楊 書 ， 江 軍 ， 孟 幫 杰 ， 黃 煌 ， 程 耀

(1.中電建水電開發(fā)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(guī)水電機組已于2016年投產發(fā)電，按照梯級水光蓄互補聯(lián)合發(fā)電工程規(guī)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(fā)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(xiàn)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(fā)電工況下，通過對梯級水光蓄互補聯(lián)合發(fā)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(xiàn)水光蓄互補聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)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(guī)劃中第四級電站，電站采用閘壩引水式開發(fā)。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(jiān)測資料分析表明，壓力管道在運行期處于穩(wěn)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(lián)合發(fā)電系統(tǒng)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(tài)。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(fā)電功能，預計總工期7個月，由此導致已建水電站發(fā)電損失較大。

為此，在施工期間優(yōu)先考慮完成主岔管段接入，通過在抽蓄壓力鋼管1號鎮(zhèn)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(jiān)測和檢測數(shù)據(jù)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(shù)及相關約束條件

復核計算悶頭采用的參數(shù)見表1。

表1 復核計算悶頭采用的參數(shù)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(shù)；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(jù)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(jù)有限元分析可得，最大應力出現(xiàn)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(guī)范和工程經驗，梳理整合了鋼岔管設計相關的各類參數(shù)信息，在設計數(shù)據(jù)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(jù)《壓力容器》GB150-2011[4]和《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》NB/T 35056- 2015[5]對廠家提供數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(jù)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(fā)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(fā)展前景，到2030年風電、光伏發(fā)電總裝機容量在12億kW以上，大規(guī)模的新能源并網迫切需要大量調節(jié)電源提供優(yōu)質的輔助服務，本文通過對已建發(fā)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。