高塘坪二級(jí)電站管道設(shè)計(jì)分析與探討

李盛春

（永州市水利水電勘測設(shè)計(jì)院 永州市 425000）

藍(lán)山縣高塘坪二級(jí)電站的初步設(shè)計(jì)由湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)初步設(shè)計(jì)，對(duì)其壓力鋼管進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)計(jì)算，并選定鋼管內(nèi)徑為1.0 m，管壁厚度為（10～16）mm，鋼材為A3 鋼。在技術(shù)設(shè)計(jì)階段，由于電站裝機(jī)容量變化，鋼管設(shè)計(jì)流量有變化，根據(jù)湖南省水利廳關(guān)于高塘坪二、三級(jí)電站初步設(shè)計(jì)的批復(fù)文件中規(guī)定，必須對(duì)鋼管直徑重新進(jìn)行論證。 同時(shí)，在技術(shù)設(shè)計(jì)中，對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)計(jì)算，采用PC-1500 計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，鋼管的整體布置也有所變化。下面，就上述問題進(jìn)行論述。

1 設(shè)計(jì)基本資料及依據(jù)

水電站的壓力輸水管道是前池、機(jī)組的中間聯(lián)接環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)與前池設(shè)計(jì)、機(jī)組造型，電站水能方面有關(guān)的詳細(xì)資料參見《高塘坪二級(jí)電站技術(shù)設(shè)計(jì)報(bào)告》和《高塘坪二級(jí)電站技術(shù)設(shè)計(jì)專題報(bào)告集》，其基本資料如下：

二級(jí)電站設(shè)計(jì)裝機(jī)2 臺(tái)2 500 kW，其多年平均發(fā)電量為1 750萬kW·h，機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)為3 500 h，電站保證出力1 421 kW。 電站選用2 臺(tái)CJ461-W-115/2×13 雙噴嘴沖擊式機(jī)組，其單機(jī)設(shè)計(jì)流量為1 592 m3/s，設(shè)計(jì)水頭195.73 m，最大水頭為196.6 m，最小水頭192.55 m，機(jī)組安裝高程為539.8 m，支管中心高程539.919 m，下游尾水正常水位537.7 m，電站具有一壓力前池，前池最高水位為759 m，正常水位為756.6 m，死庫容2 500 m3。 鋼管進(jìn)水口中心高程為747.0 m，進(jìn)水室底板高程為746.3 m。

進(jìn)行鋼管設(shè)計(jì)，其主要依據(jù)為水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范（SD 144-85），小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 71-84），鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 700-65）和水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)，水工設(shè)計(jì)手冊(cè)等。

2 鋼管總體布置設(shè)計(jì)

鋼管的總體布置主要是鋼管管線走向；鋼管與前池及廠房機(jī)組的聯(lián)結(jié)方式。 其布置應(yīng)符合電站總體布置要求，考慮地質(zhì)、地形條件，本著節(jié)省投資，水流平順、水頭損失小，施工及運(yùn)行安全、方便的原則，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。

在鋼管管線布置中，根據(jù)工程地形、地質(zhì)情況方便進(jìn)出段與其它建筑物及設(shè)備聯(lián)接，將鋼管管線在初步設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上平行向下游側(cè)移動(dòng)10 m。 這樣，主要有下列好處：

（1）便于進(jìn)行前池進(jìn)水口布置，鋼管在前池處轉(zhuǎn)彎距離縮短。

（2）鋼管上段平移后避開了沖溝，提高了鋼管安全度，同時(shí)也便于布置前池頂壩泄洪和溢流。

（3）鋼管中部段下移后，原設(shè)計(jì)需打的一平洞可以取消，降低了工程造價(jià)。

（4）鋼管下部原設(shè)計(jì)在一滑坡體上通過，施工處理難度大，造價(jià)高；現(xiàn)平行下移后，可避開高滑坡體，減少砌1 000 m3，節(jié)省了資金5萬元（1992年建設(shè)時(shí)單價(jià)）。 保證了鋼管安全，同時(shí)也縮短了支管長度，便于升壓站布置，對(duì)廠區(qū)總體布置有利。

鋼管與前池的聯(lián)接，采取壩內(nèi)埋管型式，安裝快速閘門。鋼主管與廠房縱軸向成30°角布置，在1＃鎮(zhèn)墩處分兩支管引向水輪機(jī)。

3 鋼管直徑選擇

壓力水管直徑選擇是鋼管設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。 鋼管直徑選擇應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定，選擇技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上優(yōu)越的方案。

根據(jù)初步設(shè)計(jì)和鋼管直徑計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，初步擬定3個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。 即方案1：內(nèi)徑0.9 m，全長736.72 m；方案2：內(nèi)徑0.9 m 段長304.51 m，內(nèi)徑1.0 m 段長432.21 m；方案3：內(nèi)徑1.0 m 全長736.72 m。對(duì)各方案進(jìn)行水頭損失計(jì)算，結(jié)果見附表。 進(jìn)行各方案電能損失計(jì)算時(shí)，電站平均流量按下式確定：

式中 Ncp——平均出力，Ncp=1 997.7 kW；

y水、y發(fā)——分別為水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)平均效率，取y水=83%；y水=94%；

V上、V中——分別為上游平均水位，噴嘴計(jì)算高程；

K——水頭損失系數(shù)，對(duì)方案1：K=1.915；方案2：K=1.432；方案3：K=1.092。

根據(jù)上式求得Qcp、△H=KQ2cp 后，按下式計(jì)算電能損失：

式中 t——1年小時(shí)數(shù)。 計(jì)算結(jié)果見附表。

附表 高塘坪二級(jí)電站鋼管各方案主要參數(shù)表

根據(jù)上述計(jì)算進(jìn)行方案比較，確定最終方案。從水頭損失來分析，內(nèi)徑0.9 m 方案最大水頭損失為25 m，這將造成機(jī)組選型困難，水輪直徑必須大一個(gè)檔次，機(jī)組造價(jià)將大大增加。而方案2 最大水頭損失為l8 m，方案3 最大水頭損失為14.5 m，不會(huì)造成機(jī)組造型問題。

從制造、安裝及運(yùn)輸?shù)确矫姹容^，三個(gè)方案的直徑相差不多，無大的困難。

鋼管直徑的最后確定在于其經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。 由方案1和方案2 比較，其單位電能投資0.5 元/kW·h比電站綜合單位電能投資0.6 元/kW·h ?。黄浠厥漳晗逓?.28年，顯然方案2 比方案1 優(yōu)越。對(duì)方案2和方案3 比較，其單位電能為0.94 元／kW·h，比電站綜合單位電能投資0.6 元／kW·h 大，回收年限也達(dá)6.27年，故方案2 比方案3 也優(yōu)越。 綜上所述，從便于機(jī)組選型和經(jīng)濟(jì)上來分析，方案2 是最優(yōu)方案，故技術(shù)設(shè)計(jì)最后選用方案2 作為設(shè)計(jì)方案。