新疆SYDZ 压力管道设计分析

陈海涛

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆 石河子 832000）

压力管道是指冲水库、压力前池或调压室向水轮机输送水量的管道。管道路线选择应复核水电站枢纽总体布置要求，并考虑地形、地质、水力学、施工及运行等条件，经技术经济比较之后确定。

1 工程概况

新疆SYDZ 位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州所辖的且末县境内，灌区位于莫勒切河和喀拉米兰河两河流域下游平原区，电站位于莫勒切河出山口。该电站发电厂房为引水式地面厂房，根据水电站总体布置要求，电站压力管道垂直于厂房布置，电站引水流量21.6 m3/s，机组进水压力管道采用单管三机。平面上供水叉管采用扫帚形布置形式，叉管采用非对称“Y”形内加强月牙肋叉管，分叉角为60°。主管内径2.0 m～2.8 m，采用Q235C 钢；支管内径同水轮机组进水管直径为1.2 m～1.6 m，采用Q235C 钢。

2 压力管道设计

2.1 水头损失计算

电站由灌溉引水发电隧洞引水至水轮发电机，发电系统的损失主要包括进水口、渐变段、弯管段和叉管分叉等处的局部水头损失。

水头损失计算参照SL285-2003《进水口设计规范》[1]附录B.1 计算：

式中：Δh1为拦污栅水头损失（m）；V12/2g 为过栅平均流速水头（m）；g 为重力加速度（取9.81 m/s2）；ζ1为拦污栅水头损失系数；β1、β2为分别为拦污栅栅片形状系数和拦污栅支墩形状系数；S1、b1为分别为拦污栅片厚度及栅片间净距（cm）；α 为拦污栅栅面的倾角。

（2）有压进水口喇叭段水头损失同上式计算：

式中：Δh2为有压进水口喇叭段水头损失（m）；V2/2g 为喇叭段最小断面平均流速水头（m）；ζ2为进口水头损失系数，矩形断面平顺收缩时为0.05～0.1，平顺扩大时为0.1～0.15。

（3）闸门槽水头损失同上式计算：

式中：Δh3为闸门槽水头损失（m）；V2/2g 为闸门槽断面平均流速水头（m）；ζ3为闸门槽水头损失系数，为0.05～0.15。

（4）方变圆渐变段水头损失同上式计算：

式中：Δh4为方变圆渐变段水头损失（m）；V2/2g 为渐变段最小断面平均流速水头（m）；ζ4为渐变段水头损失系数，由方变圆或收缩时为0.05，由圆变方或扩大时为0.1，扩散角不宜大于10°。

（5）隧洞段沿程损失按下式计算：

式中：Δh5为输水道沿程水头损失(m)；V5为输水道平均流速（m/s）；R 为输水道水力半径（m）；L 为输水道计算长度（m）；n

为输水道表面糙率。

（6）压力管道段沿程损失:

式中：α=0.000826，沿程损失系数，按内壁光滑的焊结管取；m=1.1，考虑钢管使用年限系数，十年后的取值；D 为压力钢管直径，m；L 为压力钢管长度，m；V 为压力钢管中水的流速，m/s；Q 为压力管流量，m3/s[2]。

（7）压力管道段局部损失：

式中：ξ 为局部损失系数；各段水头损失计算参数及结果见表1。

表1 灌溉引水发电洞水头损失汇总

2.2 压力管道直径和壁厚计算

（1）压力钢管的经济直径：

式中：K 为在5～15 之间，我国钢管常取5.2；Qmax为压力钢管最大引用流量，主管流量Q1=21.6 m3/s，大机组流量Q2=8.55 m3/s，小机组流量Q3=4.5 m3/s，灌溉流量Q4=12.6 m3/s；H 为设计水头，包括动水压力共计：H=125.97 m；根据压力钢管的经济流速为3 m/s～5 m/s，v=Q/（πD2/4)，最终确定主管D1=2.6 m，大机管径为D2=1.6 m，小机管径为D3=1.2 m，灌溉管径为D4=2.0 m；

（2）明管壁厚根据锅炉公式计算：

式中：Φ 为焊缝系数，取0.9；[σ]为钢材的允许应力，钢材采用Q235C，为129.25 N/mm2。

表2 压力管直径壁厚

2.3 水锤压力计算

(1)水锤的压力的判断：

本计算以2#机组为例，进行分析计算：阀门关闭时间T=5s，水锤波传播速度：

式中：Ew 为水的弹模，约2.1×109Pa；E 为钢的弹模，约2.1×1011Pa；D 为钢管内径，主管D1=1.6m；δ 为钢管壁厚；a 为水锤波的传速速度：关闭时间为T=5s，有效关闭时间为Ts=0.78T=3.9s；水锤压力形式判断：Tr=2L/a=1.00＜Ts=3.9s；根据水锤形式判别公式：Ts≥2L/a，所以发生间接水锤。

（2）水锤最大值：

ρ 为水锤常数；最大水锤发生在第一相末称为第一相水锤，发生在第一相后的某一相称为极限水锤。根据系数查图(《小型水电站》上册P553，分别计算可能发生第一相水锤和极限水锤，取最不利即最大水锤作为计算水锤。

阀门关闭 (τ0由1 →0)；τ0为起始开度；分别 代入：ζ1=2σ/(1+ρτ0-σ)；ζm=2σ/(2-σ)(即极限水锤值)，计算取最大值。

阀门开启（τ 由0→1）：η1=2σ/(1+ρτ0+σ)，ηm=2σ/(2+σ)；计算后取大者，导叶开启：△H=-56.48 m，导叶关闭：△H=63.78 m。

表3 水锤压力计算值

根据以上水锤计算结果，2# 钢管承受的最大水头为139.80 m，最小水头为19.54 m。

2.4 钢管抗外压计算

对于沿轴向可自由伸缩的无加劲环的明钢管，管壁的临界外压为：Pcr=2E（δ/D）3，规范压力钢管抗外压安全系数应大于2；E为钢的弹性模量，2.1×105N/mm2；设加劲环以后的临界外压值为：

式中：n 为屈曲波数；Rk为加劲环断面形心的曲率半径；l'为加劲环对管壁的影响范围；L 为加劲环的间距，200 cm；Fk为加劲环的有效面积；Jk为加劲环断面的惯性矩；r 为钢管内径。

表4 压力钢管抗外压计算

取以上两式的最小值作为自身的临界外压。

加劲环断面为扁钢，高度12 cm，厚度为0.8 cm，其截面特性计算如表5：

表5 加劲环断面特性计算表

3 根据计算结果简要给出设计方案

根据以上压力管道经济管径、头损失和水锤压力计算，SYDZ 压力管道主管内径为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；支管内径为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 钢筋混凝土。压力管道结构满足相关要求，设计方案安全可行。

4 结语

根据已建工程回访可知，经以上相关计算成果施工的压力管道，其运行工况良好，满足电站发电设计指标，该计算选取的计算公式及相关参数是合理的。