水光蓄互補聯合發電工程施工中壓力管道悶頭應用研究

楊 書 ， 江 軍 ， 孟 幫 杰 ， 黃 煌 ， 程 耀

(1.中電建水電開發集團有限公司，四川 成都 610000；2. 中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610000)

0 引 言

春廠壩水電站常規水電機組已于2016年投產發電，按照梯級水光蓄互補聯合發電工程規劃，在原水電站廠房上游新建抽水蓄能電站，安裝1臺容量為5 MW的變速恒頻可逆式抽水蓄能發電機組[1]。春廠壩抽水蓄能電站作為國內投產的唯一一個梯級水光蓄互補項目[2]，在施工期為實現縮短已建水電站停水工期，提高項目建設的經濟效益，有必要在已建成水電站引水壓力鋼管接入段岔管處設置悶頭等措施。本文基于春廠壩水電站發電工況下，通過對梯級水光蓄互補聯合發電工程施工期壓力鋼管岔管悶頭進行應力復核計算與運行情況分析，闡明了在梯級小水電基礎上實現水光蓄互補聯合發電系統改造工程的技術路線，以及水電站在帶悶頭工況下運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規劃中第四級電站，電站采用閘壩引水式開發。水庫正常蓄水位2 449.80 m，引水隧洞長 13 044.30 m，壓力鋼管長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3臺，單機容量18 MW，總裝機容量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512.025 m，其中混凝土管長8.5 m，其余為鋼管，內徑3.5 m。下平段經兩個卜型岔管向三臺機組供水，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。

通過監測資料分析表明，壓力管道在運行期處于穩定。

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，設計支管直徑1.2 m，分岔角61.68°，總長約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，貼邊鋼岔管部位設計工作壓力205.5 m(含水擊壓力)。引水壓力鋼管采用Q345，壁厚12 mm。正常運行工況鋼岔管三維計算應力云圖見圖1，水壓試驗工況鋼岔管三維計算應力云圖見圖2。

圖1 正常運行工況鋼岔管三維計算應力云圖(MPa)

圖2 水壓試驗工況鋼岔管三維計算應力云圖(MPa)

由于水光蓄互補聯合發電系統的整體建設要求，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狀態。新建壓力鋼管接入后需完成抽蓄機組進水蝶閥安裝調試，已建水電站才具備恢復發電功能，預計總工期7個月，由此導致已建水電站發電損失較大。

為此，在施工期間優先考慮完成主岔管段接入，通過在抽蓄壓力鋼管1號鎮墩下游側1.5 m處設置悶頭措施，解決新建壓力鋼管接入后，已建水電站無法運行的問題。悶頭具體結構形式為半球形悶頭，半球形悶頭結構形式見圖3。悶頭材料型號采用Q345R，設計壓力2.6MPa(最大試驗壓力)，實際選用鋼板厚度12 mm(成型前)，成型后厚度10 mm。為驗證鋼岔管及悶頭安全可靠性，確保鋼岔管和悶頭達到功能要求，對鋼岔管和悶頭進行廠內整體水壓試驗。試驗時，監測和檢測數據證明一切指標良好。

圖3 半球形悶頭結構形式圖

2 悶頭應力復核計算

2.1 復核采用參數及相關約束條件

復核計算悶頭采用的參數見表1。

表1 復核計算悶頭采用的參數表

2.2 壓力容器法計算

設計溫度下球殼的計算厚度按式(1)計算。

(1)

式中Di為圓筒或球殼的內直徑，mm；pc為計算壓力，MPa；[σ]t為設計溫度下圓筒或球殼材料的許用應力，MPa；φ為焊接接頭系數；δ為圓筒或球殼的計算厚度，mm。

支管門頭應力計算采用式(2)進行計算。

(2)

式中σt為設計溫度下圓筒或球殼的計算應力，MPa；δe球殼有效厚度，mm。

根據以上公式，計算悶頭厚度為5 mm<10 mm(實際厚度)。悶頭應力為98.2 MPa<[σ]t=207 MPa(許用應力)。

2.3 球形岔管法計算

封頭厚度采用式(3)進行計算。

(3)

式中ts為封頭厚度，mm；p為內水壓力設計值，MPa；rs為封頭半徑，mm。

構件應力按式(4)計算。

(4)

式中p為內水壓力設計值，MPa；r為半徑，mm；t為悶頭實際厚度，mm。

計算得封頭厚度為5 mm，應力為156 MPa。

2.4 三維有限元法計算

通過有限元軟件對壓力鋼管及悶頭建立模型進行分析計算，壓力鋼管及封頭模型見圖4，應力計算結果見圖5。

圖4 壓力鋼管及封頭模型

圖5 應力計算結果(MPa)

根據有限元分析可得，最大應力出現在焊縫周圍，最大應力為148.4 MPa。

2.5 悶頭應力復核計算結果分析

春廠壩變速抽水蓄能示范電站岔管在設計中采用了“水工鋼岔管一體化設計軟件”工具進行設計，一體化設計軟件融合了設計規范和工程經驗，梳理整合了鋼岔管設計相關的各類參數信息，在設計數據支持下，按設計流程分別完成三維建模、有限元計算、工程制圖和Word算稿編制功能，最終達到設計工作標準化、程序化、三維化。并運用于多個實際工程項目，得到了充分檢驗，事實證明采用一體化設計的岔管結構是安全可靠、科學合理的。

根據《壓力容器》GB150-2011[4]和《水電站壓力鋼管設計規范》NB/T 35056- 2015[5]對廠家提供數據進行復核，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Q345R，板厚12 mm，整體沖壓成型后厚10 mm)是合適的。經計算可知，最小板厚5 mm，考慮銹蝕厚度2 mm，實際最小板厚不應小于7 mm。球形悶頭最大應力約在148.4～156 MPa之間，最大應力出現在半球型悶頭與壓力鋼管焊縫之間。計算結果表明，采用廠家提供數據進行計算時，悶頭厚度滿足要求，悶頭應力滿足要求。

建議在悶頭強度滿足要求的情況下，采用增加加強圈、焊接騎縫板等措施，對悶頭及焊縫進行處理，以確保安全。

3 悶頭實際運行情況分析

根據悶頭的實際運行情況分析，春廠壩變速抽水蓄能示范電站采用整體壓制成型的標準悶頭。用于后期發電時支管臨時封堵，故按永久悶頭考慮，具體結構形式為半球形整體鋼板沖壓成型，并按管控要求提交了質量合格證書、材質證明報告、材質第三方檢測報告、焊接工藝評定、焊縫無損檢測報告、水壓強度試驗報告，通過7個月的實際運行考驗，悶頭厚度滿足要求，悶頭應力值滿足要求。

4 結 語

通過在春廠壩已建水電站主岔管上游接入“Y”型岔管的方式擴建混合式抽水蓄能電站，在國內尚屬于首例，隨著國內水光蓄互補項目的發展前景，到2030年風電、光伏發電總裝機容量在12億kW以上，大規模的新能源并網迫切需要大量調節電源提供優質的輔助服務，本文通過對已建發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用實踐，在施工期間為縮短已建水電站停水工期，提高項目建設的經濟效益，設置切實安全可靠的悶頭措施是必要的，對有類似擴建混合式抽蓄電站有一定的工程參考價值。