某小型水电站改造设计方案.docx

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某小型水电站改造设计方案

龙泉电站增容工程

1.基本概况

（1）工程地理

龙泉电站位于宜昌市远安县旧县镇龙泉村四组。

旧县镇地处远安县中西部，东与本县鸣凤镇、茅坪场镇接壤，南与花林寺镇毗邻，西与宜昌市夷陵区分乡镇接界，北与洋坪镇、荷花镇相连，交通便利,区位条件优越。

距县城15公里，是远安县中西部三个乡镇进城的主要通道。

2.增容的理由

龙泉电站装机容量仅为100KW，多年平均发电量不足15万度，运作十分困难，电站管理极为不经济。

小水电，作为一种清洁可再生能源，国家政府大力支持小水电建设。

为了充分利用现有水力资源，发挥电站综合效益，提高供电量，决定对电站进行全面改造，改造后电站具有灌溉、防洪、供水等综合功能，发挥水资源的多种效益。

新机组装机容量为350KW，年发电量达到100万度。

龙泉电站位于安旧县龙泉支线的中下段。

靠近集中用户区。

电站发电量的增加，有利于降低线路电压损失，确保电能质量；同时有利于减少线路电能损耗，更有效的减少电站供电损失，提高电能的利用率。

3.增容后需改建的水工建筑物

龙泉电站增容后，需改建的水工建筑物包括：

进水口建筑物，引水建筑物，压力管道，厂房。

1.进水口建筑物

1.1进水口建筑物级别

根据进水口功能和规模由《SL258-2003水利水电工程进水口设计规范》确定本工程进水口建筑物级别取:

主要建筑物为五级,次要建筑物为五级.

1.2洪水标准

进水口洪水标准根据《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准SL252-2000》,按其建筑物级别采用50年一遇,设计校核洪水位按100年一遇.

1.3安全超高标准

闸门、启闭机和电气设备工作平台对挡水位的安全超高标准对于独立布置进水口建筑物级别与特征挡水位按表1-1采用:

进水口工作平台安全超高标准（cm）

故取安全超高标准为35cm.

压力管设计

1.压力管直径的选择：

1.1设计流量Q设

电站扩容后其装机为350Kw,由电站出力公式:

设

_______水轮机以及水道的效率;

_______发电机的效率;

H_______水头（m）;

N_______发电机出力（Kw）;

Q设-______设计流量（m3/s）；

取

为7.5,H取38.2m。

计算得Q设=1.22m3/s。

1.2压力管道内径

采用经济直径公式，即彭德舒公式：

Q3max——钢管的最大设计流量，取1.22m3/s。

H——设计水头，取38.2m。

K——约在5~12之间，取5.2。

计算得D=819mm。

若拟定v设=3.2m/s,则管径为D=800mm。

经动能经济比较确定，其管径取D=800mm，故v设=2.42m/s满足设计要求。

1.3压力管道供水方式

压力管设计为月牙肋卜型岔管，采用两机一管的联合供水方式（如下图）。

选择理由：

在相同水头损失下，造价比较低，机组较少时单机流量比较小。

1.4钢管管壁厚度（

）

钢管管壁厚度的确定由公式：

考虑锈蚀、磨损及钢板厚度的误差，管壁厚度取

=8mm。

1.5压力管道材料的选择

要求钢材有良好的机械力学性能和工艺性能，在符合设计规范和相应的国家标准的前提下要求其造价最省。

我国在水电站钢管方面已经广泛而成熟地使用的国产钢种是普通碳素A3（屈服强度

=235N/mm2）。

2.压力钢管及镇墩稳定、应力计算

2.1钢管抗外压稳定计算

钢管抗外压稳定安全系数计算式为:

式中:

K——抗外压稳定安全系数，要求K≥2；

Pcr——光面管管壁的临界外压，N/mm2；

E——钢材的弹性模量，2.06×105N/mm2；

——钢管壁厚，取8mm；

Do——钢管内径，0.8m;

——钢管内外允许气压差，N/mm2，不得大于0.1N/mm2,如通气孔能保证不被污物或冰块堵塞,管内、外气压差值可采用计算值,但不小于0.05N/mm2；

K1——安全系数,取2.8;

Q1——通气孔的进风量,近似取钢管内的流量,1.22m3/s;

C1——通气孔流量系数，无通气阀，取为0.7;

F1——通气孔面积，0.49m2;

如取管壁厚度为8mm,可计算得K=5.8,满足要求,故主管管壁最小厚度为8mm。

2.2钢管和岔管管壁厚度计算

1）钢管管壁厚度计算

根据内水压力按下式确定管壁厚度:

式中：

——管壁厚度（含锈蚀裕度），mm；

H——水头；

D0——钢管内径，0.80m;

——焊缝系数，取0.95（双面对接焊）;

——许用应力，由于只考虑内水压力，取Q235容许应力的70%，即

=101.5（N/mm2）。

计算得壁厚为4.88mm满足设计要求。

由此可知道，各管段壁厚取8mm均满足求。

2）岔管管壁厚度计算

岔管计算壁厚按下列两式中的较大值采用：

（膜应力区）

或

（局部应力区）

式中：

P——内水压力，0.38N/mm2；

——该节钢管半锥角；

R——该节钢管最大内半径；

——焊缝系数，0.95;

K1、K2均按最大值取,分别为1.1、2.0;

——膜应力区容许应力，取0.5

=72.5N/mm2；

——局部应力区容许应力，取0.8

=116N/mm2；

——计算壁厚（mm）；

管段

明管段

岔管段

支管段

计算壁厚（mm）

4.89

4.67

4.82

取用壁厚（mm）

8

4

6

长度（m）

注：

比实际长度略大

70

5

10

计算得各段壁厚，见表

3）镇墩稳定、应力计算

作用在镇墩上的力除自重外,分为沿管轴方向的轴向力和垂直管轴的法向力.轴向力包括:

钢管自重分力A1,弯管上的内水压力A2,伸缩节端部的内水压力A3,温度变化时支座对钢管的摩擦力A4,弯管中水的离心力A5等,所有轴向力的作用点均为镇墩上、下游侧钢管轴线的交点。

法向力包括:

镇墩所分担的附近管段的自重分力G1和管段内的，水重分力G2。

抗滑稳定安全系数计算公式：

式中：

K——抗滑安全，要求K≥1.5~2;

F——镇墩砼与基岩间摩擦系数,f=0.48;

W——镇墩自重,KN;

——轴向力和法向力的竖值分力之合，向下为正，KN；

——轴向力和法向力的水平分力之合，向下游侧为正，KN；

基底应力计算公式：

式中：

——基底最大应力，Kpa，要求

≤

（地基承载力）；

——基底最小应力，Kpa，要求

≥0（即为压应力）；

L——镇墩底部长度，m；

B——镇墩底部宽度，m；

E0——偏心距，m；

Ⅰ、正常运行情况（基本荷载组合）

Ⅱ、水锤情况（导叶同时关闭，基本荷载组合）

Ⅲ、管道放空情况（基本荷载组合）

Ⅳ、水压试验情况（特殊荷载组合）

1#镇墩底面尺寸为3.0*2.4m2,计算如下表:

1#镇墩稳定应力计算成果表

工况

∑X

∑Y

G

f

K

温升

39.0

56.0

333.9

0.48

4.9

温降

35.5

58.2

333.9

0.48

5.4

1#镇墩地基应力计算成果表

工况

∑Y

G

W

温升

56

333.9

5.0

219.6

-90.7

温降

58.2

333.9

5.0

143.3

-9.1

2.3压力钢管内水压力计算

一、初拟压力钢管内径

已知Q设=1.22m3/s，取V经为2.42m/s,取D=800mm作为试算内径。

二、水损计算

1）进口水头损失

=0.026m

式中：

取0.05

2）1#镇墩弯管末端至前池钢管起点：

①用均匀流摩阻公式已经曼宁公式计算沿程水头损失:

②用下式计算进口、弯头、收缩段等水头损失;

水头损失计算:

L1=70m,C=81.9,计算得hf1=0.611m;hj1=0.21;

式中：

ζ11#弯管水损系数为0.1

         Ζ2平板门槽水损系数为0.4

     Ζ3前池弯管水损系数0.1

即：

hw1=hf1+hj1=0.821m

1#镇墩弯管末端至岔管轴线交点段：

L2=5m,C=81.9计算得

hf2=0.04m

hj2=（ζ1+ζ2）=0.444m

式中：

ζ1岔管局部水损系数为0.75;

     ζ2弯管局部水损系数为0.1;

     Hw2=hf2+hj2=0.484m

岔管轴线交点中心O点至支管1段

L3=10m D=520 mmC=61.9

V=4.1m/s

hf3=0.22m

hj3==0.024m

m

工作净水头H净=式中ζ=0.072

hw3=hf3+hj3=0.244m

支管末端至闸阀末端段

L4=10m D=400mm V2=2.79m/s   C=59.2

hf4==0.235m

hj4=0.2m

hw4=hf4+hj4=0.43538.2—1.984=36.19m

3、水击压力计算

   取4mm计算厚度,再考虑锈蚀等原因,各管段壁厚取值如下:

Ⅰ# δ=8mm  D=0.8m V=3.2m/s

      L1=70m

Ⅱ# δ=8mm  D=0.52m V=4.1m/s

            L2=10m

  Ⅲ# δ=4mm  D=0.4m V=2.79m/s

            L3=10m

      1）判别水击类型

取 Ts=5s  α0取1435m/s

a1==1070m/s

a2==1200m/s

a3==1250m/s

 ②  =1088.42m/s

=3.25m/s

ρ=1.18

Q=0.0897

水击波的相tΥ=

=0.125

TΥ

导叶由全开到全关时

I始=1 pI始=1.247 σ=0.0956

查图表知，将产生末项正水击

I始=0.5 pI始=1.345×0.5=0.6725 

即查表知，发生第一相水击

3正水击压力升高值

Z间末=

=0.101

闸阀未端水击压力升高值

Δh1闸末=Z间末H0=0.101×38.2=3.8582m

H01=38.2+12.516=42.0582m

本计算只对钢管作结构计算，在进行压力钢管、线路布置时已满足规范规定管线高于最低压力线的要求，故不需作负水击值计算。

通过计算分析，电站明钢管结构是符合稳定要求的。

1．对于无压引水式高水头小型水电站，工作水头大于150米的明钢管，导叶由全开到全关时发生第一相水击；工作水头大于150米的明钢管，导叶由全开到全关时将产生末相正水击。

2．对于山区小型水电站，根据实际设计工作经验，《水工设计手册》压力钢管内径拟定公式仅实用于单机组情况，对于供多机组的压力钢管按《水工设计手册》公式拟定内径，实践证明其计算值一般都有点偏小。

3．在进行压力钢管、线路布置时已满足规范规定管线高于最低压力线的要求的，不需作负水击值计算。

4．《水工设计手册》压力钢管公式计算D<1.3m不需设置刚性环,但从我县多个电站建设实践来看，山区小型水电站明钢管D<1.0m不需设置刚性环,D≥1.0时处于安全考虑一般应设置刚性环。