新疆SYDZ 壓力管道設計分析

陳海濤

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆 石河子 832000）

壓力管道是指沖水庫、壓力前池或調壓室向水輪機輸送水量的管道。管道路線選擇應復核水電站樞紐總體布置要求，并考慮地形、地質、水力學、施工及運行等條件，經技術經濟比較之后確定。

1 工程概況

新疆SYDZ 位于新疆維吾爾自治區巴音郭楞蒙古自治州所轄的且末縣境內，灌區位于莫勒切河和喀拉米蘭河兩河流域下游平原區，電站位于莫勒切河出山口。該電站發電廠房為引水式地面廠房，根據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，機組進水壓力管道采用單管三機。平面上供水叉管采用掃帚形布置形式，叉管采用非對稱“Y”形內加強月牙肋叉管，分叉角為60°。主管內徑2.0 m～2.8 m，采用Q235C 鋼；支管內徑同水輪機組進水管直徑為1.2 m～1.6 m，采用Q235C 鋼。

2 壓力管道設計

2.1 水頭損失計算

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

水頭損失計算參照SL285-2003《進水口設計規范》[1]附錄B.1 計算：

式中：Δh1為攔污柵水頭損失（m）；V12/2g 為過柵平均流速水頭（m）；g 為重力加速度（取9.81 m/s2）；ζ1為攔污柵水頭損失系數；β1、β2為分別為攔污柵柵片形狀系數和攔污柵支墩形狀系數；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）有壓進水口喇叭段水頭損失同上式計算：

式中：Δh2為有壓進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為進口水頭損失系數，矩形斷面平順收縮時為0.05～0.1，平順擴大時為0.1～0.15。

（3）閘門槽水頭損失同上式計算：

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

（4）方變圓漸變段水頭損失同上式計算：

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，由方變圓或收縮時為0.05，由圓變方或擴大時為0.1，擴散角不宜大于10°。

（5）隧洞段沿程損失按下式計算：

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 為輸水道計算長度（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，按內壁光滑的焊結管取；m=1.1，考慮鋼管使用年限系數，十年后的取值；D 為壓力鋼管直徑，m；L 為壓力鋼管長度，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；各段水頭損失計算參數及結果見表1。

表1 灌溉引水發電洞水頭損失匯總

2.2 壓力管道直徑和壁厚計算

（1）壓力鋼管的經濟直徑：

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

（2）明管壁厚根據鍋爐公式計算：

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

表2 壓力管直徑壁厚

2.3 水錘壓力計算

(1)水錘的壓力的判斷：

本計算以2#機組為例，進行分析計算：閥門關閉時間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 為鋼管內徑，主管D1=1.6m；δ 為鋼管壁厚；a 為水錘波的傳速速度：關閉時間為T=5s，有效關閉時間為Ts=0.78T=3.9s；水錘壓力形式判斷：Tr=2L/a=1.00＜Ts=3.9s；根據水錘形式判別公式：Ts≥2L/a，所以發生間接水錘。

（2）水錘最大值：

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

閥門關閉 (τ0由1 →0)；τ0為起始開度；分別 代入：ζ1=2σ/(1+ρτ0-σ)；ζm=2σ/(2-σ)(即極限水錘值)，計算取最大值。

閥門開啟（τ 由0→1）：η1=2σ/(1+ρτ0+σ)，ηm=2σ/(2+σ)；計算后取大者，導葉開啟：△H=-56.48 m，導葉關閉：△H=63.78 m。

表3 水錘壓力計算值

根據以上水錘計算結果，2# 鋼管承受的最大水頭為139.80 m，最小水頭為19.54 m。

2.4 鋼管抗外壓計算

對于沿軸向可自由伸縮的無加勁環的明鋼管，管壁的臨界外壓為：Pcr=2E（δ/D）3，規范壓力鋼管抗外壓安全系數應大于2；E為鋼的彈性模量，2.1×105N/mm2；設加勁環以后的臨界外壓值為：

式中：n 為屈曲波數；Rk為加勁環斷面形心的曲率半徑；l'為加勁環對管壁的影響范圍；L 為加勁環的間距，200 cm；Fk為加勁環的有效面積；Jk為加勁環斷面的慣性矩；r 為鋼管內徑。

表4 壓力鋼管抗外壓計算

取以上兩式的最小值作為自身的臨界外壓。

加勁環斷面為扁鋼，高度12 cm，厚度為0.8 cm，其截面特性計算如表5：

表5 加勁環斷面特性計算表

3 根據計算結果簡要給出設計方案

根據以上壓力管道經濟管徑、頭損失和水錘壓力計算，SYDZ 壓力管道主管內徑為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。壓力管道結構滿足相關要求，設計方案安全可行。

4 結語

根據已建工程回訪可知，經以上相關計算成果施工的壓力管道，其運行工況良好，滿足電站發電設計指標，該計算選取的計算公式及相關參數是合理的。