管路及進出口水力設計

推薦序

序

1.1 管流流態分類

1.2 水體物理性質

1.3 管流基本方程式

1.4 水流損失

1.5 管路摩擦係數之測定

參考文獻

 

2.1 主要管種

2.2 經濟管徑

2.3 閥門及其應用

2.4 閥門流量及損失係數

2.5 管路其他配件

參考文獻

 

3.1 泵浦

3.2 電動馬達

3.3 水輪發電機組

參考文獻

 

4.1 進水口渦流衍生的問題及水力特性

4.2 進水口防渦設計

4.3 水工模型試驗

參考文獻

 

5.1 管中消能方式及消能量估算

5.2 管中消能引發之穴蝕及防制

5.3 管中消能工程案例

5.4 管末消能設施

參考文獻

 

6.1 含砂管流物理特性

6.2 水平管流

6.3 傾斜管流

6.4 管路磨損

參考文獻

 

7.1 穩定流分析

7.2 暫態流分析

參考文獻

 

8.1 降低閥門關閉速率

8.2 裝置水鎚緩衝設施

8.3 裝置解壓設施

8.4 裝置水柱復合緩衝設施

8.5 防止逆止閥急速關閉

8.6 提升轉動機械慣性

8.7 消除共振現象

8.8 建置防止人為疏失的操作邏輯

參考文獻

 

9.1 抽蓄電廠水鎚分析

9.2 孤立水力電廠設計

9.3 大型逆止閥誘發之水鎚

9.4 水柱分離／復合之水鎚及解決方案

9.5 裝置儲氣槽削減斷管水鎚案例

9.6 直流式冷卻水系統水鎚控制

9.7 系統共振問題之調查與解決作為

參考文獻

 

符號定義

單位換算表

 

　　利用管路輸送流體是供水、水力發電、火力（含核能）發電、採礦及石油化工等工程的必要設施，借由管路能承受壓力變化的特性，管路系統可以克服地形起伏、依實際需求鋪設而達到輸送的目的，也因之壓力管路的興建相當廣泛。

 

　　筆者1968年由美國愛荷華大學水力學院（Iowa Institute of Hydraulic Research）畢業，1969年受聘於田納西流域管理局（Tennessee Valley Authority）參與Raccoon Mountain抽蓄電廠的設計，爾後於1974年加入貝泰公司（Bechtel）。貝泰的主要業務係以turn-key方式辦理工程規劃、設計與施工，業務屬性以電廠、採礦及石油化工廠居多，其中廠區所需的補充水、壓力鋼管、冷卻水或安全系統皆涉及管路，也因之參與數以百計管路系統的規劃、設計及運轉問題的處理。1989年返臺後亦執行多項大型輸水管路工程的設計，但至今臺灣缺乏管路水力設計的書籍，大學亦無相關課程，工程師大都以自行摸索的方式進行設計。

 

　　本書將筆者約50年在進出口水工結構及管路水力設計的經驗，有系統整理出對設計者實用的參考文件，期望有助於提升管路水力設計的技術水平。本書共分九章，第一章介紹壓力管流特性及流動阻力，提供估算管流摩擦阻力及局部損失的基本資料；第二章討論管材及相關配件的選擇及水力特性；第三章介紹水工機械的基本特性、相似律及動力設備與管路在水力上的結合。為避免管路的運轉受到進水口流態的影響，第四章綜合防止渦流形成的進水口布置。管路系統經常因上、下游水頭差遠大於摩擦及局部損失所消耗的能量而必須於管中或出水口消能，如何於管中消能不致於發生破壞性穴蝕或於管末消能不影響出水口地形地物的安全則於第五章述及；管路亦經常應用於輸送泥砂或尾礦（tailing），故於第六章討論輸泥管的泥砂分布特性，不淤流速及輸送渾水的管路損失。

 

　　管路設計需考慮穩定流狀況下是否滿足設計要求，另亦應檢核系統啟閉情況下可能產生的水鎚效應，為此，第七章介紹穩定流分析工具及暫態流分析原理、邊界條件的建置及現今常用的商用軟體；第八章則介紹可使用的水鎚控制手段及控制設備尺度的初步選擇；第九章綜合介紹筆者經歷的水鎚防制案例，也突顯水鎚問題在管路設計的重要性。

 

　　本書打字及圖的繪製分別由巨廷公司呂瑞華及張美菊小姐執行，在此感謝他們的耐心與投入。