1、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
2、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
3、，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
4、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。 在低压给水管道系统比高压给水管道输水中 更 容易发生水柱分离。钢管， PVC，聚乙烯管和薄壁金属管容易受水柱分离影响，任何管道在压力冲击下都会产生材料疲劳，管道腐蚀也会造成管道事故。在容易发生事故的低
5、压管道中，工程师往往采用高级别材质管道以消除事故。例如在高压大口径管道管网中钢管通常比铸铁或预应力混凝土管道经济，然而工程师往往倾向选择预应力混凝土管或铸铁管道 ，因其 相对安全 和 不需要采用额外保障设备 。 架空管道比埋地管道更容易受水锤破坏， 基础和覆土的结构加强更有利于保护埋地管道。 在多数小型运行良好的给水管网中，已经充分 考 虑了安全因素，具有适当的管壁厚度 ，适当的调节设施（水池， 末端阀 ）和用户出口。水锤 更 容易发生在长距离、高流速，没有分支的主干管中。 影响水锤因素还有压力传递速度和流速。在较短的管道系统中选择较大的管径可以获得较低的流速 以 减小水锤的发生，然而在长距离
6、输水管线中管径关乎投资和运行成本，所以必须设置水锤消除设备。 采用复合式空气阀门消除断流和真空现象需要小心谨慎的分析水锤产生的可能性和情况以选取合适的阀门型号。许多案例报道证明设计使用过小进气阀门会造成爆管。复合式空气阀门可提供可靠的水锤防护，同时阀门失灵造成的潜在的危险也应该引起充分的重视。 工 程师在设计中 须 考虑导致产生波动的情况，如水泵和阀门的操作 ；同时 在设计和 施工过程中 采用 保护措施 ， 并考虑其局限性。 任何 现行 设计过程中都可以经过模型来模拟和调整并且可以进行预先的演示。 在方案和初步设计上考虑这些因素，更有利于项目的顺利进展。 目前控制压力波动 有两种方法 。首先在
7、工程设计中提出适当的操作避免紧急情况和非正常操作发生，力求压力波动发生可能性的最小化。其次是安装消除水锤的设备，消除断电和设备故障发生的潜在的事故危险。 在设计中采用防水锤措施 中也要注意一些潜在的隐患 如 调压井在紧急情况下或特殊操作时由于失 效不会产生反制作用 ； 在空气罐保护系统中，由于放气操作或压缩空气失效 反而会造成水锤破坏。因此必须评估紧急情况和故障并提出警示，以避免水锤发生。 而这些设计和预警都是过程复杂，工作量大，要求考虑因素全面的分析过程 。 2. 借助 HAMMER软件 解决 水锤问题 1） HAMMER软件 介绍 为了防止水锤现象的出现，可采取增加阀门起闭时间，尽量缩短管
8、道的长度，在管道上装设安全阀门或空气室，以限制压力突然升高的数值或压力降得太低的数值。 目前国内常采用的 停泵水锤的计算 方法有 ： 图解法 和 数解法 ，电算法也在逐渐采用。 Bentley Haestad HAMMER 是一种功能强大但易于使用的软件，它能帮助工程师分析复杂的水泵系统和管网从一个稳态过渡到另一稳态的瞬间变化。 HAMMER是一个在水、污水、工业和采矿系统中发生的水力瞬变现象（水锤）的 精确计算和 高级数字模拟器。 为减少 工程师的 工作 量，它简化了数据输入，使您能集中精力于观察、改进和快速专业地表达您的结果。 HAMMER可以处理任何一 个 管道 流体或系统 的数学模型和
9、状态模拟 ，并且它还能解决更大范围的问题， 您可以使用 HAMMER分析 给水 系统、污水压力管道、消防系统、井泵和源水传输管道。比如，您可以 改变流体比重以模拟油和污泥。 HAMMER 假设温度等其他流体特性变化可以忽略。目前它不能模拟废热利用或工业系统中发生的显著热力变化。 HAMMER的图形界面是它易于快速设计一个由管道、水池、水泵和波动控制装置组成的复杂管网。你可以使用 FlexTables 或者 preset libraries快速复制模型参数。如果您已经具有了一个系统的稳态模型， HAMMER 可以自动导入数据和结果，节省时间并消除抄写误差。 使用 HAMMER达到以下目标： 减少
10、瞬变损害的风险以尽可能增大操作者安全和减少维修中断频率。 减少水泵和管道系统的日常磨损以尽可能增大基础设施的使用寿命。 减少在瞬变负压过程中水污染的风险，在此过程中地下水和污染物可能被吸入水泵中。 减少瞬变压力冲击造成的瞬变力的数目和严重性。瞬变力和压力可以使接合处松动或者出现裂缝，增加渗漏和未加考虑的水 (UFW). 用四象特性涡轮 模型 完全分析水力系统去模拟卸载、加载和负荷变化的案例。 而使用 Hammer只需要具备常规数据和简单的操作 既可完成 准备应对停电、管道破裂和组件（阀门和水泵）和 /或控制损害时使用的操作清单。 制定 标准确保用水主要用 户不会损害系统。可向工厂提供信息避免突
11、然进水或 断水 。可向消防和供水公司提供打开或关闭消防龙头的安全速度。 提供其他信息（指稳态模型）帮助选择水泵、定位提升水池和空气阀门 参数确定 。 关于瞬变的提示 : 通常，水力系统在动态平衡的稳态下运行，而水流变化需要几分钟到几小时。 “正常”的水力瞬变可能在一天中当水泵启动或停止时发生几次，“突发”的水力瞬变可能仅仅在每月、每年或十几年停电或管道破裂时发生一次。水力瞬变和电压保护必须结合水务的风险管理和环境保护计划的整体考虑。 2） HAMMER软件 应用案例 模拟一个典型的停 泵水锤的 消除 这里 通过 模拟 一个 水锤危害比较严重的长距离输水 管道系统 ，来直观的介绍 Hammer。
12、以水泵停泵为 起 始时间，水泵完全停止转动的延迟时间为 5妙。 预计影响较大的水力波动将持续 2分 20秒。 我们可以通过 Hammer进行相应的水力计算并得出结论。 管道系统由基本元素构成，包括 低 位水池， 水泵， 高位水池，和输水管道，并在管道变化的相应位置设置节点。 如图 ，取水泵站设计流量 0.468m3/s,水泵转速 1760； 额定效率 85；扬程 83m； 水泵 飞轮矩 169 Nm2； 水泵比转速 25；输 水管线 管径为 DN600，管线长度 1828米，管道材料为钢管。图 1，输水管道系统平面图 每个元素都可以手动设置数据或者调用相关模型的或数据库文件。 通过水力计算得出
13、相应的计算结果并进行数据和图表输出 。 表 1，无水锤预防措施的节点 数据 节点编号 高程 m 最大水头 (m) 最小水头 (m) 最大 管道压力 (m H2O) 最小 管道 压力 （米 H2O） PJ1 363 389.088 378.64 26.088 15.642 PJ2 363 670.317 353 307.317 -10 J1 408 686.757 398 278.758 -10 J2 395 648.116 385 253.116 -10 J3 395 642.727 385 247.727 -10 J4 386 617.467 376 231.468 -10 J5 380 5
14、78.116 370 198.117 -10 J6 420 629.719 410 209.72 -10 低位水池 383 高位水池 456 我们看到在采用效能措施之前，水泵停泵 产生 的压力波动 ，最大压力已经超过管道稳定状态的管道压力 3 倍以上， 达到 3MPa。 而在长距 离 输水 设计中通常安全系数 为 工作压力 1.41.5 倍 ， (给水排水工程管道结构设计规范 GB50332-2002)， 既不采用消能措施的管道波动所产 生的压力已经超过管道承受的压力范围。 见图表： 为某一历时的水压波动图表， Hammer可以动画演示停泵后的全程历时压力波动 我们截取的是第 14.55 秒的
15、状态 。 图 2，无水锤预防措施输水管道系统剖面和水头线图 图 3， 无水锤预防措施停泵 泵后节点压力波动水头线图和流量变化图 在此基础上， Hammer还可以模拟采取预防水锤发生的设备在管道系统中的设置和作用。 在程序中 1节点设置一个空气罐， 喉管孔径 0.305m；进出水头损失比 2.5；调节容积19 .82m3。经过模拟计算得出如下数据 。 表 2，有水锤反制措施的节点压力 数据 节点编号 高程 m 最大水头 (m) 最小水头 (m) 最大压力 (m H2O) 最小压力（米 H2O） PJ1 363 399.84 366.26 36.781 3.255 PJ2 363 508.466
16、426.047 145.236 62.947 J2 395 496.982 431.156 101.82 36.099 J3 395 489.23 435.325 94.08 40.261 J4 386 481.682 439.473 95.53 53.388 J5 380 469.609 446.481 89.467 66.376 J6 420 461.905 451.659 41.838 31.608 低位水池 383 高位水池 456 标高和水压线图： 图 4，有水锤预防措施输水管道系统剖面和水头线图 图 5，有水锤预防措施停泵泵后节点压力波动水头线图和流量变化图 我们看到 在空气罐的作
17、用下，停泵压力波动被有效的控制在管道安全压力范围内 ， 负压的消失 也很好的消除了管道中水柱断流。 压力 正 向 波动没有超过 1.5MPa。在第 14.55秒钟的压力线图也很好的反应出空气罐的抑止压力波动的作用，我们认为在此状态下水锤问题得到了满意的解决。 Hammer支持的 可靠、完整的供水解决方案 作为加拿大最大的城市，多伦多正在经历快速的人口增长。这需要快速增加向郊区和西北部人口（西部比尔地区 一百万；北部约柯郡 812,500）供水的能力。 自从比尔地区可以获得安大略湖水源之后，它加入一个长期向北部约柯郡（如图）供水的协。这意味着将升级 4座泵站，建立新的泵站和大约 40公里长直径
18、2100mm的供水管道以连接各个泵站将水从湖区提升至地势较高的约柯郡。 美国水力环境集团（ EHG）运用 Hammer分析此项多级输水管道和一些相连的压力分区（每个区上千条管道）的水力瞬变。 Hammer全面的结果为保护这个水系统提 供了可靠的 水锤 控制方案。 图 6，多伦多地区的 Hammer供水水压分析图 图 7，多伦多地区供水管网系统平面图 降低纽马克特的供水 风险 比尔地区的主要目标是确保整个系统的可靠性。他们需要保护所有的泵站和主要的供水干线以及与压力区相连的成千上万的配水管免受水力瞬变（水锤）的危害。巨大的水力瞬变压力可以从供水干管以 1,000 m/s的速度传到管网。 EHG
19、Hammer管网范围的瞬变驱动和成像技术可以模拟瞬变过程，帮助比尔地区了解到这个主要系统升级带来的潜在影响。 EHG 使用 Hammer的同步地图和管道 剖面图（如图），确定了保护比尔人口最密集区域和多伦多繁华和扩建的国际机场等重要地区 供水 的方式。 参考书目： Allievi, L., “General Theory of Pressure Variation in Pipes”, Ann. D. Ing. Et Archit. Ital. Dec. 1902. English translation by Holmes, E., ASME, 1925 ASCE. (1975). Pres
20、sure Pipeline Design for Water and Wastewater. ASCE, New York, New York. Bergeron, L., “Waterhammer in Hydraulics and Wave Surge in Electricity”, John Wiley & Sons, Inc., N.Y., 1961 Brunone, B., Karney, B.W., Mecarelli, M., and Ferrante, M. “Velocity Profiles and Unsteady Pipe Friction in Transient
21、Flow” Journal of Water Resources Planning and Management, ASCE, 126(4), 236-244, Jul. 2000. Chaudhry, M.H., “Applied Hydraulic Transients”, Van Nostrand Reinhold Co., N.Y., 1979 Chaudhry, M.H. and Yevjevich, V. (1981) “Closed Conduit Flow”, Water Resources Publication, USA Chaudhry, M. H. (1987). Ap
22、plied Hydraulic Transients. Van Nostrand Reinhold, New York. Elansari, A. S., Silva, W., and Chaudhry, M. H. (1994). “Numerical and Experimental Investigation of Transient Pipe Flow.” Journal of Hydraulic Research, 32, 689. Filion, Y., and Karney, B. W. (2002). “A Numerical Exploration of Transient
23、Decay Mechanisms in Water Distribution Systems.”, Proceedings of the ASCE Environmental Water Resources Institute Conference, American Society of Civil Engineers, Roanoke, Virginia Alan Fok, Ph.D. (hydraulic transients), P.Eng.“ Hammer Ensures a Reliable Water Supply Fast Growth in Peel and York Region near Toronto, Canada” Inside Bentley 2006
