十月水電站改造工程壓力管道布置及參數計算

舒 婧

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

水電站壓力管道系統是將各個重要設備（水輪機、發電機、抽排水系統等）連接在一起的重要中介機構，其運行平穩和安全對整個水電站的工況有著重要影響。所以在管道設計時必須緊密結合水電站及河流的特點進行分析，而如何設計壓力管道才能發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溫泉縣境內，溫泉縣位于新疆自治區西北部，水能資源豐富，是建設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70年代，原分為兩個小型水電站（分別為四級和五級），裝機總容量為1120 kW（4×200 kW+2×160 kW），規模偏小，效率低下。本次改造是將這兩級水電站合并為一級開發，經改造后設計其流量達到9.5 m3/s，設計水頭22.80 m，裝機總容量達到1800 kW（1×1200 kW+1×600 kW），年均發電量670.45萬kW·h，年利用小時數3725 h，使水電站發電效率提高了60.7%。本工程估算總投資1814.27萬元，單位千瓦投資10079.3元，對當地經濟發展和環境保護均具有重大意義。

2 壓力管道總體布置分析

2.1 壓力管道線路選擇

線路設計是壓力管道布置工程的最重要項目，因為線路的布置直接關系到綜合成本、管道運行的安全性等核心問題，該項目壓力管道線路選取時遵循以下原則[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，而且會使水流運動更加穩定，保證水輪機組的平穩運行。

（2）管道鋪設角度應控制在45°以下，否則水流沖擊力太大，會造成部分管道震動嚴重。考慮到施工難度，本項目設計時要求敷設角度不超過30°。

（3）十月水電站壓力管道通過地段透水性強的粗顆粒洪積層，設計壓力管道全部布置在挖方基礎上，防止建筑物發生不均勻沉降。

結合以上設計原則，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，走新線會大大增加征地費用，故本工程引水渠依然走老線，只是在個別地方截彎取直，減少水頭損失。

2.2 管道總體布置分析

目前，水輪機的供水方式總共有以下三種：（1）聯合供水，即由一根主管向多個機組供水。該供水形式適合機組數量少、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，即一根供水管對應一個機組，互不干擾。該供水形式適合機組數量少、單機要求流量大、管道長度小的情況，可有效保證水輪機的平穩運轉；（3）分組供水，該供水形式是設置多根主管，而且每根主管同時向多臺機組供水。適用于壓力管道長、機組數量多、單機流量小的情況[2]。

十月水電站為小型水電站，因此無需分組供水，而聯合供水和單元供水各有特點，因此對這兩種供水形式進行對比分析，見表1。經綜合考慮，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缺點對比具體見表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 壓力管道材質對比分析

3 壓力管道具體參數計算分析

3.1 管道水力計算

3.1.1 管徑的計算

為保證管徑的合理性，在此分別采用經驗公式（1）和經濟流速（2）來分別計算管徑D，之后將結果進行比較分析來最終確定其數值。其中經驗公式法求得D=1.6 m，經濟流速法求得D=1.6 m，綜合兩種結果確定本項目壓力管道直徑為1.6 m[5]。

（1）經驗公式法

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

（2）經濟流速法

式中：Ve為壓力管道經濟流速，3.23 m/s。

3.1.2 水頭損失

水頭損失對于管道運行參數有著重要影響，計算公式見式（3）[6]。經計算得十月水電站的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，取0.00083；m為鋼管使用年限系數，取1.2；L為管長，取57 m。

3.2 管道技術參數計算

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

式中：H設為電站設計水頭，為24.64 m；D為管道內徑，1.6 m；[σ]為為鋼材允許應力，kg/cm2，取 975 kg/cm2；φ為接縫的堅固系數，取為1。

經計算得δ=2.41 mm，根據相關規范：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，相關規范規定：δ/D≥1/130，而本項目中δ/D=1/160＜1/130，得出本項目鋼管壁厚δ=10 mm時不滿足穩定要求，設計用增設加勁環來保證鋼管運行安全。

本項目設計加勁環為鋼板材質，具體尺寸為：高×厚=10 cm×1 cm，直接焊接在鋼管周圍。加勁環間距Pcr按式（5）計算：

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

經計算得Pcr=3.0 m。

3.3 支撐結構設計

3.3.1 鎮墩設計

在供水管道轉彎處，由于水流對管道產生一個不平衡的沖擊力，所以往往需要設計鎮墩來穩定管道。鎮墩分兩種：封閉式和敞開式。其中封閉式鎮敦結構簡單、固定效果好；敞開式鎮墩檢修方便。

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

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

鎮墩體積參數：基礎面寬度（垂直水流方向）2.5 m，基礎面長度（水流方向）2.0 m，鎮敦合力作用點與基礎面高差為1.2 m，共設計鎮敦7個。

3.3.2 管床設計

十月水電站設計管床為梯形結構，底寬1.0 m，深1.2 m，為現澆砼結構，縱坡設計為1∶8.93和1∶2.5，邊坡為1∶1.25，砼襯砌厚度為6 cm。管床西側設踏步和欄桿，同時管道每間隔4 m設計一處現澆砼支墩。

4 結語

十月水電站壓力管道設計嚴格遵循水電站的實際情況進行，投入使用后水輪機運行平穩，發電量也達到設計標準，證明壓力管道各項參數合理。在壓力管道選擇時，在經濟允許前提下選擇鋼管，可有效保證水流的穩定性、降低水頭損失；此外，壓力管道布置方式及參數設計較好地結合了十月水電站實際，保證了設計結果的科學合理性。