时南线泵站逐台开启，相应地，主线及南线的泵后阀门也逐个开启，完成开机过程。开机过程开始后，主线泵站1号水泵在10秒内启动至正常转速，其泵后阀门按照程序逐步开启，首先开启10%，停顿5秒后继续开启10%，以此类推，50秒内将阀门完全开启。
主线1号水泵后阀门完全开启后，主线2号水泵开始开机。遵循相同的开机程序，在10秒内完成水泵开启，50秒内分阶段完成泵后阀门开启。主线2号水泵后阀门完全开启后，主线3号水泵开始开机。遵循相同的开机程序，在10秒内完成水泵开启，50秒内分阶段完成泵后阀门开启。
南线泵站与主线水泵同时执行开机过程，开机过程开始后，南线泵站1号水泵在10秒内启动至正常转速；其泵后阀门按照相同程序逐步开启。南线1号水泵后阀门完全开启后，南线2号水泵开始开机。遵循相同的开机程序，在10秒内完成水泵开启，50秒内分阶段完成泵后阀门开启。南线2号水泵后阀门完全开启后，南线3号水泵开始开机。遵循相同的开机程序，在10秒内完成水泵开启，50秒内分阶段完成泵后阀门开启。至此，整个开机过程相关的水泵与阀门设置完成。
依照如上所设置的开机程序，在HAMMER软件中模拟的输水管线水力过渡结果，结果显示沿线管道的高程线波动较小、最小压力线基本平稳、最大压力线下降幅度较大，最终压力线下降幅度较缓。
开机过程中最小压力线基本位于管道高程线之上，主线泵站后由于管线高程较高，形成短时负压，空气阀向管道内补气以平衡压力；随着开机过程的实施，管道内压力逐渐恢复正常，气体缓释排出，未造成弥合水锤，因此最高压力线也在正常范围内，没有出现极端值。开机过程完成后，最终稳定的压力线与正常运行时的压力线吻合，说明开机过程达到了预期的模拟效果。
在开机过程初期，水力坡度线短时低于管线高程，造成沿线负压，因此空气阀打开进行补气；随着开机过程的实施，沿线水力坡度逐渐恢复正常，管道内气体缓释排出。最大压力水头线未出现极端高值，弥合水锤得到有效控制，在管道的材料承压范围内；最低压力水头线低于管线高程，但历经时间较短，影响较小；稳定后的最终压力水头线平稳，符合正常运行时的压力坡度。
由于东线在末端又分出支线，但整个线路模拟结果基本相同，这里对东线主线进行结果分析。东线的开机过程十分平稳，最低压力线始终高于管道高程线，全程没有空气阀进气排气现象，没有负压的存在；最高压力线基本与最终稳定压力线吻合，没有弥合水锤的出现。
南线末端接入有压供水管网，因此初始压力水头线与其末端压力水头一致。整个开机过程平稳，最低压力线始终高于管道高程线，全程没有空气阀进气排气现象，没有负压的存在；最高压力线未出现极端值，无弥合水锤，在管道强度可承受范围内；最终稳定压力线与正常运行模拟的情况吻合。
本实施例通过水锤消除量对输水管网的水锤风险进行评估，评估的具体步骤为：
步骤一，通过对水锤消除量进行线性变换得到L，再对线性变换后的水锤消除量进行标准化、正则化得到D，将标准化、正则化后的参数L作为自变量带入函数，根据函数值对水锤消除量进行分级评估；
步骤二，对水锤消除量进行分级评估的步骤为：
当时，水锤消除量为低级消除；
当时，水锤消除量为中级消除；
当时，水锤消除量为高级消除；
式中：为/>函数值的最大值，/>为/>函数值的最小值。
本实施例提出了一种用于长距离输水管网的水锤评估和消除模型，通过在输水管网施工前，对输水管网的设计资料进行验证，利用构建的水锤消除模型，对输水管网的水锤消除率进行预测评估，并基于现有的水锤消除系统，提出水锤消除装置、流量和压力等设备布置点位，为长距离输水管网的稳定运行和调度奠定了扎实的基础。本发明能够充分验证项目管线的设计合理性，为水锤消除装置和水锤消除系统的布置提供合理化建议和针对性优化方案。本发明能够将水锤效应复杂原理结合成为简单易用的工程工具，协助水利工程师顺利地进行任何复杂的水锤水击水力计算与设计，同时为用户提供了基于精确数值解的水力计算引擎，能够有效的辨识、管理并减少和水锤有关的风险。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种用于长距离输水管网的水锤评估和消除模型，包括处理器以及与处理器通讯连接的基础数据收集系统、水锤消除模型构建系统、水锤风险评估系统以及水锤消除建议系统，其特征在于，
基础数据收集系统用于输水管网基础数据的数据、处理以及核对，输水管网基础数据主要包括输水管网拓扑数据、泵站数据、工况数据以及节点高程；
水锤消除模型构建系统通过圣维南方程组构建水锤消除模型，将输入信息输入至水锤消除模型得到水锤消除量，输入信息包括管线波速、阀门参数、水泵的水锤参数、空气阀参数以及水锤消除罐参数，经过水锤消除模型计算得到瞬变流状态下的流量；
水锤风险评估系统用于应对不同的调水流量方案和开关机操作，通过水锤消除量对输水管网的水锤风险进行评估；
水锤消除建议系统通过水锤风险的评估结果对输水管网压力监测布置点、空气阀布置点建议以及水锤消除罐布置点提出建议，根据建议对水锤风险进行评估复核；
水锤消除模型构建系统的输入信息包括管线波速、阀门参数、水泵的水锤参数、空气阀参数以及水锤消除罐参数，具体为：
管线波速通过HAMMER软件的波速计算器模块对各管道波速进行计算，计算波速的参数包括管网的输送液体的属性、管材、管径以及管壁厚度；
水泵的水锤参数包括水泵与电机的惯量、水泵的转速和水泵的比速；
阀门参数通过阀门的特性曲线，建立各阀门的开度与流量的关系图，计算阀门不同开度下的流量；
空气阀参数通过不同类型的空气阀排气流量曲线，获取空气阀的压力与流量的关系；
水锤消除罐参数根据水锤消除罐的参数资料获取其存留时间、高程、容积、水箱计算模型、大气压力水头、直径以及气体定律指数；
水泵的水锤参数包括水泵与电机的惯量、水泵的转速和水泵的比速，其中，水泵与电机的惯量通过HAMMER软件的水泵与电机惯量计算器计算得来，水泵的比速的计算公式为：
；
式中：为水泵比速，N为水泵转速，Q为水泵最佳运行效率点流量，Z为水泵最佳运行效率点扬程；
水锤消除模型通过综合输入信息得到输水管网的水锤消除量，输入信息包括管线波速、阀门参数、水泵的水锤参数、空气阀参数以及水锤消除罐参数，水锤消除量的计算公式为：
；
式中：P为水锤消除量，为管线波速，/>为阀门参数，/>为水泵的水锤参数，/>为空气阀参数，/>为水锤消除罐参数；
瞬变流状态下的流量通过圣维南方程组进行计算，其中，用于长距离输水管线的圣维南方程组计算公式为：
；
；
；
；
式中：Q为流量，A为过水断面面积，v为管内流，h为管内水深，t为时间，X为距离，摩阻坡度，/>为底坡，/>和/>为时间和空间差分的权重，i和j分别为空间和时间的格点号，g为重力加速度，H为管内直径；
通过水锤消除量对输水管网的水锤风险进行评估，评估的具体步骤为：
步骤一，通过对水锤消除量进行线性变换得到L，再对线性变换后的水锤消除量进行标准化、正则化得到D，将标准化、正则化后的参数L作为自变量带入函数，根据函数值对水锤消除进行分级评估；
步骤二，对水锤消除进行分级评估的步骤为：
当时，水锤消除为低级消除；
当时，水锤消除为中级消除；
当时，水锤消除为高级消除；
式中：为/>函数值的最大值，/>为/>函数值的最小值。
2.根据权利要求1所述的一种用于长距离输水管网的水锤评估和消除模型，其特征在于，基础数据收集系统的输水管网基础数据包括输水管网拓扑数据、泵站数据、工况数据以及节点高程，具体为：
输水管网拓扑数据通过输水管道图纸获得输水管道的经纬度、管材以及管径；
泵站数据通过泵出口压力表计算获得泵站的设计流量、前池水位及泵站扬程；
工况数据通过流量计获得水源端设计流量、最大流量、正常工况流量、分水口设计流量、最大流量以及正常工况流量；
节点高程通过输水管道图纸确定地面高程以及管中心高程。
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Denomination of invention: A Water Hammer Evaluation and Elimination Model for Long Distance Water Transmission Networks Effective date of registration: 20231024 Granted publication date: 20230829 Pledgee: China Life Property insurance Co.,Ltd. Qingdao Branch Pledgor: Qingdao Yanbo Data Information Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2023370010106 |