新疆SYDZ 壓力管道設(shè)計(jì)分析

陳海濤

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 石河子 832000）

壓力管道是指沖水庫(kù)、壓力前池或調(diào)壓室向水輪機(jī)輸送水量的管道。管道路線選擇應(yīng)復(fù)核水電站樞紐總體布置要求，并考慮地形、地質(zhì)、水力學(xué)、施工及運(yùn)行等條件，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較之后確定。

1 工程概況

新疆SYDZ 位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州所轄的且末縣境內(nèi)，灌區(qū)位于莫勒切河和喀拉米蘭河兩河流域下游平原區(qū)，電站位于莫勒切河出山口。該電站發(fā)電廠房為引水式地面廠房，根據(jù)水電站總體布置要求，電站壓力管道垂直于廠房布置，電站引水流量21.6 m3/s，機(jī)組進(jìn)水壓力管道采用單管三機(jī)。平面上供水叉管采用掃帚形布置形式，叉管采用非對(duì)稱“Y”形內(nèi)加強(qiáng)月牙肋叉管，分叉角為60°。主管內(nèi)徑2.0 m～2.8 m，采用Q235C 鋼；支管內(nèi)徑同水輪機(jī)組進(jìn)水管直徑為1.2 m～1.6 m，采用Q235C 鋼。

2 壓力管道設(shè)計(jì)

2.1 水頭損失計(jì)算

電站由灌溉引水發(fā)電隧洞引水至水輪發(fā)電機(jī)，發(fā)電系統(tǒng)的損失主要包括進(jìn)水口、漸變段、彎管段和叉管分叉等處的局部水頭損失。

水頭損失計(jì)算參照SL285-2003《進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]附錄B.1 計(jì)算：

式中：Δh1為攔污柵水頭損失（m）；V12/2g 為過(guò)柵平均流速水頭（m）；g 為重力加速度（取9.81 m/s2）；ζ1為攔污柵水頭損失系數(shù)；β1、β2為分別為攔污柵柵片形狀系數(shù)和攔污柵支墩形狀系數(shù)；S1、b1為分別為攔污柵片厚度及柵片間凈距（cm）；α 為攔污柵柵面的傾角。

（2）有壓進(jìn)水口喇叭段水頭損失同上式計(jì)算：

式中：Δh2為有壓進(jìn)水口喇叭段水頭損失（m）；V2/2g 為喇叭段最小斷面平均流速水頭（m）；ζ2為進(jìn)口水頭損失系數(shù)，矩形斷面平順收縮時(shí)為0.05～0.1，平順擴(kuò)大時(shí)為0.1～0.15。

（3）閘門(mén)槽水頭損失同上式計(jì)算：

式中：Δh3為閘門(mén)槽水頭損失（m）；V2/2g 為閘門(mén)槽斷面平均流速水頭（m）；ζ3為閘門(mén)槽水頭損失系數(shù)，為0.05～0.15。

（4）方變圓漸變段水頭損失同上式計(jì)算：

式中：Δh4為方變圓漸變段水頭損失（m）；V2/2g 為漸變段最小斷面平均流速水頭（m）；ζ4為漸變段水頭損失系數(shù)，由方變圓或收縮時(shí)為0.05，由圓變方或擴(kuò)大時(shí)為0.1，擴(kuò)散角不宜大于10°。

（5）隧洞段沿程損失按下式計(jì)算：

式中：Δh5為輸水道沿程水頭損失(m)；V5為輸水道平均流速（m/s）；R 為輸水道水力半徑（m）；L 為輸水道計(jì)算長(zhǎng)度（m）；n

為輸水道表面糙率。

（6）壓力管道段沿程損失:

式中：α=0.000826，沿程損失系數(shù)，按內(nèi)壁光滑的焊結(jié)管??；m=1.1，考慮鋼管使用年限系數(shù)，十年后的取值；D 為壓力鋼管直徑，m；L 為壓力鋼管長(zhǎng)度，m；V 為壓力鋼管中水的流速，m/s；Q 為壓力管流量，m3/s[2]。

（7）壓力管道段局部損失：

式中：ξ 為局部損失系數(shù)；各段水頭損失計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 灌溉引水發(fā)電洞水頭損失匯總

2.2 壓力管道直徑和壁厚計(jì)算

（1）壓力鋼管的經(jīng)濟(jì)直徑：

式中：K 為在5～15 之間，我國(guó)鋼管常取5.2；Qmax為壓力鋼管最大引用流量，主管流量Q1=21.6 m3/s，大機(jī)組流量Q2=8.55 m3/s，小機(jī)組流量Q3=4.5 m3/s，灌溉流量Q4=12.6 m3/s；H 為設(shè)計(jì)水頭，包括動(dòng)水壓力共計(jì)：H=125.97 m；根據(jù)壓力鋼管的經(jīng)濟(jì)流速為3 m/s～5 m/s，v=Q/（πD2/4)，最終確定主管D1=2.6 m，大機(jī)管徑為D2=1.6 m，小機(jī)管徑為D3=1.2 m，灌溉管徑為D4=2.0 m；

（2）明管壁厚根據(jù)鍋爐公式計(jì)算：

式中：Φ 為焊縫系數(shù)，取0.9；[σ]為鋼材的允許應(yīng)力，鋼材采用Q235C，為129.25 N/mm2。

表2 壓力管直徑壁厚

2.3 水錘壓力計(jì)算

(1)水錘的壓力的判斷：

本計(jì)算以2#機(jī)組為例，進(jìn)行分析計(jì)算：閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間T=5s，水錘波傳播速度：

式中：Ew 為水的彈模，約2.1×109Pa；E 為鋼的彈模，約2.1×1011Pa；D 為鋼管內(nèi)徑，主管D1=1.6m；δ 為鋼管壁厚；a 為水錘波的傳速速度：關(guān)閉時(shí)間為T(mén)=5s，有效關(guān)閉時(shí)間為T(mén)s=0.78T=3.9s；水錘壓力形式判斷：Tr=2L/a=1.00＜Ts=3.9s；根據(jù)水錘形式判別公式：Ts≥2L/a，所以發(fā)生間接水錘。

（2）水錘最大值：

ρ 為水錘常數(shù)；最大水錘發(fā)生在第一相末稱為第一相水錘，發(fā)生在第一相后的某一相稱為極限水錘。根據(jù)系數(shù)查圖(《小型水電站》上冊(cè)P553，分別計(jì)算可能發(fā)生第一相水錘和極限水錘，取最不利即最大水錘作為計(jì)算水錘。

閥門(mén)關(guān)閉 (τ0由1 →0)；τ0為起始開(kāi)度；分別 代入：ζ1=2σ/(1+ρτ0-σ)；ζm=2σ/(2-σ)(即極限水錘值)，計(jì)算取最大值。

閥門(mén)開(kāi)啟（τ 由0→1）：η1=2σ/(1+ρτ0+σ)，ηm=2σ/(2+σ)；計(jì)算后取大者，導(dǎo)葉開(kāi)啟：△H=-56.48 m，導(dǎo)葉關(guān)閉：△H=63.78 m。

表3 水錘壓力計(jì)算值

根據(jù)以上水錘計(jì)算結(jié)果，2# 鋼管承受的最大水頭為139.80 m，最小水頭為19.54 m。

2.4 鋼管抗外壓計(jì)算

對(duì)于沿軸向可自由伸縮的無(wú)加勁環(huán)的明鋼管，管壁的臨界外壓為：Pcr=2E（δ/D）3，規(guī)范壓力鋼管抗外壓安全系數(shù)應(yīng)大于2；E為鋼的彈性模量，2.1×105N/mm2；設(shè)加勁環(huán)以后的臨界外壓值為：

式中：n 為屈曲波數(shù)；Rk為加勁環(huán)斷面形心的曲率半徑；l'為加勁環(huán)對(duì)管壁的影響范圍；L 為加勁環(huán)的間距，200 cm；Fk為加勁環(huán)的有效面積；Jk為加勁環(huán)斷面的慣性矩；r 為鋼管內(nèi)徑。

表4 壓力鋼管抗外壓計(jì)算

取以上兩式的最小值作為自身的臨界外壓。

加勁環(huán)斷面為扁鋼，高度12 cm，厚度為0.8 cm，其截面特性計(jì)算如表5：

表5 加勁環(huán)斷面特性計(jì)算表

3 根據(jù)計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)要給出設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以上壓力管道經(jīng)濟(jì)管徑、頭損失和水錘壓力計(jì)算，SYDZ 壓力管道主管內(nèi)徑為2.0 m～2.8 m，其中DN2800 mm和DN2600 mm 管道壁厚取18 mm，DN2000 mm 管道壁厚取16 mm；支管內(nèi)徑為1.2 m～1.6 m，其中DN1600 mm 管道壁厚取16 mm，DN1200 mm 管道壁厚取12 mm；主管、支管均外包C25 鋼筋混凝土。壓力管道結(jié)構(gòu)滿足相關(guān)要求，設(shè)計(jì)方案安全可行。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)已建工程回訪可知，經(jīng)以上相關(guān)計(jì)算成果施工的壓力管道，其運(yùn)行工況良好，滿足電站發(fā)電設(shè)計(jì)指標(biāo)，該計(jì)算選取的計(jì)算公式及相關(guān)參數(shù)是合理的。