十月水电站改造工程压力管道布置及参数计算

舒 婧

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

水电站压力管道系统是将各个重要设备（水轮机、发电机、抽排水系统等）连接在一起的重要中介机构，其运行平稳和安全对整个水电站的工况有着重要影响。所以在管道设计时必须紧密结合水电站及河流的特点进行分析，而如何设计压力管道才能发挥水电站的最大效益成为首要问题之一。

1 工程概况

十月水电站位于新疆自治区温泉县境内，温泉县位于新疆自治区西北部，水能资源丰富，是建设中小型水电站的理想场所。该水电站是博尔塔拉河上的一座引水式电站。该水电站始建于20世纪70年代，原分为两个小型水电站（分别为四级和五级），装机总容量为1120 kW（4×200 kW+2×160 kW），规模偏小，效率低下。本次改造是将这两级水电站合并为一级开发，经改造后设计其流量达到9.5 m3/s，设计水头22.80 m，装机总容量达到1800 kW（1×1200 kW+1×600 kW），年均发电量670.45万kW·h，年利用小时数3725 h，使水电站发电效率提高了60.7%。本工程估算总投资1814.27万元，单位千瓦投资10079.3元，对当地经济发展和环境保护均具有重大意义。

2 压力管道总体布置分析

2.1 压力管道线路选择

线路设计是压力管道布置工程的最重要项目，因为线路的布置直接关系到综合成本、管道运行的安全性等核心问题，该项目压力管道线路选取时遵循以下原则[1]：

（1）尽量降低线路总长度，而且减少管道弯路，目的是减小水头损失，而且会使水流运动更加稳定，保证水轮机组的平稳运行。

（2）管道铺设角度应控制在45°以下，否则水流冲击力太大，会造成部分管道震动严重。考虑到施工难度，本项目设计时要求敷设角度不超过30°。

（3）十月水电站压力管道通过地段透水性强的粗颗粒洪积层，设计压力管道全部布置在挖方基础上，防止建筑物发生不均匀沉降。

结合以上设计原则，十月水电站渠首和厂址确定后，输水线路可选新线或老线。原输水管线两边均为耕地、林地及居民区，走新线会大大增加征地费用，故本工程引水渠依然走老线，只是在个别地方截弯取直，减少水头损失。

2.2 管道总体布置分析

目前，水轮机的供水方式总共有以下三种：（1）联合供水，即由一根主管向多个机组供水。该供水形式适合机组数量少、流量要求小、管道长度大的情况，这样可以在满足水轮机供水的前提下有效降低管道工程成本；（2）单元供水，即一根供水管对应一个机组，互不干扰。该供水形式适合机组数量少、单机要求流量大、管道长度小的情况，可有效保证水轮机的平稳运转；（3）分组供水，该供水形式是设置多根主管，而且每根主管同时向多台机组供水。适用于压力管道长、机组数量多、单机流量小的情况[2]。

十月水电站为小型水电站，因此无需分组供水，而联合供水和单元供水各有特点，因此对这两种供水形式进行对比分析，见表1。经综合考虑，十月水电站管道总长较短（57.2 m），水头不大，方案二比方案一成本高5万元左右，但水头损失要降低很多，因此十月水电站选用方案二的管道布置形式[3]。

表1 管道布置两种方案对比

2.3 压力管道材质选择分析

目前，水电站最常用的压力管道有钢筋砼管和钢管两种方案，两种管材的简图及优缺点对比具体见表2。本工程管道总长为2×57.2 m（两根平形布置），如采用钢管，其增加的工程造价为18.3万元，但是能够明显改善水力条件，缩短工期，增加电站发电量，因此本工程压力管道管材最终确定选用钢管[4]，其中压力管首端高程642.5 m，末端轴线高程625.7 m。

表2 压力管道材质对比分析

3 压力管道具体参数计算分析

3.1 管道水力计算

3.1.1 管径的计算

为保证管径的合理性，在此分别采用经验公式（1）和经济流速（2）来分别计算管径D，之后将结果进行比较分析来最终确定其数值。其中经验公式法求得D=1.6 m，经济流速法求得D=1.6 m，综合两种结果确定本项目压力管道直径为1.6 m[5]。

（1）经验公式法

式中：Q为压力管道设计流量，取值6.5 m3/s；H为设计水头（包括水锤压力），取值53.2 m；K为系数，取值5.2。

（2）经济流速法

式中：Ve为压力管道经济流速，3.23 m/s。

3.1.2 水头损失

水头损失对于管道运行参数有着重要影响，计算公式见式（3）[6]。经计算得十月水电站的hf=0.31 m，管道的局部水头损失hj为0.62 m，因此水电站整个流道总水头损失h=hf+hj=0.93 m。

式中：a为管道对水头损失影响系数，取0.00083；m为钢管使用年限系数，取1.2；L为管长，取57 m。

3.2 管道技术参数计算

钢管壁厚对于压力管道安全运行、投资成本、单位长度重量等均具有直接影响，在此根据公式（4）计算：

式中：H设为电站设计水头，为24.64 m；D为管道内径，1.6 m；[σ]为为钢材允许应力，kg/cm2，取 975 kg/cm2；φ为接缝的坚固系数，取为1。

经计算得δ=2.41 mm，根据相关规范：管壁厚度δmin≥6 mm，且钢管壁厚δ≥D/800+4，此外必须考虑锈蚀余量（2 mm），最终确定十月水电站压力钢管管壁δ取值10 mm。

针对钢管管壁刚度要求，相关规范规定：δ/D≥1/130，而本项目中δ/D=1/160＜1/130，得出本项目钢管壁厚δ=10 mm时不满足稳定要求，设计用增设加劲环来保证钢管运行安全。

本项目设计加劲环为钢板材质，具体尺寸为：高×厚=10 cm×1 cm，直接焊接在钢管周围。加劲环间距Pcr按式（5）计算：

式中：σs为钢材屈服应力，N/mm2；Rk为加劲环有效断面形心轴至钢管中心半径，mm；Lk为加劲环间距，mm；FR为加劲环有效截面积，mm2；Pcr为最大外压，取 0.12 MPa。

经计算得Pcr=3.0 m。

3.3 支撑结构设计

3.3.1 镇墩设计

在供水管道转弯处，由于水流对管道产生一个不平衡的冲击力，所以往往需要设计镇墩来稳定管道。镇墩分两种：封闭式和敞开式。其中封闭式镇敦结构简单、固定效果好；敞开式镇墩检修方便。

由于十月水电站压力管道距离较短，且规模较小，不存在频繁检修，所以最终选择封闭式镇墩。按照《水电站压力钢管设计规范》（SL 281—2003）分别计算作用在镇墩上的力，在此以“温度升高、管道充水”的最不利控制条件计算管道总轴力，经估算得出得到水平力和∑X=68.0 t，竖直力和∑Y=0.7 t，其中运行工况下计算公式分别见（6）（7），计算得镇墩总重 112 t，总体积为46.67 m3。

式中：A′为自上游指向镇墩的力；A"为自下游指向镇墩的力；Q′为镇墩前半跨管法向力；Q"为镇墩后半跨管法向力；α1为转弯处上游管道与水平面夹角；α2为转弯处下游管道与水平面夹角。

镇墩体积参数：基础面宽度（垂直水流方向）2.5 m，基础面长度（水流方向）2.0 m，镇敦合力作用点与基础面高差为1.2 m，共设计镇敦7个。

3.3.2 管床设计

十月水电站设计管床为梯形结构，底宽1.0 m，深1.2 m，为现浇砼结构，纵坡设计为1∶8.93和1∶2.5，边坡为1∶1.25，砼衬砌厚度为6 cm。管床西侧设踏步和栏杆，同时管道每间隔4 m设计一处现浇砼支墩。

4 结语

十月水电站压力管道设计严格遵循水电站的实际情况进行，投入使用后水轮机运行平稳，发电量也达到设计标准，证明压力管道各项参数合理。在压力管道选择时，在经济允许前提下选择钢管，可有效保证水流的稳定性、降低水头损失；此外，压力管道布置方式及参数设计较好地结合了十月水电站实际，保证了设计结果的科学合理性。