导航：安全管理网>> 安全论文>> 电力安全论文>>正文

某抽水蓄能电站高压管道设计问题探讨

文档作者：冯　华文档来源：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司		点击数：	更新时间： 2024年06月06日
下载地址：点击这里	文件大小： 924.83 KB 共4页	文档格式： PDF	下载点数： 1 点（VIP免费）

全屏查看

内容预览 [文件共4页]

本文件共4页，如需编辑使用，请下载。

注：预览效果可能会出现部分文字乱码（如口口口）、内容显示不全等问题，下载是正常的。

	文件大小：924.83 KB 共4页文件格式：PDF 下载点数：1 点（VIP会员免费）

上一篇：某水电站励磁系统的改造与优化

文本预览

仅提取页面文字内容，供快速阅读使用。

文章编号:1006—2610(2016)06—0036—04
某抽水蓄能电站高压管道设计问题探讨
冯　华
(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安　710065)
摘　要:某抽水蓄能电站高压管道具有内水压力和外水压力均较高的特点,文章针对该电站招标阶段高压管道设
计情况进行了详细地分析和总结,并针对设计中遇到的问题结合已建抽水蓄能电站的设计经验进行了深入剖析,
提出解决方法。结合该抽水蓄能电站高压管道的设计,提出若干建议以供类似工程借鉴。
关键词:抽水蓄能电站;高压管道;排水廊道;外水压力;折减;地勘洞
中图分类号:TV743;TV732. 4　　　　文献标志码:A　　　　DOI:10. 3969/ j. issn. 1006-2610. 2016. 06. 009
Study on Design of High-pressure Pipeline for Pumped Storage Power Plant
FENG Hua
(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an　710065,China)
Abstract:The high-pressure pipeline of one pumped storage power plant features both high external and internal hydraulic pressure. In the
paper, design of the high-pressure pipeline of the power plant at tendering stage is analyzed and summarized in detail. Issues encountered in
the design are deeply analyzed based on the design experience on the built pumped storage power plant. Solution is proposed. In combination
of the design of the high-pressure pipeline of the power plant, suggestions are provided for reference by the similar projects.
Key words: pumped storage power plant; high-pressure pipeline; drainage gallery; external hydraulic pressure; deduction; exploration adit
　　收稿日期:2016-09-29
　　作者简介:冯华(1982- ),男,陕西省延安市人,工程师,从事水
工结构工作.
1　高压管道布置概况
某抽水蓄能电站高压管道采用1 洞2 机的布置
方式,由高压主管、岔管和高压支管组成,除上平段
采用钢筋混凝土衬砌外,其余洞段均设置压力钢管。
每条高压主管立面上采用双斜井布置,设有上平段、
上斜井段、中平段、下斜井段和下平段。下平段后接
高压岔管,岔管采用对称“Y”形内加强月牙肋钢岔
管,岔管后为高压支管,高压支管斜向进入厂房,与
厂房轴线夹角为70°。
该抽蓄高压管道段地下水位较高,天然地下水
水头约为25 ~315 m。地下水主要以围岩裂隙渗水
为主,该工程高压管道设置2 套排水系统,即钢管贴
壁直接排水系统和高压管道排水廊道的间接排水系
统。贴壁排水系统是在钢管壁上沿洞轴线方向布置
排水角钢和环向槽钢,并通过槽钢下的排水钢管将
外水引至高压管道排水廊道,最终汇入地下厂房集
水井。间接排水系统是在立面上布置3 层水平排水
廊道,将高压主管“切割”为4 段,分别将高压管道
周围的围岩渗水收集到排水廊道中,从而降低外水
压力。
2　高压管道布置问题探讨
2. 1　排水廊道布置难点分析
受地形地质条件、施工场地和对内对外交通布
置的限制,该抽蓄电站地下厂房采用尾部式布置,高
压管道及地下厂房均离下水库较近;建筑物所处围
岩以硬质花岗岩为主,洞周围岩石在爆破开挖后易
产生裂隙,形成地下水渗流通道。因此,运行期地下
水位保持高位运行的可能性较大。这将使如何解决
好高压管道排水问题成为该工程高压管道布置的重
点和难点。
(1) 上层排水廊道
抽水蓄能电站一般会在高压管道中平段设置高
36 冯华. 某抽水蓄能电站高压管道设计问题探讨 ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■
万方数据
压管道的第1 层排水廊道(上层排水廊道),廊道中
渗水通过中平施工支洞排出洞外。该电站因为地形
条件限制,中平施工支洞为顺坡,即“内低外高”,无
法将洞内渗水排出,因此在上层排水廊道的末端设
置一直径1. 4 m 的排水竖井,将渗水引至高压管道
第2 层排水廊道(中层排水廊道)。排水竖井的高
度近150 m,对施工期定位以及运行期的竖井底部
防护都提出了较高要求。此外,由于竖井检修难度
较高,顶部须布置间距较密的钢格栅,防止杂物及岩
块进入竖井。
(2) 中层排水廊道
该电站利用地下厂房地勘洞做为第2 层排水廊
道(中层排水廊道),但受前期布置调整的影响,地
下厂房地勘洞洞口低于下水库正常蓄水位,施工后
期将对地勘洞进行封堵,因此无法将围岩渗水利用
地勘洞排出洞外。由于中层排水廊道距离第3 层排
水廊道(下层排水廊道)的垂直高度只有50 m,故采
用排水孔将上层排水廊道渗水引至下层排水廊道。
(3) 下层排水廊道
高压管道下层排水廊道与地下厂房上层排水洞
高程相近,通过一定坡度的水平排水洞将2 部分排
水系统连接。
整个高压管道的排水系统渗水最终通过地下厂
房的排水系统汇入地下厂房集水井,由此给地下厂
房的排水造成一定压力。该电站在自流排水洞的过
流能力设计中,通过详细的输水发电系统围岩渗流
计算,并充分考虑下水库蓄水后对整个渗流场的影
响作用,保证所有渗水在机组检修等不利工况下顺
利排出洞外。
2. 2　高压管道检修通道布置分析
由于高压管道管线长、高差大,该电站在高压管
道中平段利用中平施工支洞设置检修通道,检修通
道与1 号和2 号高压管道在平面上呈“干”字形布
置。如按照常规布置,检修2 号高压管道只需放空
2 号高压管道即可,但检修1 号高压管道时,2 号高
压管道必须同时放空,且2 号高压管道需设置2 个
检修进人门,对管道压力钢管稳定十分不利。为解
决问题,该电站将2 号高压管道与检修通道相接部
分的压力钢管设计成明管,明管和围岩之间留1. 2
m 的检修通道,需要检修1 号高压管道时,检修人员
只需利用2 号高压管道的检修通道,翻过2 号压力
钢管,即可进入1 号高压管道的检修通道,从而避免
了同时停机、放空高压管道的低效率检修方式。
此种布置的优势在于高压管道检修的灵活性,
但对压力钢管的设计提出了较高的要求。首先,该
电站高压管道的最大内水压力达到了8 MPa[1] ,中
平段的内压基本达到了4. 8 MPa,压力钢管按照明
管设计,需要使用800 MPa 级钢板;其次,由于2 号
高压管道留了检修通道,管道轴线方向两侧岩体受
到临空面以及爆破松动的影响,压力钢管不能再按
照钢管和围岩共同受力来设计,同时考虑到压力钢
管管节壁厚过渡的构造要求,受影响的压力钢管长
度接近60 m,增加了工程造价;最后,压力钢管明管
相比埋管而言,在安全性上有一定的差别,所以对钢
管的焊接施工以及外包混凝土裂缝控制设计方面提
出了较高的要求。
3　压力钢管设计问题探讨
3. 1　内水压力分级计算
抽水蓄能电站水头一般都比较高,在压力钢管
结构计算时,必须进行分级计算,分级原则控制在每
级100 m 左右,既要做到满足压力钢管管材种类不
易过多、管壁厚度不易频繁变化等要求,更重要的是
保证压力钢管结构安全。该电站两级斜井的高差基
本都在250 m 左右,结构设计按照每级斜井的中部
为计算分界线,中部以上按照分界线内水压力计算,
分界线以下按照斜井与平段相接部分的内压控制;
中平段按照中平末端内水压力计算;下平段按照最
大内水压力计算。这样,内水压力大致可以分为6
个等级。
3. 2　外水压力折减原则
该电站地下水位较高,高压管道3 层排水廊道
将高压管道“分成”4 级。上层排水廊道以上部分外
水压力按照常规电站计算原则取用即可,主要考虑
围岩完整性及裂隙发育程度,完整性越高、裂隙越不
发育,则折减系数越小。
上层排水廊道至中层排水廊道之间的高压管道
外水压力计算取值可分2 部分,上层排水廊道以上
部分外水压力从设置排水廊道目的的角度出发应该
不用再考虑,但从安全运行以及排水孔失效等因素
出发,可按照工程重要程度以及围岩裂隙发育程度
等情况综合确定一个“安全性”折减系数,该电站根
据电站自身情况,取用0. 3。排水廊道以下部位的
高压管道,虽然两侧有自排水廊道底板向下的排水
西北水电·2016 年·第6 期 37
■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■
万方数据
孔围绕,但由于是倒“U”形布置,且考虑到围岩渗水
收集不如排水廊道顶部向上的排水孔自流收集渗水
效果好,故自排水廊道向下至高压管道计算位置的
外水压力不考虑折减。
中层排水廊道和下层排水廊道之间的高压管
道,以及下层排水廊道以下的高压管道,均按照相同
的原则,即计算点以上最近一层排水廊道以上外水
压力按照一定“安全性”折减系数折减,排水廊道至
计算点之间的外水压力按照排水廊道和计算点间的
实际高度差计算,两部分外水压力相加即为最终高
压管道的外水压力。
3. 3　排水措施失效验算
虽然该电站为保证高压管道运行期不受外水压
力的影响,不但设置了3 层排水廊道,还沿压力钢管
外壁设置了排水角钢及排水钢管,可以说从工程设
计的角度出发,能够保证高压管道的安全运行;但
是,从抽水蓄能电站高压管道的重要程度、造价占比
高、检修难度高等方面考虑,中国抽水蓄能电站高压
管道外水压力设计目前形成了一个较为统一的原
则[2-4] ———“抗外压稳定安全系数大于1”原则,即
假定地下水位线抬升至地表,所有排水措施失效,高
压管道压力钢管的抗外压稳定安全系数大于等于
1。由于抽水蓄能电站内水压力较高,管壁厚度和选
用钢材的抗力限值也会随发电工况下水流方向变
厚、变大,与之对应的是外水压力也逐渐变大,但加
劲环之间的管壁抗外压安全系数却远远大于1,故
“抗外压稳定安全系数大于1”原则其实主要是针对
加劲环的。由于加劲环过密会影响回填混凝土浇筑
密实度,而加劲环的高度过高会影响焊接施工的操
作空间,因此加劲环的设计就成为决定是否满足
“抗外压稳定安全系数大于1”原则的关键。
3. 4　围岩弹性抗力系数选取方法
压力钢管地下埋管计算时,根据《水电站压力
钢管设计规范》[5] 的相关计算公式,需要选取围岩
弹性抗力系数作为计算参数,但在施工图设计阶段
以前,地质专业只能根据围岩类别提供一个范围,由
于围岩弹性抗力系数对钢管计算结果影响较大,如
何在这个范围内选取参数,则显得尤为重要。判断
围岩覆盖厚度和钢管内承压时,均会用到弹性抗力
系数,但两者的取法却是恰恰相反,判断围岩覆盖厚
度时要取弹性抗力系数最大可能值,判断钢管内承
压时,要取弹性抗力系数较小值。围岩抗力系数最
大可能值可选用提供范围的上限值,抗力系数越大,
作为判断地下埋管的围岩覆盖层厚度要求越高,对
于钢管的计算结果是偏安全的。
围岩抗力系数较小值的选用直接影响压力钢管
承担内水压力的比例,而地质专业给出的围岩类别
一般也是介于2 个类别之间(例如Ⅱ ~ Ⅲ围岩类),
而弹性抗力系数针对围岩类别也是一个范围,这就
对抗力系数的选取造成一定难度。为简化选取方
法,对于Ⅱ ~ Ⅲ类围岩,该电站取Ⅱ类围岩最大值、
Ⅲ类围岩最小值之和的0. 4 倍,稍低于中间值;对于
以Ⅲ类围岩为主,少量Ⅱ类围岩时,取Ⅲ类围岩的最
大、最小值之和的0. 4 倍,稍低于Ⅲ类围岩中间值,
不考虑Ⅱ类围岩影响;对于此Ⅱ类围岩为主,局部为
Ⅲ类围岩时,取Ⅲ类围岩的最大、最小值之和的0. 55
倍,稍高于Ⅲ类围岩的中间值,此种工况由于Ⅲ类围
岩占比不详,故可按照Ⅲ类围岩的中间偏高值取用。
3. 5　压力钢管管材选取方法
由于抽水蓄能电站水头高,则压力钢管钢材种
类一般会涉及到500、600 和800 MPa 级钢材[6-7] 。
压力钢管管材选取应遵循以下3 个原则。
(1) 在保证压力钢管管壁厚度满足设计要求的
同时,尽可能减少不同管壁厚度的种类。
(2) 在压力钢管设计中,可选用结构钢,也可以
选用压力容器钢,但对受力状况比较复杂、岩体承载
能力较差的情况,建议采用压力容器钢。
(3) 为降低钢管焊接难度,保证焊接质量,同时
尽量避免低合金钢焊后消应处理工艺,在钢管管材选
取上宜遵循以下原则:500 MPa 级低合金钢钢板厚度
不宜超过38 mm,如超过则需跳档至600 MPa 级高强
度调制钢;600 MPa 级高强度调制钢钢板厚度不宜超
过48 mm,如超过则需向上跳档一级,以此类推,但各
高强度调制钢钢板[8] 厚度不宜超过50 mm。
该电站在压力钢管管材选择上结合电站自身特
点,并遵循上述3 个选择原则,选用钢材如下:500
MPa 级钢板厚度在26 ~34 mm;600 MPa 级钢板厚度
在38 ~50 mm;800 MPa 级钢板厚度在54 ~60 mm。
3. 6　加劲环布置及选材方法
加劲环的布置可有效增加主管的抗外压能力,
加劲环的布置原则是尽量使加劲环的高度降低、间
距避免过密。抽水蓄能电站一般内水压力和外水压
38 冯华. 某抽水蓄能电站高压管道设计问题探讨 ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■
万方数据
力都较大,尤其是尾部式地下厂房,外水压力问题尤
其突出。抽水蓄能电站压力钢管(地下埋管情况)
的结构计算按照压力控制可分为2 种情况:外压控
制和内压控制。当为外压控制时,可通过调整主管
管壁厚度、加劲环间距、高度、壁厚等参数,找出合理
的参数,既能满足结构要求,又能节省钢材用量[9] ;
内压控制时,由于抽水蓄能电站内水压力大,由内水
压力计算所得的管壁较厚,管壁本身的抗外压能力
较强,因此抗外压计算一般就集中在加劲环自身的
抗外压稳定上。按照加劲环临界外压的计算公
式[1] 可知,管材的屈服强度与加劲环的3 个参数
(间距、高度、壁厚)共同影响计算结果[10-12] ,管材屈
服强度只是4 个指标中的一个,故加劲环的选材上
就有了一个原则,即选择与主管最低级别相同的管
材,如加劲环的参数无法满足要求时,可选择高一级
别的管材,以此类推。该电站绝大部分管段的加劲
环都选用的是500 MPa 级低合金钢钢板,只有外压
较大的一部分管段选用了600 MPa 级钢板。
3. 7　地下厂房地勘洞布置
地下厂房地勘洞作为探明地下洞群围岩状况的
重要建筑物,在完成前期勘探的重要使命后,运行期
应继续发挥其重要作用,真正做到“永临结合”。因
为地勘洞的位置特殊,距离地下厂房和高压管道的
距离都较为适中,可以将其用作两建筑物的重要辅
助洞室。该电站虽然无法利用其作为中层排水洞的
排水通道,但可将它用做中层排水洞的施工支洞,同
时担负起排风排烟洞运行期检修通道的重要职责。
因此,在前期枢纽布置中,地勘洞应按照等同永久建
筑物的地位参与到枢纽格局布置比选中。
3. 8　高压管道中层施工支洞布置
抽水蓄能电站水头较高,装机100 万kW 左右
的电站高压管道的立面高差基本在400 ~ 500 m 左
右,而目前无论竖井还是斜井的施工工艺,250 m 左
右的高度是比较成熟的,因此设置高压管道中平段
及中平段施工支洞就成为常规布置。如前所述,如
高压管道中层施工支洞布置成“内高外低”,则结合
上层排水廊道布置,可将围岩渗水直接排出洞外,从
而减轻其他排水廊道或地下厂房排水压力。这就要
求在枢纽布置方案比选时,深入研究施工支洞的布
置方案,选出最优方案。
3. 9　地下厂房位置选取
常规水电站地下厂房位置选取的2 个重要指标
是围岩地应力方向及围岩构造面的走向,但对于抽
水蓄能电站,则应同时考虑因下水库蓄水后库区地
下水位抬高的因素,因此,尾部式地下厂房的布置型
式给高压管道的布置带来了诸多“麻烦”,不但要充
分考虑外水压力对压力钢管稳定的影响,同时还得
兼顾各种辅助建筑物为降低压力管道外压而进行的
各种布置优化。因此,在条件等同甚至差距不是很
大的前提下,地下厂房布置型式应尽量选用首部式
或中部式布置型式。
4　结　语
鉴于高压管道在抽水蓄能电站枢纽建筑物中的
重要地位,尤其针对重要抽水蓄能电站、采用尾部式
地下厂房的抽水蓄能电站,笔者认为电站高压管道
应参照地下厂房永久洞室排水设计方法进行设计,
即高压管道系统布置排水孔并采用分部和集中引排
水的措施将围岩渗水收集、排出,以提高压力钢管管
壁抗外压安全系数。
参考文献:
[1]　刘君,张继成,刘立峰. 抽水蓄能电站调节保证设计的控制参
数取值分析[J]. 西北水电,2015(06):64-68.
[2]　张春生,姜忠见. 抽水蓄能电站设计[M]. 北京:中国电力出版
社,2012.
[3]　邱彬如,刘连希. 抽水蓄能电站工程技术[M]. 北京:中国电力
出版社,2008.
[4]　宋春华,黄立财,陈世玉. 惠州抽水蓄能电站高压岔支管防渗
及排水系统设计[J]. 广东水利水电,2008(07):24-26.
[5]　国家能源局. 水电站压力钢管设计规范:NB/ T 35056-2015
[S]. 北京:中国电力出版社,2016.
[6]　冯华. 浅析可可托海水电站扩机工程岔管设计过程中的问题
[J]. 西北水电,2012(05):38-41.
[7]　赵瑞存,徐跃明,杨志锋. 国产高强钢板在宝泉抽水蓄能电站
引水高压钢管中的应用[J]. 水力发电,2008(10):84-86.
[8]　周林,廖均. 国产800MPa 级超高强度调质钢工艺研究[J]. 水
电与抽水蓄能,2016(02):7-13.
[9]　吕东海,冯华,鹿宁. 最优化技术在加劲环式地下埋管抗外压
稳定设计中的应用[J]. 西北水电,2014(03):28-31.
[10]　赵文芳,张海英,李红旗. 洪屏抽水蓄能电站洞内压力钢管安
装方法研究[J]. 水力发电,2015(05):99-103.
[11]　万天明,马耀芳,徐绍波,等. 水利水电工程压力钢管制造安
装及验收规范:DL/ T5017-2007[S]. 北京:中国电力出版社,
2008.
[12]　李向东. 宜兴抽水蓄能电站上水库压力钢管制作与安装质量
[J]. 水利水电技术,2008(11):9-10.
西北水电·2016 年·第6 期 39
■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■

网友评论 more

电力安全论文最新内容

06-06