水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電工程施工中壓力管道悶頭應(yīng)用研究

楊 書 ， 江 軍 ， 孟 幫 杰 ， 黃 煌 ， 程 耀

(1.中電建水電開發(fā)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000；2. 中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610000)

0 引 言

春廠壩水電站常規(guī)水電機(jī)組已于2016年投產(chǎn)發(fā)電，按照梯級(jí)水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電工程規(guī)劃，在原水電站廠房上游新建抽水蓄能電站，安裝1臺(tái)容量為5 MW的變速恒頻可逆式抽水蓄能發(fā)電機(jī)組[1]。春廠壩抽水蓄能電站作為國(guó)內(nèi)投產(chǎn)的唯一一個(gè)梯級(jí)水光蓄互補(bǔ)項(xiàng)目[2]，在施工期為實(shí)現(xiàn)縮短已建水電站停水工期，提高項(xiàng)目建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益，有必要在已建成水電站引水壓力鋼管接入段岔管處設(shè)置悶頭等措施。本文基于春廠壩水電站發(fā)電工況下，通過對(duì)梯級(jí)水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電工程施工期壓力鋼管岔管悶頭進(jìn)行應(yīng)力復(fù)核計(jì)算與運(yùn)行情況分析，闡明了在梯級(jí)小水電基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)改造工程的技術(shù)路線，以及水電站在帶悶頭工況下運(yùn)行的安全性和合理性[3]。

1 工程布置

1.1 春廠壩水電站工程布置

春廠壩水電站為四川省阿壩州小金川左岸支流沃日河水電梯級(jí)規(guī)劃中第四級(jí)電站，電站采用閘壩引水式開發(fā)。水庫正常蓄水位2 449.80 m，引水隧洞長(zhǎng) 13 044.30 m，壓力鋼管長(zhǎng)435.193 m(主管)，正常尾水位2 289.54 m，額定引用流量47.1 m3/s。電站裝機(jī)3臺(tái)，單機(jī)容量18 MW，總裝機(jī)容量54 MW。

壓力管道由上平段、斜井段及下平段組成，壓力管道總長(zhǎng)512.025 m，其中混凝土管長(zhǎng)8.5 m，其余為鋼管，內(nèi)徑3.5 m。下平段經(jīng)兩個(gè)卜型岔管向三臺(tái)機(jī)組供水，管0+450.2 m～管0+504.5 m段為覆蓋層洞段，其余均為基巖洞段。主管段鋼襯外包微膨脹混凝土，厚度60 cm。壓力管道全線采用鋼板襯砌，鋼材主管采用Q345R,壁厚為12～22 mm；支管和岔管采用Q345R，支管壁厚為18 mm，主岔管壁厚為20～36 mm，次岔管壁厚為20～30 mm。

通過監(jiān)測(cè)資料分析表明，壓力管道在運(yùn)行期處于穩(wěn)定。

1.2 悶頭布置方案及施工情況

春廠壩抽水蓄能電站引水鋼管在已建水電站主岔管上游7.5 m位置接入。新建岔管采用“Y”型岔管，設(shè)計(jì)支管直徑1.2 m，分岔角61.68°，總長(zhǎng)約110 m，壓力鋼管使用Q345R(GB713)板材，與已建電站壓力鋼管采用同一材質(zhì)板材，2層貼邊板材厚度均為30 mm，岔管管壁厚度30 mm，貼邊鋼岔管部位設(shè)計(jì)工作壓力205.5 m(含水擊壓力)。引水壓力鋼管采用Q345，壁厚12 mm。正常運(yùn)行工況鋼岔管三維計(jì)算應(yīng)力云圖見圖1，水壓試驗(yàn)工況鋼岔管三維計(jì)算應(yīng)力云圖見圖2。

圖1 正常運(yùn)行工況鋼岔管三維計(jì)算應(yīng)力云圖(MPa)

圖2 水壓試驗(yàn)工況鋼岔管三維計(jì)算應(yīng)力云圖(MPa)

由于水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的整體建設(shè)要求，在春廠壩抽水蓄能電站新建壓力鋼管施工期間，已建水電站處于全停機(jī)狀態(tài)。新建壓力鋼管接入后需完成抽蓄機(jī)組進(jìn)水蝶閥安裝調(diào)試，已建水電站才具備恢復(fù)發(fā)電功能，預(yù)計(jì)總工期7個(gè)月，由此導(dǎo)致已建水電站發(fā)電損失較大。

為此，在施工期間優(yōu)先考慮完成主岔管段接入，通過在抽蓄壓力鋼管1號(hào)鎮(zhèn)墩下游側(cè)1.5 m處設(shè)置悶頭措施，解決新建壓力鋼管接入后，已建水電站無法運(yùn)行的問題。悶頭具體結(jié)構(gòu)形式為半球形悶頭，半球形悶頭結(jié)構(gòu)形式見圖3。悶頭材料型號(hào)采用Q345R，設(shè)計(jì)壓力2.6MPa(最大試驗(yàn)壓力)，實(shí)際選用鋼板厚度12 mm(成型前)，成型后厚度10 mm。為驗(yàn)證鋼岔管及悶頭安全可靠性，確保鋼岔管和悶頭達(dá)到功能要求，對(duì)鋼岔管和悶頭進(jìn)行廠內(nèi)整體水壓試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，監(jiān)測(cè)和檢測(cè)數(shù)據(jù)證明一切指標(biāo)良好。

圖3 半球形悶頭結(jié)構(gòu)形式圖

2 悶頭應(yīng)力復(fù)核計(jì)算

2.1 復(fù)核采用參數(shù)及相關(guān)約束條件

復(fù)核計(jì)算悶頭采用的參數(shù)見表1。

表1 復(fù)核計(jì)算悶頭采用的參數(shù)表

2.2 壓力容器法計(jì)算

設(shè)計(jì)溫度下球殼的計(jì)算厚度按式(1)計(jì)算。

(1)

式中Di為圓筒或球殼的內(nèi)直徑，mm；pc為計(jì)算壓力，MPa；[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下圓筒或球殼材料的許用應(yīng)力，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)；δ為圓筒或球殼的計(jì)算厚度，mm。

支管門頭應(yīng)力計(jì)算采用式(2)進(jìn)行計(jì)算。

(2)

式中σt為設(shè)計(jì)溫度下圓筒或球殼的計(jì)算應(yīng)力，MPa；δe球殼有效厚度，mm。

根據(jù)以上公式，計(jì)算悶頭厚度為5 mm<10 mm(實(shí)際厚度)。悶頭應(yīng)力為98.2 MPa<[σ]t=207 MPa(許用應(yīng)力)。

2.3 球形岔管法計(jì)算

封頭厚度采用式(3)進(jìn)行計(jì)算。

(3)

式中ts為封頭厚度，mm；p為內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值，MPa；rs為封頭半徑，mm。

構(gòu)件應(yīng)力按式(4)計(jì)算。

(4)

式中p為內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值，MPa；r為半徑，mm；t為悶頭實(shí)際厚度，mm。

計(jì)算得封頭厚度為5 mm，應(yīng)力為156 MPa。

2.4 三維有限元法計(jì)算

通過有限元軟件對(duì)壓力鋼管及悶頭建立模型進(jìn)行分析計(jì)算，壓力鋼管及封頭模型見圖4，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖4 壓力鋼管及封頭模型

圖5 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(MPa)

根據(jù)有限元分析可得，最大應(yīng)力出現(xiàn)在焊縫周圍，最大應(yīng)力為148.4 MPa。

2.5 悶頭應(yīng)力復(fù)核計(jì)算結(jié)果分析

春廠壩變速抽水蓄能示范電站岔管在設(shè)計(jì)中采用了“水工鋼岔管一體化設(shè)計(jì)軟件”工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，一體化設(shè)計(jì)軟件融合了設(shè)計(jì)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，梳理整合了鋼岔管設(shè)計(jì)相關(guān)的各類參數(shù)信息，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)支持下，按設(shè)計(jì)流程分別完成三維建模、有限元計(jì)算、工程制圖和Word算稿編制功能，最終達(dá)到設(shè)計(jì)工作標(biāo)準(zhǔn)化、程序化、三維化。并運(yùn)用于多個(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目，得到了充分檢驗(yàn)，事實(shí)證明采用一體化設(shè)計(jì)的岔管結(jié)構(gòu)是安全可靠、科學(xué)合理的。

根據(jù)《壓力容器》GB150-2011[4]和《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》NB/T 35056- 2015[5]對(duì)廠家提供數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核，春廠壩變速抽水蓄能電站在施工期采用的半球型悶頭(材質(zhì)Q345R，板厚12 mm，整體沖壓成型后厚10 mm)是合適的。經(jīng)計(jì)算可知，最小板厚5 mm，考慮銹蝕厚度2 mm，實(shí)際最小板厚不應(yīng)小于7 mm。球形悶頭最大應(yīng)力約在148.4～156 MPa之間，最大應(yīng)力出現(xiàn)在半球型悶頭與壓力鋼管焊縫之間。計(jì)算結(jié)果表明，采用廠家提供數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，悶頭厚度滿足要求，悶頭應(yīng)力滿足要求。

建議在悶頭強(qiáng)度滿足要求的情況下，采用增加加強(qiáng)圈、焊接騎縫板等措施，對(duì)悶頭及焊縫進(jìn)行處理，以確保安全。

3 悶頭實(shí)際運(yùn)行情況分析

根據(jù)悶頭的實(shí)際運(yùn)行情況分析，春廠壩變速抽水蓄能示范電站采用整體壓制成型的標(biāo)準(zhǔn)悶頭。用于后期發(fā)電時(shí)支管臨時(shí)封堵，故按永久悶頭考慮，具體結(jié)構(gòu)形式為半球形整體鋼板沖壓成型，并按管控要求提交了質(zhì)量合格證書、材質(zhì)證明報(bào)告、材質(zhì)第三方檢測(cè)報(bào)告、焊接工藝評(píng)定、焊縫無損檢測(cè)報(bào)告、水壓強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告，通過7個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn)，悶頭厚度滿足要求，悶頭應(yīng)力值滿足要求。

4 結(jié) 語

通過在春廠壩已建水電站主岔管上游接入“Y”型岔管的方式擴(kuò)建混合式抽水蓄能電站，在國(guó)內(nèi)尚屬于首例，隨著國(guó)內(nèi)水光蓄互補(bǔ)項(xiàng)目的發(fā)展前景，到2030年風(fēng)電、光伏發(fā)電總裝機(jī)容量在12億kW以上，大規(guī)模的新能源并網(wǎng)迫切需要大量調(diào)節(jié)電源提供優(yōu)質(zhì)的輔助服務(wù)，本文通過對(duì)已建發(fā)電水電站壓力鋼管安裝悶頭分析研究，以及水光蓄示范工程施工期成功應(yīng)用實(shí)踐，在施工期間為縮短已建水電站停水工期，提高項(xiàng)目建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)置切實(shí)安全可靠的悶頭措施是必要的，對(duì)有類似擴(kuò)建混合式抽蓄電站有一定的工程參考價(jià)值。