高塘坪二級電站管道設計分析與探討

李盛春

（永州市水利水電勘測設計院 永州市 425000）

藍山縣高塘坪二級電站的初步設計由湖南省水利水電勘測設計研究總院進行設計，根據初步設計，對其壓力鋼管進行了初步設計計算，并選定鋼管內徑為1.0 m，管壁厚度為（10～16）mm，鋼材為A3 鋼。在技術設計階段，由于電站裝機容量變化，鋼管設計流量有變化，根據湖南省水利廳關于高塘坪二、三級電站初步設計的批復文件中規定，必須對鋼管直徑重新進行論證。 同時，在技術設計中，對鋼管結構設計及鎮墩結構計算，采用PC-1500 計算機進行運算，鋼管的整體布置也有所變化。下面，就上述問題進行論述。

1 設計基本資料及依據

水電站的壓力輸水管道是前池、機組的中間聯接環節，其設計與前池設計、機組造型，電站水能方面有關的詳細資料參見《高塘坪二級電站技術設計報告》和《高塘坪二級電站技術設計專題報告集》，其基本資料如下：

二級電站設計裝機2 臺2 500 kW，其多年平均發電量為1 750萬kW·h，機組年利用小時數為3 500 h，電站保證出力1 421 kW。 電站選用2 臺CJ461-W-115/2×13 雙噴嘴沖擊式機組，其單機設計流量為1 592 m3/s，設計水頭195.73 m，最大水頭為196.6 m，最小水頭192.55 m，機組安裝高程為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。 鋼管進水口中心高程為747.0 m，進水室底板高程為746.3 m。

進行鋼管設計，其主要依據為水電站壓力鋼管設計規范（SD 144-85），小型水力發電站設計規范（GB 71-84），鋼結構設計規范（GB 700-65）和水電站機電設計手冊，水工設計手冊等。

2 鋼管總體布置設計

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組的聯結方式。 其布置應符合電站總體布置要求，考慮地質、地形條件，本著節省投資，水流平順、水頭損失小，施工及運行安全、方便的原則，經技術經濟比較確定。

在鋼管管線布置中，根據工程地形、地質情況方便進出段與其它建筑物及設備聯接，將鋼管管線在初步設計基礎上平行向下游側移動10 m。 這樣，主要有下列好處：

（1）便于進行前池進水口布置，鋼管在前池處轉彎距離縮短。

（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，原設計需打的一平洞可以取消，降低了工程造價。

（4）鋼管下部原設計在一滑坡體上通過，施工處理難度大，造價高；現平行下移后，可避開高滑坡體，減少砌1 000 m3，節省了資金5萬元（1992年建設時單價）。 保證了鋼管安全，同時也縮短了支管長度，便于升壓站布置，對廠區總體布置有利。

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

3 鋼管直徑選擇

壓力水管直徑選擇是鋼管設計的基礎和關鍵。 鋼管直徑選擇應進行技術經濟比較確定，選擇技術上可行，經濟上優越的方案。

根據初步設計和鋼管直徑計算經驗公式，初步擬定3個方案進行技術經濟比較。 即方案1：內徑0.9 m，全長736.72 m；方案2：內徑0.9 m 段長304.51 m，內徑1.0 m 段長432.21 m；方案3：內徑1.0 m 全長736.72 m。對各方案進行水頭損失計算，結果見附表。 進行各方案電能損失計算時，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——分別為水輪機、發電機平均效率，取y水=83%；y水=94%；

V上、V中——分別為上游平均水位，噴嘴計算高程；

K——水頭損失系數，對方案1：K=1.915；方案2：K=1.432；方案3：K=1.092。

根據上式求得Qcp、△H=KQ2cp 后，按下式計算電能損失：

式中 t——1年小時數。 計算結果見附表。

附表 高塘坪二級電站鋼管各方案主要參數表

根據上述計算進行方案比較，確定最終方案。從水頭損失來分析，內徑0.9 m 方案最大水頭損失為25 m，這將造成機組選型困難，水輪直徑必須大一個檔次，機組造價將大大增加。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，不會造成機組造型問題。

從制造、安裝及運輸等方面比較，三個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濟優越性。 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 小；其回收年限為3.28年，顯然方案2 比方案1 優越。對方案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6.27年，故方案2 比方案3 也優越。 綜上所述，從便于機組選型和經濟上來分析，方案2 是最優方案，故技術設計最后選用方案2 作為設計方案。