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2019-12-26 20:11:41 | 分类:长输管线 | 标签:给水排水

【摘要】本文根据作者近年来的设计实践,提出了一些长距离输水管道设计中常见的问题及解决思路。主要有线路选线、管材确定、设计计算等。由于篇幅较长,采用连载形式,本文是第二部分。

【关键词】长距离  输水  管道  设计

3. 一般设计计算

3.1 管道的摩阻损失

钢管和铸铁管,根据《室外给水设计规范》(GBJ 13-86  /97版)第5.0.8条之规定,旧钢管和铸铁管水力计算公式宜采用:

    i = 0.00107V2/D1.3          (V≥1.2m/s)

该式实际是曼宁公式的变形,经反算可知相当于粗糙度系数 n=0.013。据测试,新的钢管和铸铁管粗糙度系数可以达到n=0.011~0.012,但由于钢铁件表面容易滋生铁细菌和结垢,管道的摩阻损失增长较快,故针对旧管道,规范推荐 n = 0.013。

目前,如长距离输水管道采用钢管或球墨铸铁管,裸管已很少使用,一般均采用水泥内衬。在这种情况下,最好通过试验来测定管材的摩阻损失。对在工厂加工的离心喷涂水泥内衬管道(如球墨铸铁管),作为初步估算,笔者建议可采用n = 0.012。即:

i = 0.0009143 V2/D(4/3)             (n = 0.012)

混凝土及钢筋混凝土管、钢筒混凝土管,规范建议直接采用曼宁公式:

    i = V2/(C2 R) ,  C = (1/n)·R(1/6),  R = D/4

根据2000版《给水排水设计手册》第一册,混凝土及钢筋混凝土雨水管的粗糙度系数推荐采用 n=0.013。随着加工技术的进步,采用良好工艺控制过程制造的新混凝土管道,经国内测试其摩阻系数可达到n=0.01~0.0115。有关厂家提供的摩阻系数测试值为n=0.0107。由于使用过程中可能结垢,并且大口径管道内衬层的龟裂和掉块,在长期使用中几乎是不可避免的,粗糙度系数必定增加,影响过水能力。在工程设计中应从安全的角度考虑一定富裕,笔者建议可采用n=0.012。代入上式,经变换得下式:

    i = 0.0009143 V2/D(4/3)           (n = 0.012)

玻璃钢管(含玻璃钢夹砂管、其他塑料管),摩阻损失的计算,国内没有相应的规范。根据美国塑料工业协会(SPI)下属的玻璃钢管道协会(FPI)1992年版《玻璃钢管道手册》推荐,可采用海森-韦廉姆斯(Hazen-Williams)公式、曼宁(Manning)公式、达西-韦伯(Darcy-Weisbach)公式等。在较大口径的管道中,这些公式的计算结果是基本一致的。为便于与国内规范对照,可采用曼宁公式。根据上述手册(资料)推荐,设计粗糙度系数可采用 n = 0.009。

由中科院对新的玻璃钢管测试,曼宁公式的粗糙度系数可以达到n = 0.008。国内生产厂推荐的粗糙度系数,一般在n = 0.0089~0.0096之间。为安全起见,笔者建议采用n = 0.0095。带入曼宁公式,得:

    i = 0.0005731 V2/D(4/3)          (n = 0.0095)

综上所述,笔者建议各种管材的摩阻(沿程)损失计算公式采用如下(V≥1.2m/s):

 

旧钢管、铸铁管(无内衬): i = 0.00107 V2/D(4/3)         (n=0.013)

钢管、铸铁管(水泥内衬): i = 0.0009143 V2/D(4/3)       (n=0.012)

各种光滑的混凝土管:      i = 0.0009143 V2/D(4/3)       (n=0.012)

玻璃钢夹砂管(塑料管):   i = 0.0005731 V2/D(4/3)      (n=0.0095)

 

管道的局部水头损失,应当逐个管件统计计算,特别当管径较大,流速较高,重力输送时,作为估算,可以采用10%~15%。

3.2 连通管的设置间距

根据《室外给水设计规范》(GBJ 13-86 /97版)第5.0.3条之规定:输水干管和连通管管径及连通管根数,应按输水干管任何一段发生故障时仍能通过事故用水量计算确定。城镇的事故水量为设计水量的70%。应当注意,连通管设置的间距,与阀门组的布置有关。

六阀制的连通管布置。当任一管段损坏,检修时都可以只关闭本管段;当任一阀门损坏,检修时关闭的管段是两段。

五阀制的连通管布置。当任一管段损坏,检修时都可以只关闭本管段;当除连通阀外的任一阀门损坏,检修时关闭的管段是两段;而当连通阀本身损坏,则检修时必须全线关闭。即这种情况下连通管实际是无效的。

确定了阀门系统的接法,就可以根据事故时要关闭的管段数计算确定连通管间距,满足下式:

Ll ≤ [ ( I-i2) / ( i1-i2) ] × L / N

式中:Ll — 控制点之间的连通管间距(km)

L  — 控制点之间的管线长度(km)

I  — 正常输水时单管的水头损失(m/km),计算流量为总流量的1/2

i1 — 损坏段单管的水头损失(m/km),计算流量为总流量的70%

i2 — 未损坏段单管水头损失(m/km),计算流量为总流量的(1/2)×70%

N  — 检修时需关闭的最大管段数(段)

如果输水管线由多种管材组成,应当分别计算,或按水头损失最大的一种管材计算。

如果是五阀制或更简化的连通管阀门布置,应全线按单管通过70%总流量进行设计校核。

为方便检修,主管道上两个连通管的中部或地势最低处,至少设一组检修阀门井,以便检修时放空的管线短一点。

管道通过较大的河流时,穿越段两端应设连通管,管道通过铁路和高等级公路时,穿越段两端应设检修阀门井。

3.3 泄水管的设置间距

在工程实践中,泄水井的设置,主要是根据地形起伏情况确定,但必须考虑检修时间的要求。设计检修时间,单管系统应根据系统中的所有储水设施和备用水源联合可供水时间(70%流量)确定;双管系统可根据实际情况确定,一般不超过48小时。放空时间一般不超过检修时间的1/6,可按变水头放空估算最小的泄水管间距:

由:T = 0.7AH0.5/d2     变换为:T = 0.7AH /(H0.5d2)  

即:T = 0.7V /(H0.5d2)

由:V = Ls×(πD2/4)  

得:Ls≤ 1.819·T ·H0.5·( d / D)2 

式中:T — 最大放空时间(s)

H — 放空管段的高差(m,最大或加权平均)

d — 泄水管管径(m)

D — 主管道管径(m)

Ls— 最小泄水管间距(m)

3.4  管道的埋设深度

根据《室外给水设计规范》(GBJ 13-86/97版)第5.0.17条之规定,管道的埋设深度,应根据冰冻情况、外部荷载、管材强度及与其他管道交叉等因素确定。管道埋设深度是影响工程造价的主要因素之一,特别是长距离输水管道。一般情况下管顶埋深须大于0.7m,北方寒冷地区小口径(DN≤200)的管道应埋在冰冻线以下,大口径的管道可部分埋在冰冻线以上(一般不超过1/3~1/2),长距离大口径的输水管道埋深应通过热力计算确定。

输水管道热力计算的目的,一是在保证管道正常运行的前提下,确定合理的埋深,以节约投资。二是在管道停水不放空的情况下,确定管道内不结冰的最长时间,作为运行和检修的重要控制参数。

一个最基本的概念是,在寒冷的冬天,水库中的水温是随水深增加的,即便是表层的水已经结冰。根据马中汉所译前苏联科学家[安德烈耶雪夫]所著《给水管线和管网的水力计算与热力计算》一书所举例:0.75m厚的冰下0.0m水温是0.25℃,3m是0.85℃,5m是1℃。北方寒冷地区水库取水口水温一般在0.2℃以上。而缓慢流动的活水蓄水库最低水温可降至0.1℃,流动的河流或渠道中,最低水温可降至0.02℃。

输水管道的热力计算,所需原始数据多,公式嵌套层次深,计算十分繁杂。笔者根据《给水排水设计手册》(第三册)和《给水管线和管网的水力计算与热力计算》等资料进行了一些总结,按照计算的步骤程序,列举原始数据和计算公式如下:

计算所需的输入参数:

日平均负气温总数∑(-t)(℃)                 最冷月平均气温t(℃)

平均积雪深度hx(m)                            土壤类别系数K

土壤导热系数λ(kCal/m.h.℃)                  冻结土壤的导热系数λd(kCal/m.h.℃)

管壁导热系数λg(kCal/m.h.℃)                 土壤中水分开始冻结温度t0 (℃)

土壤吸热水分含量n(%)                        原水温度ta (℃)

风寒系数a                                      设计流量Q (m3/s)

计算管长L (km)                                 输水管内径d1 (m)

输水管外径d2 (m)                               输水管轴线埋深hz(m)

设计计算公式(按计算顺序):

土壤零度线深度(m)                 h = 1.2 K [∑(-t)/1000] + 0.7] – 2hx

管轴线土壤温度(℃)                tx = t[1 -(hz/h)]2

管壁热阻(m/h. ℃. KCal)        R1 = (d2 – d1)/(πλg(d2 + d1))

努谢尔特参数                      Nu = a d2/λg

土壤比热阻 (1 / h2 ℃2)                

P = Ln{(2×hz/d2)+(2/Nu)+SQRT[((2×hz/d2)+(2/Nu))2-1]}/(2π)

土壤热阻(m/h ℃ kCal)          R2 = P/λ

总热阻(m/h ℃ kCal)            R = R1  +  R2

温度系数                          φ = 0.00028×L/(R×Q)

单位管长平均散热量(kCal/m h)     qp = (ta + 2tx)/2R

管路末端水温 (℃)                 tk =( ta- tx)e-φ+ tx

融土区断面指数                    M = 2.73×(ta- t0)× λd/qp

融土区断面直径(m)               D = d2×10M

融土区断面面积(m2)               f = π(D2-d22)/4

停水到结冻时间(d)                T = 12.5×f×n/qp

如果需要,计算末端水温时还可以考虑由于摩阻损失和水泵提升所产生的增温。

设管道中水的质量流量Qs(kg / s),热功当量K = 427(kg·m / kCal),水泵的效率η,则:

水泵内摩擦产生的热量(kCal / s)           Qb = [(1-η)/η]Qs·Hp/K

管路末端由摩阻损失转化的热量(kCal / s)   Qm = Qs·∑hf / K

管路末端总热量(kCal / s)                 Qz = Qb + Qm

管路末端水的温升(℃)                     ts = Qz / Qs =(∑hf +((1-η)Hp/η)/ K

考虑温升后管路末端水温 (℃)                tf = tk + ts

 

可根据上述公式编制Excel电子表格进行反复试算,一般是根据经验先假设一个管道埋深,进行热力计算,结果如不满足防冻要求(时间T太短,不满足停水时间要求),加大埋深再次演算,直至满足要求。

 

 


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