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利用水壓圖降低工程造價實例分析

唐山市熱力工程設(shè)計院 楊海礁

【摘 要】利用水壓圖，精確計算管網(wǎng)中補償器的推力，較傳統(tǒng)算法可降低推力30%左右；利用水壓圖，還可以實現(xiàn)供回水管道壁厚分開計算以及供回水補償器選擇不同壓力等級。
【關(guān)鍵詞】水壓圖 工作壓力 補償器 推力 固定支架

在大型集中供熱管網(wǎng)中，系統(tǒng)工作壓力較大，一般可達到1.6MPa。我們在管網(wǎng)中使用的固定支架、管道、設(shè)備等均按這個壓力去計算。這種傳統(tǒng)算法雖然增加了安全系數(shù)，但也增加了工程造價、固定支架等的體積、施工難度，尤其在場地狹窄、地下障礙多的地段，更要求在保證安全的前提下盡量減小固定支架、小室等的尺寸，降低施工難度、降低工程造價。下面筆者結(jié)合工程實際，論述水壓圖在降低工程造價、方便施工中的作用。
一、用總水壓線法精確計算補償器盲板力
以波紋補償器為例，補償器推力計算公式如下：
FB=F盲+F彈=Pi·A·10-3+ F彈（式一）
FB——補償器推力（t）
F盲——盲板力（t）
F彈——彈性力（t）
Pi——工作壓力（kg/cm2）
A——波紋補償器有效面積cm2
在傳統(tǒng)的補償器推力計算中，Pi取系統(tǒng)工作壓力，即1.6MPa。近幾年，人們意識到回水壓力達不到1.6MPa，一般按1.0MPa計算，即所謂供回水分開計算。這樣就降低了波紋補償器的盲板力F盲=Pi·A。一般認為這樣已經(jīng)非常合理了，因為回水補償器推力降下來了，但實際上這些算法只能算作是一種估算，不是精確計算。因為雖然它將供水和回水盲板力分開來計算，但是，它將供水的工作壓力定為1.6MPa，回水壓力1.0MPa，這個壓力是一成不變的。而在實際運行中，隨著管網(wǎng)中各點與電廠距離的遠近，無論供水管道還是回水管道，它的壓力是變化的，每一點的壓力都不一樣。而以上估算法只能忽略這一點，按照固定的壓力去計算。這樣的計算結(jié)果與實際值就有一個很大的偏差。下面，筆者就介紹一個精確計算的非常簡便的方法及其推導(dǎo)過程。
推導(dǎo)出的補償器的推力公式：
F雙=F盲總+F彈g+F彈h=（P總·A）× 10-3+ F彈g+F彈h
（式二）
F雙——供水、回水補償器加在一起產(chǎn)生的推力（t）;
（注：供、回水補償器一般成對設(shè)置，它們產(chǎn)生的推力共同作用在固定支架上，固定支架的配筋及尺寸根據(jù)供回水補償器推力產(chǎn)生的合力計算。本計算方法不必采取先分著計算供回水各自的推力，再將它們相加計算合力的方法，計算步驟簡便。）
F盲總——總盲板力（供回水盲板力之和，t）
F彈g——供水補償器彈性力（t）（查產(chǎn)品樣本）
F彈h——回水補償器彈性力（t）（查產(chǎn)品樣本）
P總——總水壓線對應(yīng)的壓力（kg/cm2）
A——補償器有效面積（cm2）（由于供回水口徑相同，其A值也是相同的）
如上水壓圖中：
Po─系統(tǒng)靜水壓線（MPa）
Pg─供水管道壓力（MPa）
Ph─回水管道壓力（MPa）
P總─總水壓線（MPa） P總=Pg+Ph
其中，P總是本算法根據(jù)實際需要新引入的概念。
式二的推導(dǎo)過程如下：
供水補償器的推力Fb供=F盲g+F彈g=Pg·A+ F彈g
回水補償器的推力Fb回=F盲h+F彈h=Ph·A+F彈h
供回水補償器合力F雙=Fb供+Fb回=Pg·A+F彈g+Ph·A+F彈h=（Pg+Ph）·A+F彈g+F彈h=P總·A·10-3+F彈g+ F彈h
即得出式（二）。
由式二可知，只要我們求出總水壓線P總，F(xiàn)雙即可得出結(jié)果。因為式中A、F彈g、F彈h在波紋補償器樣本中即可查到，只有P總是一個未知數(shù)。
從水壓圖中我們不難看出P總=Pg+Ph，即總水壓線等于供水水壓線與回水水壓線的疊加，供、回2條水壓線疊加后即可得出總水壓線P總。我們還知道，在供熱管網(wǎng)中，無論供熱管網(wǎng)多么復(fù)雜，地勢怎么變化，供、回水管徑總是相等的，基本接近于處處相等，它們是并列的2根管，其走向、長度也基本處處相等。而且管道中水的流量也基本相等（由于失水的原因，回水流量較供水略微減小，但減小量很小，不對計算結(jié)果產(chǎn)生實質(zhì)性影響）。這樣，供、回水管道的水阻力大小相等方向相反，即供水水壓線與回水水壓線相對于中軸線對稱。那么，根據(jù)這個特點，我們不難得出結(jié)論，供水水壓線與回水水壓線疊加后的總水壓線是一條水平的直線，即P總=Pg+Ph處處相等─無論在距電廠的什么位置。電廠出口以外管道壓力是變化很難精確計算的，電廠出口處供回水壓力值是在設(shè)計時必須知道的，這樣進而得出P總=Pg+Ph=P1g+P1h，即P總在供熱管網(wǎng)中處處相等，且均等于電廠出口供、回水壓力之和。
現(xiàn)在以唐山市東部供熱工程裕華道支干線①節(jié)點為例比較一下按傳統(tǒng)算法與按總水壓線算法得出補償器推力的差別。唐山市東部供熱管網(wǎng)熱源為唐山市發(fā)電廠，其電廠出口壓力為供水1.45MPa、回水0.2MPa，工作溫度130℃/70℃，工作壓力1.6MPa。裕華道支干線管徑為DN700，其對應(yīng)波紋補償器有效面積A=5822cm2，其彈性反力經(jīng)查產(chǎn)品樣本確定為F彈=23t。為簡化計算，這里將供、回水補償器彈性力近似認為相等。
在以上已知條件下計算補償器的推力：
a.傳統(tǒng)算法：
Fb供=F盲供+F彈=Pg·A·10-3+F彈=16×5822×10-3+23=116t
Fb回=F盲回+F彈=Ph·A·10-3+F彈=10×5822×10-3+23=81t
供回水補償器對固定支架產(chǎn)生的總推力：
F雙= Fb供+ Fb回=116+81=197t
b. 按總水壓線法：
F′雙=F盲總+2F彈=P總·A·10-3+F彈g+F彈h
= （P1g+P1h）·A·10-3+2F彈
=（2+14.5）×5822×10-3+2×23
=142t
c.計算結(jié)果表明：
F′雙< F雙，二者相差■＝38.7％。也即固定支架尺寸減少38.7%。當然，其配筋也相應(yīng)減少。裕華道支干線①節(jié)點處在裕華道與龍澤路交叉口，在這里地下管線眾多，由于距水廠及污水處理廠均較近，是多條上下水必經(jīng)之處，有DN200-DN1000上水管道4條、DN600-DN1500污水管道4條、雨水方溝1條，以及電力、煤氣、通信等地下管線，施工現(xiàn)場場地狹窄，由于有多條雨、污水管存在，管溝隨時有塌方的可能。在這種情況下，采取總水壓線法精確算出固定支架推力，減小固定支架尺寸，對安全施工起到了關(guān)鍵性作用。
二、管道壁厚的確定
由水壓圖可知，供水管道壓力在中軸線以上，回水管道壓力在中軸線以下。還以剛才唐山市東部供熱工程為例，中軸線對應(yīng)壓力為P中=（P1g+P1h）/2=（0.2+1.45）/2=0.825MPa。這樣，供水管道最高壓力值為P1g=1.45MPa， 回水管道最高壓力值為P中=0.825MPa。所以，計算熱力管道壁厚時，考慮到供回水壓力不同，可采取分開計算，采用不同壁厚值，節(jié)省管道造價。為安全起見，上例中，供水可按1.6MPa，回水可按1.0MPa計算。
管道壁厚計算公式：
S=■+C
S——管道壁厚（mm）
P——計算壓力（kg/cm2）
Dw——鋼管外經(jīng)（mm）
［?滓］——許用應(yīng)力，Q235鋼為12.67kg/mm2
η——修正系數(shù)0.6
C——附加值0.8
將DN700-DN1200管道數(shù)據(jù)代入以上公式中，可得供回水管道壁厚如下：
但實際應(yīng)用中一定要注意，雖然回水按1.0MPa計算得出的壁厚較小即可滿足壓力要求，但管道厚徑比不要過小，以免直埋管道在承受巨大軸向力時發(fā)生形變。供回水管道壁厚分開計算的方法，在唐山的部分工程中已得到了應(yīng)用。
三、補償器的選型
正如前面所述，利用水壓圖還可將波紋補償器的選型采用供回水分開的方式。以唐山市東部供熱工程為例，供水可采用承壓能力1.6MPa的波補，回水可采用承壓能力1.0MPa波補，這樣即減少了購買波補的費用，而且承壓能力低的波補彈性反力也小，且又降低了波補對固定支架的推力，減小固定支架的造價。
結(jié)論：水壓圖在供熱管網(wǎng)計算中是不可或缺的，它的作用不僅限于水力計算及確定管徑上，在施工圖設(shè)計過程中，也同樣可以起到非常重要作用。只要我們應(yīng)用得當，一定會得到很多意想不到的效果。