管道的连接和支撑.doc

关键词：压力钢管；经济直径；动态经济比较；年费用；水电站
    摘  要：水电站压力钢管直径是一个重要的设计参数。根据我国最新规范“按动态经济比较方法进行方案选择”的准则，推导了水电站压力钢管经济直径通用计算公式。用其简化后的公式对我国已建成的36座水电站的坝内埋管经济直径进行了计算，适用结果良好，得到的规律与结论，可供水电站初设时参考。

1 问题的提出
    水电站压力钢管的直径是一个很重要的设计参数。设计时，一般先选择经济直径，然后再校核水锤压力，经分析论证后决定。规范规定经济直径应通过技术经济比较来选择。估算时，常用水轮机最大过水流量Qmax除以经济流速V经计算钢管经济断面和直径。根据国内经验，经济流速值为：露天式压力钢管V经取4～6 m／s，坝内埋管V经取5～6 m／s，地下埋管V经取3～4.5 m／s。对大型较重要的水电站压力钢管经济直径则需要进行较详细的技术经济比较和论证。应当指出，不同国家在不同时期，随着动能经济比较准则的改变，特别是各种经济指标、材料单价的变动，选择的压力钢管经济直径应当是不同的。50、60年代，我国一直是采用前苏联的“抵偿年限”经济比较准则选择压力钢管经济直径。改革开放后，我国水利水电建设项目一律计入资金的时间价值，采用了动态经济准则进行方案比较。《水力发电工程经济评价暂行规定》(1983)给出的水电站各建设项目方案比较的经济准则之一是：保持各方案的效益（如电力、电量）相等或基本相等的条件下，采用总费用现值或总费用现值折算成经济运行期n年内的等额年费用值NF最小的方案。具体公式是：

式中，Z为施工期（m年）内各年投资原值折算到施工期末的折算投资；r0为电力建设项目额定投资收益率，目前我国规定r0=0.1；Kt为施工期第t年的投资原值，本文初步按总投资原值K在施工期m年内每年均匀投入计算，Kt=K／m；n为电站建筑经济运行期，水电站n=50 a，火电站n=25 a；u为在经济运行期内，电站的年运行费（不包括折旧），火电站还包括煤耗费。
2 经济直径通用计算公式的推导原则
    把各压力钢管直径D作为变量，钢管直径D越大，则用钢量、投资就越多，水电站的年费用NF水就大；但D大则水头损失小，电能损失也少，为保持系统总电量相等，需要的替代火电站的年费用NF火也就小。如果把水电站年费用NF水和替代火电站年费用NF火相加，将其写成直径D的幂函数，再令其一阶导数等于0，求极小值，如式（2）。

3 水电站压力钢管的年费用NF水
    (1)水电站压力钢管的投资原值K水。

式中，b为压力钢管（包括刚性环）所使用的实际重量与计算管壁厚度的重量比，根据已建工程统计，其值大约在1.2～1.3左右；s为每吨钢管总造价（包括材料、制作运输、安装、油漆、进水口闸门启闭机、墩座等费用），初算可按s=s1(1+α) 计， s1为每吨钢板材料价格，α为除材料费以外其他费用与材料费的比值，可根据类似已建工程资料选取；D、L为钢管直径与长度，cm；δ为管壁厚度，cm；［σ］为钢管的允许应力(用工程单位1 kg／cm2)；φ焊缝系数、初算取0.85；H为包括水锤压力在内的钢管末端最大内压值，以水头表示，m；式中7.85为钢管容重（用工程单位t／m3）；式中0.75是由于只考虑内水压力产生的环向应力，因而初估管壁厚度时需降低允许应力的经验系数。
    (2)压力钢管的折算投资Z水。一般大型水电站施工期为8年（包括全部机组安装），即m=8，初步按总投资原值每年均匀投入，即，按式(1)′计算整理后，则可求得施工期末压力钢管的折算投资Z水，Z水=1.43K水
    (3)水电站年运行费按u水=1.75 % K水计算。
    (4)水电压力钢管年费用NF水。将上述Z水、u水、r0=0.1、n=50代入式（1），得

从式（5）可见，NF水是管径D的二次幂函数。
4 替代火电站的年费用NF火
    (1)电能损失ΔE写成D的幂函数。压力钢管的水头损失ΔH可写成

式中，C为谢才系数，其值为，n为糙率，钢板一般取0.012 5；R为水力半径，R=D／4；Q为水电站过水流量，m3／s；∑ξ为压力钢管局部水头损失系数之和；β为局部与沿程水头损失系数之比值。
    压力钢管出力损失

    (2)电能损失电力系统需补充的替代火电站投资原值K火与年运行费u火的计算。首先调查分析近几年来本地区火电站单位电能的投资K火（元／kW·h），则年电能损失的补偿投资原值为

    将式（9）代入，得年运行费u火1=0.02 k火ΔE
    第二项u火2为燃料费，u火2=caΔE
式中，c为火电机组单位电能耗煤量，kg／(kW·h)；a为单位重量的煤价，元／kg。

    再将式(8)ΔE代入，得

5 压力钢管经济直径D的通用计算公式

式(12)即为年费用NF最小的压力钢管经济直径的通用公式。
6 水电站坝内埋管经济直径的简化计算
    将“水电站坝内埋管设计手册”(西北院、北京院1983)中当时我国已建的28座水电站坝内埋管概括的平均统计参数以及我国当前水、火电站的平均经济指标代入式（12），即将η=0.85，［σ］=2σs／3=2×3300／3=2200×10.5 Pa，β=3，b=1.3，s=s1（1+a）=3 000（1+3.5）=13. 500元／t，=（0.8Qmax）3h／8760=0.2046（式中h为水电站装机利用小时数，取平均值按3 500h），H=0.7×1.3×Hp=0.91 Hp（式中，Hp为水电站设计水头，0.3 Hp为水锤压力，0.7为传在坝内埋管上的内水压比例，k火=0.3元／(kW·h)，c=0.334kg／(kW·h)，a=0.150元／kg等代入式（12），则得到坝内埋管经济直径简化公式：

利用式(12)′，对我国目前已建36座水电站坝内埋管的经济直径进行了计算，并与这些水电站的实际采用的钢管直径进行了比较，比较结果列于表1。从表1看出本文简化公式(12)′算得的经济直径比实际电站采用的直径总体上平均略大5.3%，这一宏观规律说明公式(12)′具有稳定性和适用广泛性的特点。
    应当指出，如果按过去静态抵偿年限经济比较方法，也就是说按年计算支出S=pK+u=最小的经济准则优选压力钢管直径（式中p=1／Tok，Tok为额定抵偿年限，当时规定为10年），则可按本文完全一样的推导方法，只是将年费用NF的公式换成年计算支出S的公式，推导结果与本文式（12）形式完全一样，只是根号中的常数174.7变成194.7，1 180变成1 623。同理，坝内埋管经济直径简化公式也与式(12)′形式一样，只是根号中的常数10.69变成13.39。这一结果说明，在完全一样的经济指标和Qmax、Hp的条件下，坝内埋管经济直径静态经济比较值要比动态经济比较值略大3%左右。
7 结语
    本文推导的公式（12），理论严格，方法简便，适用于露天式压力钢管，坝内埋管也基本可用，但采用的参数和经济指标是概括和综合性的，因此只供初步估算时采用。对长度较小的坝内埋管推导的简化公式，经已建36座水电站的坝内埋管直径计算检验结果证明，具有较广泛的适用性，故可供初设时参考。应当指出，各地区各具体水电站深入设计时，还应根据本电站具体参数和实际经济指标，参考本文推导方法，对公式（12）和(12)′进行局部的修正，求得专门适用于本地区本水电站的压力钢管经济直径计算的公式。可修正的具体内容现举例如下：
    (1)根据本水电站的施工计划，可预测出压力钢管资金的各年具体的投入原值Kt，求得本水电站较准确的折算投资Z水(公式(1)′)。
    (2)坝内埋管可根据有无垫层和外围混凝土开裂程度，可估算出本电站钢管的具体承担内压比例范围；地下埋管可按围岩抗力系数和钢管与混凝土垫层间缝隙值大小，近似地估算出钢管所承担的内压比范围；根据初步调保计算，亦可进一步算出水锤压力比值范围等。
    (3)可根据本地区电力系统情况，选择最优的替代火电站的各项经济指标和较准确的火电站折算投资Z火。
    (4)推导式(12)′时，可根据钢管长度与闸门槽、渐变段和弯段等初步布置，算出准确的局部与沿程损失系数比值β。

第三章 水电站压力管道
要求：掌握压力管道的工作特点、类型及总体布置，压力管道的尺寸拟定，设计方法和步骤。
第一节 压力管道的功用和类型
一、功用及特点
(一) 功用
压力管道是从水库、压力前池或调压室向水轮机输送水量的水管。
(二)特点
(1) 坡度陡
(2) 内水压力大，且承受动水压力的冲击(水击压力)
(3) 靠近厂房。严重威胁厂房的安全。
压力管道的主要荷载为内水压力，HD值是标志压力管道规模及技术难度的重要参数值。
当V=5~7m/s时，HD≈(0.15～0.18) NgH
当Ng相同时，H愈大，HD愈大。目前最大达5000m2。
目前最大直径的钢管是巴基斯坦的塔贝拉水电站第三期扩建工程的隧洞内明钢管，直径为13.26m。
二、分类
按布置方式分
按材料分
明管：暴露在空气中(无压引水式电站)
钢管(大中型水电站)
钢筋混凝土管(小型电站)
地下埋管（隧洞埋管)：埋入岩体。(有压引水电站)
不衬砌、锚喷或混凝土衬砌、钢衬混凝土衬砌，聚酯材料管
混凝土坝身埋管：依附于坝身(混凝土重力坝及重力拱坝)，包括：坝内管道、 坝上游面管、坝下游面管
钢筋混凝土结构、钢衬钢筋混凝土结构

第二节 压力管道的线路选择及尺寸拟定
一、供水方式
1．单元供水：一管一机。不设下阀门。
优点：结构简单(无岔管)、工作可靠、灵活性好，易于制作，无岔管
缺点：造价高
适用：(1) 单机流量大、长度短的地下埋管或明管； (2) 混凝土坝内
管道和明管道
2．联合供水：一根主管，向多台机组供水。设下阀门。
优点：造价低
缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差
适用：、(1) 机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管和明管
3． 3．  分组供水：设多根主管，每根主管向数台机组供水。设下阀门。
适用：压力水管较长，机组台数多，单机流量较小的情况。地下

单元供水 联合供水 分组供水
埋管和明管
二、明管布置
管道与主厂房的关系：
1．正向引近：低水头电站。水流平顺、水头损失小，开挖量小、交通方便。钢管发生事故时直接危机厂房安全。
2．纵向引近：高、中水头电站。避免水流直冲厂房。
3．斜向引近：分组供水和联合供水。

(a)、(b) 正向引进 (c)、(d) 纵向引进 (e) 斜向引进

压力水管引进厂房的方式
三、线路选择
压力管道的线路选择应结合引水系统中的其它建筑物(前池、调压室)和水电站厂房布置统一考虑。
1．路线尽可能短、直。（经济、水头损失小、水击压力小）一般设在陡峻的山脊上。
2．地质条件好。山体稳定、地下水位低、避开山崩、雪崩地区。
3．尽量减小上下起伏，避免出现负压；转弯半径R≯3D。
四、压力管道直径的选择
压力管道经济直径确定是压力管道的主要设计内容之一。
1．动能经济比较法：基本原理与渠道相同（压力管道要考虑流速、水击压力的影响），拟定几个直径，进行动能经济计算，比较确定最优经济直径。
2．经验公式法：简化条件推导公式。精度较低，初步设计时采用

Qmax——压力管道设计流量，H—设计水头
3．经济流速法：压力管道的经济流速一般为4~6m/s，最大不超过7m/s，De= Qmax/Ve
注：确定压力钢管直径的公式有很多。经验公式法或经济流速方法的设计结果可作为参考。
第三节 明钢管的敷设方式及附件
一、明钢管的敷设方式和支承方式

明钢管的敷设
明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于60cm（便于维护和检修）。水管受力明确，在自重和水重作用下，水管在支墩上相当于一个多跨连续梁；每隔120~150m或在钢管轴线转弯处(包括平面转弯和立面转弯)设置镇墩，将水管完全固定，相当于梁的固定端。
连续式布置：管身在两镇墩间连续，不设伸缩节。温度应力大，一般较少采用。
分段式：两镇墩间设伸缩节（上镇墩的下游侧）。温度应力小。

(一) 镇墩
1．功用：固定钢管，承受因水管改变方向而产生的轴向不平衡力。水管在此处不产生任何方向的位移。
2．布置：水管转弯处，直线段不超过150m。
3．类型：一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。
(1) 封闭式：应用广泛。结构简单，节约钢村，固定效果好。
(2) 开敞式：采用较少。易于检修，但受力不均匀。
开敞式镇墩

封闭式镇墩
开敞式镇墩

（二) 支墩
1．功用：承受水重和管重的法向分力。相当于连续梁的滚动支承，允许水管在轴向自由移动（温度变化时）。
2．布置：间距6~12m，D特别大时，L取3m。支墩间距小→M、Q(弯矩和剪力)小→支墩造价高。
3．类型：
(1) 滑动式：支承环式、鞍式
鞍式：包角：90～120，结构简单，造价低，摩擦力大，支承部位受力不均匀，D<1m。
支承环式：在支墩处管身四周加刚性支承环。摩擦力小，支承部位受力较均匀，D<2m
(2) 滚动式：在支承环与墩座之间加圆柱形辊轴，f小，D>2m。
(3) 摆动式：在支承环与墩座之间设一摆动短柱。f很小，D>2m

滑动支墩

滚动支墩 摆动支墩
二、阀门及附件
(一) 闸门及阀门
1．快速平板闸门（事故门）——压力管道进口（前池、调压室、水库)。
作用：在压力管道发生事故或检修时用以切断水流。
2．快速阀门（事故阀或下阀门）——水轮机进口前(联合供水或分组供水)，
作用：为避免一台机组检修影响其他机组的正常运行，或在调速器、导水叶发生故障时，为紧急切断水流，防止机组产生飞逸。
类型：平板阀、蝴蝶阀、球阀
(1) 平板阀：框架+板面构成。阀体在门槽中的滑动方式与一般的平板闸门相似。平板阀一般用电动或液压操作。这种阀门止水严密，运行可靠，但需要很大的启闭力，动作缓慢，易产生汽蚀，常用于直径较小的水管。
(2) 蝶阀：由阀壳+阀体组成。阀壳为一短圆筒，阀体形似圆盘，在阀壳内绕水平或垂直轴旋转。阀门关闭时，阀体平面与水流方向垂直；开启时，阀体平面与水流方向一致。

蝶阀关 蝶阀开
优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小，重量轻，造价较低；
缺点：在开启状态时由于阀门板对水流的扰动，造成附加水头损失和阀门内汽蚀现象；在关闭状态时，止水不严密，不能部分开启。
适用：大直径、水头不很高的情况。
目前蝴蝶阀应用最广，最大直径可达8m以上，最大水头达200m。蝴蝶阀要求在动水中关闭，静水中开启。
(3) 球阀：球形外壳+可旋转的圆筒形阀体+附件。
阀体圆筒的轴线与水管轴线一致时，阀门处于开启状态，若将阀体旋转90o，使圆筒一侧的球面封板挡住水流通路，则阀门处于关闭状态。
优点：在开启状态时实际上没有水头损失，止水严密，结构上能承受高压；
缺点：是尺寸和重量大，造价高。
适用：高水头电站的水轮机前阀门。
球阀是在动水中关闭，在静水中开启。

球阀关 球阀开
(二) 附件
(1) 伸缩节
作用：消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷
位置：常在上镇墩的下游侧

(2) 通气阀
作用：当阀门紧急关闭时，向管内充气，以消除管中负压；水管充水时，排出管中空气
位置：阀门之后
(3) 进人孔
作用：检修钢管；位置：钢管上方；直径：50cm左右。
(4) 旁通阀及排水设备
旁通阀：设在水轮机进水阀门处；作用：阀门前后平压后开启，以减小启闭力。
排水管：水管的最低点应设置；作用：在检修水管时用于排出管中的积水和渗漏水。