十月水電站改造工程壓力管道布置及參數(shù)計(jì)算

舒 婧

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

水電站壓力管道系統(tǒng)是將各個(gè)重要設(shè)備（水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、抽排水系統(tǒng)等）連接在一起的重要中介機(jī)構(gòu)，其運(yùn)行平穩(wěn)和安全對整個(gè)水電站的工況有著重要影響。所以在管道設(shè)計(jì)時(shí)必須緊密結(jié)合水電站及河流的特點(diǎn)進(jìn)行分析，而如何設(shè)計(jì)壓力管道才能發(fā)揮水電站的最大效益成為首要問題之一。

1 工程概況

十月水電站位于新疆自治區(qū)溫泉縣境內(nèi)，溫泉縣位于新疆自治區(qū)西北部，水能資源豐富，是建設(shè)中小型水電站的理想場所。該水電站是博爾塔拉河上的一座引水式電站。該水電站始建于20世紀(jì)70年代，原分為兩個(gè)小型水電站（分別為四級和五級），裝機(jī)總?cè)萘繛?120 kW（4×200 kW+2×160 kW），規(guī)模偏小，效率低下。本次改造是將這兩級水電站合并為一級開發(fā)，經(jīng)改造后設(shè)計(jì)其流量達(dá)到9.5 m3/s，設(shè)計(jì)水頭22.80 m，裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到1800 kW（1×1200 kW+1×600 kW），年均發(fā)電量670.45萬kW·h，年利用小時(shí)數(shù)3725 h，使水電站發(fā)電效率提高了60.7%。本工程估算總投資1814.27萬元，單位千瓦投資10079.3元，對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)均具有重大意義。

2 壓力管道總體布置分析

2.1 壓力管道線路選擇

線路設(shè)計(jì)是壓力管道布置工程的最重要項(xiàng)目，因?yàn)榫€路的布置直接關(guān)系到綜合成本、管道運(yùn)行的安全性等核心問題，該項(xiàng)目壓力管道線路選取時(shí)遵循以下原則[1]：

（1）盡量降低線路總長度，而且減少管道彎路，目的是減小水頭損失，而且會使水流運(yùn)動更加穩(wěn)定，保證水輪機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行。

（2）管道鋪設(shè)角度應(yīng)控制在45°以下，否則水流沖擊力太大，會造成部分管道震動嚴(yán)重。考慮到施工難度，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)要求敷設(shè)角度不超過30°。

（3）十月水電站壓力管道通過地段透水性強(qiáng)的粗顆粒洪積層，設(shè)計(jì)壓力管道全部布置在挖方基礎(chǔ)上，防止建筑物發(fā)生不均勻沉降。

結(jié)合以上設(shè)計(jì)原則，十月水電站渠首和廠址確定后，輸水線路可選新線或老線。原輸水管線兩邊均為耕地、林地及居民區(qū)，走新線會大大增加征地費(fèi)用，故本工程引水渠依然走老線，只是在個(gè)別地方截彎取直，減少水頭損失。

2.2 管道總體布置分析

目前，水輪機(jī)的供水方式總共有以下三種：（1）聯(lián)合供水，即由一根主管向多個(gè)機(jī)組供水。該供水形式適合機(jī)組數(shù)量少、流量要求小、管道長度大的情況，這樣可以在滿足水輪機(jī)供水的前提下有效降低管道工程成本；（2）單元供水，即一根供水管對應(yīng)一個(gè)機(jī)組，互不干擾。該供水形式適合機(jī)組數(shù)量少、單機(jī)要求流量大、管道長度小的情況，可有效保證水輪機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)；（3）分組供水，該供水形式是設(shè)置多根主管，而且每根主管同時(shí)向多臺機(jī)組供水。適用于壓力管道長、機(jī)組數(shù)量多、單機(jī)流量小的情況[2]。

十月水電站為小型水電站，因此無需分組供水，而聯(lián)合供水和單元供水各有特點(diǎn)，因此對這兩種供水形式進(jìn)行對比分析，見表1。經(jīng)綜合考慮，十月水電站管道總長較短（57.2 m），水頭不大，方案二比方案一成本高5萬元左右，但水頭損失要降低很多，因此十月水電站選用方案二的管道布置形式[3]。

表1 管道布置兩種方案對比

2.3 壓力管道材質(zhì)選擇分析

目前，水電站最常用的壓力管道有鋼筋砼管和鋼管兩種方案，兩種管材的簡圖及優(yōu)缺點(diǎn)對比具體見表2。本工程管道總長為2×57.2 m（兩根平形布置），如采用鋼管，其增加的工程造價(jià)為18.3萬元，但是能夠明顯改善水力條件，縮短工期，增加電站發(fā)電量，因此本工程壓力管道管材最終確定選用鋼管[4]，其中壓力管首端高程642.5 m，末端軸線高程625.7 m。

表2 壓力管道材質(zhì)對比分析

3 壓力管道具體參數(shù)計(jì)算分析

3.1 管道水力計(jì)算

3.1.1 管徑的計(jì)算

為保證管徑的合理性，在此分別采用經(jīng)驗(yàn)公式（1）和經(jīng)濟(jì)流速（2）來分別計(jì)算管徑D，之后將結(jié)果進(jìn)行比較分析來最終確定其數(shù)值。其中經(jīng)驗(yàn)公式法求得D=1.6 m，經(jīng)濟(jì)流速法求得D=1.6 m，綜合兩種結(jié)果確定本項(xiàng)目壓力管道直徑為1.6 m[5]。

（1）經(jīng)驗(yàn)公式法

式中：Q為壓力管道設(shè)計(jì)流量，取值6.5 m3/s；H為設(shè)計(jì)水頭（包括水錘壓力），取值53.2 m；K為系數(shù)，取值5.2。

（2）經(jīng)濟(jì)流速法

式中：Ve為壓力管道經(jīng)濟(jì)流速，3.23 m/s。

3.1.2 水頭損失

水頭損失對于管道運(yùn)行參數(shù)有著重要影響，計(jì)算公式見式（3）[6]。經(jīng)計(jì)算得十月水電站的hf=0.31 m，管道的局部水頭損失hj為0.62 m，因此水電站整個(gè)流道總水頭損失h=hf+hj=0.93 m。

式中：a為管道對水頭損失影響系數(shù)，取0.00083；m為鋼管使用年限系數(shù)，取1.2；L為管長，取57 m。

3.2 管道技術(shù)參數(shù)計(jì)算

鋼管壁厚對于壓力管道安全運(yùn)行、投資成本、單位長度重量等均具有直接影響，在此根據(jù)公式（4）計(jì)算：

式中：H設(shè)為電站設(shè)計(jì)水頭，為24.64 m；D為管道內(nèi)徑，1.6 m；[σ]為為鋼材允許應(yīng)力，kg/cm2，取 975 kg/cm2；φ為接縫的堅(jiān)固系數(shù)，取為1。

經(jīng)計(jì)算得δ=2.41 mm，根據(jù)相關(guān)規(guī)范：管壁厚度δmin≥6 mm，且鋼管壁厚δ≥D/800+4，此外必須考慮銹蝕余量（2 mm），最終確定十月水電站壓力鋼管管壁δ取值10 mm。

針對鋼管管壁剛度要求，相關(guān)規(guī)范規(guī)定：δ/D≥1/130，而本項(xiàng)目中δ/D=1/160＜1/130，得出本項(xiàng)目鋼管壁厚δ=10 mm時(shí)不滿足穩(wěn)定要求，設(shè)計(jì)用增設(shè)加勁環(huán)來保證鋼管運(yùn)行安全。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)加勁環(huán)為鋼板材質(zhì)，具體尺寸為：高×厚=10 cm×1 cm，直接焊接在鋼管周圍。加勁環(huán)間距Pcr按式（5）計(jì)算：

式中：σs為鋼材屈服應(yīng)力，N/mm2；Rk為加勁環(huán)有效斷面形心軸至鋼管中心半徑，mm；Lk為加勁環(huán)間距，mm；FR為加勁環(huán)有效截面積，mm2；Pcr為最大外壓，取 0.12 MPa。

經(jīng)計(jì)算得Pcr=3.0 m。

3.3 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)

在供水管道轉(zhuǎn)彎處，由于水流對管道產(chǎn)生一個(gè)不平衡的沖擊力，所以往往需要設(shè)計(jì)鎮(zhèn)墩來穩(wěn)定管道。鎮(zhèn)墩分兩種：封閉式和敞開式。其中封閉式鎮(zhèn)敦結(jié)構(gòu)簡單、固定效果好；敞開式鎮(zhèn)墩檢修方便。

由于十月水電站壓力管道距離較短，且規(guī)模較小，不存在頻繁檢修，所以最終選擇封閉式鎮(zhèn)墩。按照《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 281—2003）分別計(jì)算作用在鎮(zhèn)墩上的力，在此以“溫度升高、管道充水”的最不利控制條件計(jì)算管道總軸力，經(jīng)估算得出得到水平力和∑X=68.0 t，豎直力和∑Y=0.7 t，其中運(yùn)行工況下計(jì)算公式分別見（6）（7），計(jì)算得鎮(zhèn)墩總重 112 t，總體積為46.67 m3。

式中：A′為自上游指向鎮(zhèn)墩的力；A"為自下游指向鎮(zhèn)墩的力；Q′為鎮(zhèn)墩前半跨管法向力；Q"為鎮(zhèn)墩后半跨管法向力；α1為轉(zhuǎn)彎處上游管道與水平面夾角；α2為轉(zhuǎn)彎處下游管道與水平面夾角。

鎮(zhèn)墩體積參數(shù)：基礎(chǔ)面寬度（垂直水流方向）2.5 m，基礎(chǔ)面長度（水流方向）2.0 m，鎮(zhèn)敦合力作用點(diǎn)與基礎(chǔ)面高差為1.2 m，共設(shè)計(jì)鎮(zhèn)敦7個(gè)。

3.3.2 管床設(shè)計(jì)

十月水電站設(shè)計(jì)管床為梯形結(jié)構(gòu)，底寬1.0 m，深1.2 m，為現(xiàn)澆砼結(jié)構(gòu)，縱坡設(shè)計(jì)為1∶8.93和1∶2.5，邊坡為1∶1.25，砼襯砌厚度為6 cm。管床西側(cè)設(shè)踏步和欄桿，同時(shí)管道每間隔4 m設(shè)計(jì)一處現(xiàn)澆砼支墩。

4 結(jié)語

十月水電站壓力管道設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循水電站的實(shí)際情況進(jìn)行，投入使用后水輪機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，發(fā)電量也達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，證明壓力管道各項(xiàng)參數(shù)合理。在壓力管道選擇時(shí)，在經(jīng)濟(jì)允許前提下選擇鋼管，可有效保證水流的穩(wěn)定性、降低水頭損失；此外，壓力管道布置方式及參數(shù)設(shè)計(jì)較好地結(jié)合了十月水電站實(shí)際，保證了設(shè)計(jì)結(jié)果的科學(xué)合理性。