長距離輸水管道的水力計(jì)算一直是困擾水利和市政設(shè)計(jì)院的問題。通常在長距離輸水過程中,由于水泵和閥門的操作會(huì)引發(fā)壓力波動(dòng)從而產(chǎn)生水錘。水錘現(xiàn)象的發(fā)生對(duì)管道會(huì)產(chǎn)生直接和潛在的破壞,研究水錘的發(fā)生過程和設(shè)置防護(hù)設(shè)備是輸水管道設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的重要工作。對(duì)于水錘計(jì)算過程中的一些特性分析和現(xiàn)象觀察,Hammer是一個(gè)理想的易用工具。

關(guān)鍵詞　水錘分析 長距離輸水 水錘防護(hù) 壓力包絡(luò)線 尖刺數(shù)據(jù) 壓力波動(dòng) 特征線法 水力瞬變ATER & WASTEWATER INFORMATION

在長距離輸水工程中經(jīng)常會(huì)遇到水力和水錘計(jì)算的問題,通常情況是采用水力模擬或水力計(jì)算軟件來計(jì)算水錘發(fā)生的過程的壓力變化,并通過設(shè)置水錘防護(hù)設(shè)備進(jìn)行防護(hù)和運(yùn)行狀態(tài)模擬。目前國內(nèi)常見的水力計(jì)算軟件包括自行開發(fā)的計(jì)算程序和商業(yè)計(jì)算軟件。水錘計(jì)算主要是從水力包絡(luò)線計(jì)算入手,進(jìn)行壓力最高數(shù)據(jù)和最低數(shù)據(jù)計(jì)算,在國際商業(yè)軟件中,都可以提供不同時(shí)間頻率的計(jì)算結(jié)果。即節(jié)點(diǎn)壓力、流量、流速變化過程。

Bentley Hammer

正因?yàn)閲H商業(yè)軟件計(jì)算的時(shí)間精度目前已經(jīng)達(dá)到毫秒(ms)級(jí),在理論上可以捕捉到細(xì)微的壓力變化。由此到,水力模型軟件計(jì)算結(jié)果的壓力包絡(luò)線的范圍明顯高于一些方法計(jì)算的壓力包絡(luò)線。主要原因是一些計(jì)算程序無法計(jì)算毫秒級(jí)壓力變化,也不具備提供此類數(shù)據(jù)的能力和數(shù)據(jù)分析處理和展示的功能。

在壓力波動(dòng)過程中經(jīng)常會(huì)觀察到壓力的瞬間升高隨即降低的‘尖刺’數(shù)據(jù),見圖1。此類數(shù)據(jù)在理論上是由壓力在管道中以波的方式傳遞進(jìn)而疊加產(chǎn)生的結(jié)果。在“粗略”計(jì)算中,由于不能計(jì)算此類數(shù)據(jù),造成最高壓力計(jì)算誤差,導(dǎo)致由此產(chǎn)生的最高壓力包絡(luò)線區(qū)域認(rèn)為縮小。此類計(jì)算容易導(dǎo)致對(duì)壓力破壞估計(jì)不足。

值得注意的是,過程中持續(xù)的時(shí)間長短對(duì)與管道運(yùn)行影響存在較大差異,對(duì)設(shè)備防護(hù)是一個(gè)重要考核指標(biāo),在負(fù)壓瞬間變化過程中,管道和設(shè)備都可以承受幾秒鐘的短暫負(fù)壓,當(dāng)負(fù)壓產(chǎn)生時(shí)間持續(xù)時(shí),會(huì)造成對(duì)管道和設(shè)備的負(fù)壓破壞。同時(shí)我們也要注意正負(fù)壓力的‘尖刺’波動(dòng)都會(huì)造成管道和基礎(chǔ)的震動(dòng),所以此類波動(dòng)造成的潛在破壞也是水錘計(jì)算過程中重要考察的內(nèi)容。

Bentley Hammer是Bentley同美國EHG聯(lián)合開發(fā),經(jīng)過在大型項(xiàng)目上15年的成功應(yīng)用,提供有多項(xiàng)國際案例和計(jì)算結(jié)果比對(duì)報(bào)告。行之有效的瞬變分析算法—Hammer使用的是特征線法(MOC),它是水力瞬變分析的基本標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)也是最嚴(yán)格和有效的算法。相對(duì)與波特征法,Hammer所采用的MOC還計(jì)算管道中間點(diǎn)的結(jié)果,從而可準(zhǔn)確捕捉可能被其利用Hammer 分析水錘計(jì)算過程中的數(shù)據(jù)。

H a m m e r提供動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)查看,即在毫秒級(jí)的時(shí)間序列連續(xù)變化過程中,觀察整段管線中壓力的變化過程,以此觀察壓力波動(dòng)的產(chǎn)生,發(fā)展和延續(xù)的過程,對(duì)于壓力變化和如何設(shè)置保護(hù)提供了全過程數(shù)據(jù)分析支持。

水錘是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程,其特點(diǎn)是產(chǎn)生快,消除緩慢,過程中對(duì)于具有時(shí)間延續(xù)操作的設(shè)備運(yùn)行過程需要進(jìn)行特殊的過程分析。比如緩閉止回閥和分階段關(guān)斷閥門的操作需要特別的過程分析。

Bentely Hammer提供壓力變化過程的動(dòng)態(tài)查看,并且在每一個(gè)步長、管段每一個(gè)位置精確計(jì)算壓力變化的模擬數(shù)據(jù),提供過程分析的數(shù)據(jù)支持。此類數(shù)據(jù)可以作為計(jì)算報(bào)告提供給項(xiàng)目建設(shè)方。

Hammer具有良好人機(jī)交互界面,提供過程錯(cuò)誤檢查和設(shè)置錯(cuò)誤提示。Hammer是目前商業(yè)計(jì)算軟件中市場占有率最高的軟件之一,在北美市場占有率超過經(jīng)超過40家設(shè)計(jì)院和工程公司采用。綜合水錘計(jì)算軟件在使用和分析過程中的特點(diǎn),Hammer特點(diǎn)如下:

計(jì)算方法特征線法(MOC)

計(jì)算精度計(jì)算管道全程壓力,包括節(jié)點(diǎn)間壓力，計(jì)算平臺(tái)包括獨(dú)立版本界面,AutoCAD、ArcGIS和MicroStation平臺(tái)集成界面結(jié)果展示和表達(dá)包絡(luò)線、節(jié)點(diǎn)過程圖、數(shù)據(jù)表輸出、動(dòng)態(tài)過程動(dòng)態(tài)查看。錯(cuò)誤檢查提供過程檢查,提示屬性設(shè)置錯(cuò)誤和具體元素屬性錯(cuò)誤設(shè)置提示,提供計(jì)算錯(cuò)誤提示和原因。提供錯(cuò)誤消除建議。軟件易用性適合所有具有專業(yè)知識(shí)的人員進(jìn)行各種工況及多參數(shù)比對(duì)操作。

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