高塘坪二级电站管道设计分析与探讨

李盛春

（永州市水利水电勘测设计院 永州市 425000）

蓝山县高塘坪二级电站的初步设计由湖南省水利水电勘测设计研究总院进行设计，根据初步设计，对其压力钢管进行了初步设计计算，并选定钢管内径为1.0 m，管壁厚度为（10～16）mm，钢材为A3 钢。在技术设计阶段，由于电站装机容量变化，钢管设计流量有变化，根据湖南省水利厅关于高塘坪二、三级电站初步设计的批复文件中规定，必须对钢管直径重新进行论证。 同时，在技术设计中，对钢管结构设计及镇墩结构计算，采用PC-1500 计算机进行运算，钢管的整体布置也有所变化。下面，就上述问题进行论述。

1 设计基本资料及依据

水电站的压力输水管道是前池、机组的中间联接环节，其设计与前池设计、机组造型，电站水能方面有关的详细资料参见《高塘坪二级电站技术设计报告》和《高塘坪二级电站技术设计专题报告集》，其基本资料如下：

二级电站设计装机2 台2 500 kW，其多年平均发电量为1 750万kW·h，机组年利用小时数为3 500 h，电站保证出力1 421 kW。 电站选用2 台CJ461-W-115/2×13 双喷嘴冲击式机组，其单机设计流量为1 592 m3/s，设计水头195.73 m，最大水头为196.6 m，最小水头192.55 m，机组安装高程为539.8 m，支管中心高程539.919 m，下游尾水正常水位537.7 m，电站具有一压力前池，前池最高水位为759 m，正常水位为756.6 m，死库容2 500 m3。 钢管进水口中心高程为747.0 m，进水室底板高程为746.3 m。

进行钢管设计，其主要依据为水电站压力钢管设计规范（SD 144-85），小型水力发电站设计规范（GB 71-84），钢结构设计规范（GB 700-65）和水电站机电设计手册，水工设计手册等。

2 钢管总体布置设计

钢管的总体布置主要是钢管管线走向；钢管与前池及厂房机组的联结方式。 其布置应符合电站总体布置要求，考虑地质、地形条件，本着节省投资，水流平顺、水头损失小，施工及运行安全、方便的原则，经技术经济比较确定。

在钢管管线布置中，根据工程地形、地质情况方便进出段与其它建筑物及设备联接，将钢管管线在初步设计基础上平行向下游侧移动10 m。 这样，主要有下列好处：

（1）便于进行前池进水口布置，钢管在前池处转弯距离缩短。

（2）钢管上段平移后避开了冲沟，提高了钢管安全度，同时也便于布置前池顶坝泄洪和溢流。

（3）钢管中部段下移后，原设计需打的一平洞可以取消，降低了工程造价。

（4）钢管下部原设计在一滑坡体上通过，施工处理难度大，造价高；现平行下移后，可避开高滑坡体，减少砌1 000 m3，节省了资金5万元（1992年建设时单价）。 保证了钢管安全，同时也缩短了支管长度，便于升压站布置，对厂区总体布置有利。

钢管与前池的联接，采取坝内埋管型式，安装快速闸门。钢主管与厂房纵轴向成30°角布置，在1＃镇墩处分两支管引向水轮机。

3 钢管直径选择

压力水管直径选择是钢管设计的基础和关键。 钢管直径选择应进行技术经济比较确定，选择技术上可行，经济上优越的方案。

根据初步设计和钢管直径计算经验公式，初步拟定3个方案进行技术经济比较。 即方案1：内径0.9 m，全长736.72 m；方案2：内径0.9 m 段长304.51 m，内径1.0 m 段长432.21 m；方案3：内径1.0 m 全长736.72 m。对各方案进行水头损失计算，结果见附表。 进行各方案电能损失计算时，电站平均流量按下式确定：

式中 Ncp——平均出力，Ncp=1 997.7 kW；

y水、y发——分别为水轮机、发电机平均效率，取y水=83%；y水=94%；

V上、V中——分别为上游平均水位，喷嘴计算高程；

K——水头损失系数，对方案1：K=1.915；方案2：K=1.432；方案3：K=1.092。

根据上式求得Qcp、△H=KQ2cp 后，按下式计算电能损失：

式中 t——1年小时数。 计算结果见附表。

附表 高塘坪二级电站钢管各方案主要参数表

根据上述计算进行方案比较，确定最终方案。从水头损失来分析，内径0.9 m 方案最大水头损失为25 m，这将造成机组选型困难，水轮直径必须大一个档次，机组造价将大大增加。而方案2 最大水头损失为l8 m，方案3 最大水头损失为14.5 m，不会造成机组造型问题。

从制造、安装及运输等方面比较，三个方案的直径相差不多，无大的困难。

钢管直径的最后确定在于其经济优越性。 由方案1和方案2 比较，其单位电能投资0.5 元/kW·h比电站综合单位电能投资0.6 元/kW·h 小；其回收年限为3.28年，显然方案2 比方案1 优越。对方案2和方案3 比较，其单位电能为0.94 元／kW·h，比电站综合单位电能投资0.6 元／kW·h 大，回收年限也达6.27年，故方案2 比方案3 也优越。 综上所述，从便于机组选型和经济上来分析，方案2 是最优方案，故技术设计最后选用方案2 作为设计方案。