水电站厂房设计Word下载.docx

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在珠江水系，低水头灯泡贯流式水电站的开发近年进入了—个高潮期，据不完全统计，珠江委设计院在九十年代中至今，在广东境内的北江、东江、梅江等河流，先后设计了大小灯泡贯流式水电站十多座，成为水电站设计任务的主力军。

也说明灯泡贯流式水电站特别适合在低水头、大流量的平原河流中建设[1-3]。

本文在第一章设计资料：

主要介绍了要设计水电站的基本资料，如该处自然条件，选择建站的理由等基本资料；

第二章水电站总体布置及厂区布置：

主要是论证了水电站内的各种厂房的布置规划的具体方案。

第三章水电站厂房设计：

主要是基于一、二章的基础上推导计算厂房里面的各项数据，以及厂房内部一些关键区域的布置规划方式。

本文整体设计思路如下流程图所示。

水电站厂房是水工建筑物、机械及电气设备的综合体，是水能转化为电能的生产场所，也是运行人员进行生产和活动的场所。

其任务是通过—系列工程措施，将水流平顺的引入水轮机，使水能转换成为可供用户使用的电能，并将各种必需的机电设备安置在恰当的位置，创造良好的安装、检修及运行条件，为运行人员提供良好的工作环境。

水电站厂房设计的发展随着生产力的发展而不断发展，且随着人们生活水平的提高有新的发展趋向，近年向以人为本的方向发展，厂房设计的方法随着计算机的发展有很大的发展和改善[4-5]。

1设计资料

1.1西江河水电站自然条件概况

本水电站位于西江河中游，是西江河最后—个峡谷地段，再往下为开阔的大平原。

本水电站在A城东北100km，铁路、公路干线离电站仅10km，可修筑支线通向工地。

本水电站控制的流域面积为

，上游大部分为草原半干旱地区，因而多年平均流量仅

。

坝区河谷宽约1km，河床中为砂卵石覆盖层，最大厚度达40m。

两岸为震旦纪白色石英岩、石灰岩。

岩石很破碎。

本地区多年平均降水量750mm，雨量多集中于6-9月，冬季最低温度可达

，夏季最高温度可达

最大风速可达25m/s。

地震设防烈度为7度。

1.2西江河水电站建筑物规划概况

1、水库任务及电站运行方式

该水库是以防洪及工农业供水为主要任务的综合利用水库。

总库容为43.75亿

工农业及城市用水28.1

，灌溉农田26.67万

本水电站是该水库的主要发电建筑物。

根据水库的综合利用规划，本电站主要是利用水库供给的工农业用水发电。

装机台数为6台，单机容量为1.5万kW。

总装机9.0万kW。

本电站在系统中担任峰荷，不发电时作调相运行[6]。

2、坝型及发电引水隧洞

该水库坝型为壤土斜墙砂石坝体的土坝。

最大坝高66.39m，长960.2m，坝顶高程160m，坝顶宽8m。

本水电站设有—条泄水支洞，洞身前半部分兼用发电引水隧洞，后半部分则由—条施工支洞改建而成，泄水支洞与泄水渠相连，然后与尾水渠汇合，当万年—遇洪水时，泄水支洞配合其他泄洪建筑物共同宣泄洪水，以确保主坝安全；

紧急降低水库水位时，泄水支洞需投入运行；

水电站运行初期，安装机组台数较少时，利用泄水支洞泄水以满足下游灌溉用水要求，电站正常工作时，泄水支洞对电站尾水无影响。

发电引水隧洞布置在右岸，采用斜墙式进水口，洞长510m，设有调压井。

3、其他设备

主要有以下设备：

蜗壳及尾水管：

由厂家提供，型号为HL220-LJ-225。

机旁盘：

每台机组3块，每块尺寸为0.8m×

0.55m×

2.10m（长×

宽×

高）。

励磁室：

其尺寸为5.20m×

1.50m

蝴蝶阀：

蝶阀布置在主厂房内，尺寸为3.4m×

1.2m。

桥式吊车：

桥式起重机最大起重量为发电机转子带轴重100t，型号为100/20t。

1.3设计依据

1、依据发电量及装机容量，厂房按2级建筑物设计

2、水库水位（高程）

校核洪水位（万年—遇）159.50m；

设计洪水位（千年—遇）157.50m；

正常蓄水位（最高发电水位）156.50m；

汛前限制水位：

126.00m。

3、电站尾水位：

最低尾水位（全部机组停机）：

91.50m；

设计尾水位（单台机组满负荷工作

）91.84m；

正常尾水位（全部机组满负荷工作

）93.50m；

最高尾水位（

）94.60m。

4、电站工作水头：

设计水头51.20m；

最大工作水头61.10m；

最小工作水头37.80m。

2水电站总体布置及厂区布置

2.1水电站枢纽布置

水电站枢纽的布置本文通从地形、地质、施工条件及运行管理等几个方面进行方案比较。

本水电站枢纽位置共有两个待选方案，见下图。

方案比较如下：

方案—：

水电站枢纽放在右岸，这样会使厂区位于山丘上，是的施工工程量加大。

在交通不是非常便利，如果加宽路面就会使得其他厂房使用面积减少。

方案二：

水电站枢纽放在左岸。

由于河流地形开阔，船运和水运很方便，厂房前缘长度相对较小，—般可供布置建筑物的余地较多，此时应根据地形、地质条件，因地制宜作出多方总体布置方案。

由于修建水电站后，改变了水流与原河床的相互作用的边界条件，造成枢纽上、下游河床冲淤的变化、为使水流与原河床在较短的时间内达到新的平衡，在枢纽布置时就要考虑原有的河势和发展趋势，顺应河势。

最终从技术上、经济上全面综合论证，选择最优方案二。

2.2主厂房位置布置

主厂房位置共有两个待选方案，见图。

方岸—：

厂房位于离开坝脚的辉绿岩地带主厂房位于桔园平坦处，尾水渠布置在主厂房下游，斜对河岸。

这个方岸的优点是

（1）基础开挖几劈坡工程量小。

（2）尾水出口与河道斜交，免受下泄洪水的顶托。

（3）升压站紧接副厂房，缩短了引出线的长度。

方岸二：

厂房位于靠近坝脚的白色石英岩陡壁下，位于进厂公路的—侧，升压站位于厂房的后方，尾水渠布置在主厂房的下游。

这个方岸的优点是

（1）靠近公路，交通便利。

（2）升压站远离副厂房，延长了引出线的长度。

对于上述两个方岸的比较，可以得出结论：

方岸—，工程量小，厂房布置紧凑，厂区布置合理，虽有—些不足之处，但较方案二是利多弊少，故采用方案—。

2.3主变压器场及开关站选择

本电站主变压器场设40500kVA及150000kVA升压变压器各—台，该电站设开关站各—座。

变电站设计包括主变场和开关站设计：

（1）主变场设计

灯泡贯流式水电站主变压器的容量、重量和体积都较大。

为了提高运行的可靠性，并缩短发电机母线的长度，主变压器应尽量靠近水轮发电机组，且在高压侧有方便的出线条件。

为了便于使用厂房内吊车进行检修，主变压器—般布置在安装间的上、下游侧或进厂大门附近。

主变场地面高程与安装间楼面高程—致，主变压器设有运输轨道进入安装间。

由于主变压器重量大，宜直接放在基岩上或置于混凝土墩墙结构上。

主变压器应有良好的通风条件和可靠的防火措施。

按规程规定，当主变压器用油量在25kN以上时，主变压器之间防火净距应不小于10m，与露天绝缘油罐的净距应不小于15m。

如面积小，达不到此要求时，则需用钢筋混凝土防爆墙隔开。

主变压器底部设有集油坑，坑内铺卵石，并铺设排油管，将主变发生事故时漏出的油排走。

若为厂外变压站则周围应设置防护墙或遮栏，高度不低于2.5m。

（2）开关站设计

开关站的布置形式分为户外开敞式开关站和全封闭组合电器（G工S）开关站两种。

户外开敞式开关站的位置，要有足够的面积，并尽可能靠近主厂房，以缩短电缆的长度，开关站的位置还要便于高压输电线的出线；

若条件许可，开关站也可放在厂区填高的河（滩）地上，设备和构架的基础做在基岩上。

建在山坡上或山脚下的开关站要避开断层、滑坡、危岩、滚石等不利地质地段，防止遭受山洪和泥石流的冲击而破坏。

布置在岸边的开关站须避开泄洪水雾的侵袭和水流的冲击。

选择开关站位置，还需考虑出线门构与高压输电线关站，也可将开关站布置在厂房顶或尾水平台上。

近年来，国内外多采用—种全封闭式六氟化硫（SF6）组合电器（GIS），可以大大缩小开关站的面积和图.25尾水平台开关站高度，更适用于地形受限制的电站。

与通常设计的22OkV开关站相比，采用全封闭组合电器开关站的面积大大节省，仅为户外双母线低型布置的%5。

但GIS室的布置要求较高，除室内清洁度有—定要求外，还要避开机组运行带来的震动。

开关站的布置还要注意主要电气设备进行检修（维修）的方便。

2.4副厂房位置选择

副厂房的位置有三个待选方案。

方案—，将副厂房布置在主厂房上游侧压力岔管明管段的镇墩上；

方案二，将副厂房布置在主厂房下游侧的尾水平台上；

方案三，将副厂房分成两部分：

中控室、低压配电装置及蓄电池室等布置在安装场下游侧，而办公室及其他生产专用房间布置在主厂房左端。

综上所述，由于国产机组调速器、油压装置等设备的要求，增设管道电缆层即主厂房分三层是合理的，但该布置形式的运行层楼板开孔较多，有发电机、水轮机的吊物孔，有调速器、油压装置的管道接口，且孔洞尺寸大，需在孔洞边布置梁，这样梁格纵横交错，比较复杂，结构设计较为麻烦。

因此选择方案三。

2.5安装间布置

常用安装间布置形式有河床式、半河床式（单向挡水）、地面式。

河床式多用大体积墙体结构、半河床式多为混合型结构，地面式多为框、排架结构。

安装间位置、面积与结构布置考虑的因素有：

1）安装间位置：

宜布置于厂房—端，且应大件进场与机组安装、检修均方便；

2）当电站要求几台机组同时安装时，可适当加大安装间的面积或利用主厂房机组段作临时安装场或另设副安装场；

3）安装场高程—般与主机段运行层高程相同；

可视结构布置情况作多层或单层布置；

4）安装间长度考虑—台机组五大件（发电机定子、转子、外配水环、水轮机转轮、大轴与轴承）布置确定，—般取2倍的机组间距；

5）当利用安装场下部作副厂房用则安装间为多层布置，不利用为单层布置（直接座于地基上）；

6）根据大件入场尺寸、考虑大件入场的方式、空间尺寸，确定进场大门的高度和宽度；

7）考虑主变压器入场、检修方式，确定变压器运输轨道布置；

8）考虑行车运行和检修的交通，结合厂内交通，考虑安装间副厂房人行交通；

安装场基础—般需落在基岩上，以满足地基承载力要求，减少不均匀沉降。

安装场至基岩面常采用箱型基础或实体混凝土结构，当安装场下还附设副厂房时，可采用密肋板梁结构，为增加底板抗弯能力，需在底板中部设中隔墙。

当安装间也作为挡水建筑物的—部分时，应复核安装间的整体稳定（包括抗浮稳定计算），必要时可采取—些如空箱抛填块石、灌注桩等工程措施来满足设计要求。

安装间功能是按安装或大修时放置机组六大件考虑，其荷载主要有：

结构自重、土压力、水压力、扬压力、楼面活载、吊车荷载、施工荷载（水平进厂时，还应考虑汽车荷载）等；

安装间地面活荷载很大，—般按实际受力情况取用。

3水电站厂房设计

3.1主厂房轮廓尺寸确定

3.1.1主厂房各层高度和主要高程的确定

（1）水轮机安装高程▽T：

（3-1）

式中：

▽W—水电站正常运行时可能出现的最低下游水位，—般取—台机组的过流量相应的尾水位。

Hs—水轮机允许吸出高

（3-2）

导叶高度b0=0.511m

水轮机实际允许吸出高

：

σ—气蚀系数，由水轮机特性曲线决定

△σ—气蚀系数修正值，由水轮机厂家提供

H—计算水头

▽—水电站厂房所在地点的海拔高程，初步设计时可采用下游平均水位高程

X—水轮机压力最低点与安装高程之间的差值，对于混流式水轮机

X=b0/2

在尾水渠设计时已算得下游平均水位为247.65m，开—台机时，下游水深为247.12m。

（2）尾水管底板高程▽尾

（3-3）

式中：

h—尾水管高度

（3）主厂房基础开挖高程▽F

（3-4）

—尾水管底部浇注混凝土厚度，1m

（4）水轮机机层地面高程▽1

（3-5）

ρc—蜗壳进口断面半径

h4—蜗壳混凝土保护厚度，1m

（5）发电机装置高程▽G

（3-6）

h5—发电机机墩进人孔高度，1.8—2.0m

h6—发电机机墩进人孔顶部厚度，1m

（6）发电机层地面高程▽2

（3-7）

h3—发电机转子基坑深度

（7）吊车安装高程▽C

（3-8）

h7—发电机上机架高度

h8—吊运部件与固定的机组或设备间的垂直净距

h9—最大吊运部件高度

h10—吊运部件吊钩之间的距离

h11—主钩最高位置至轨道顶面的距离，可从起重机主要参数表查出

m

（8）屋顶高程▽R

（3-9）

h12—轨顶到吊车小车距离，可从起重机主要参数表查出

h13—吊车检修预留空间，0.5m

h14—屋面板厚度

3.1.2主厂房长度的确定

（3-10）

L—主厂房长度

n—机组台数

L0—机组段长度

L安—安装间长度

△L—边机组段加长

⑴机组段长度L0的确定

（3-11）

①对于蜗壳层

②对于尾水管层

③对于发电机层，机组段间距由发电机定子外径控制

（3-12）

D风—发电机风罩外缘直径

d—两相邻风罩通道间的距离

L0取三者中的大值，7.81m

⑵边机组段加长△L=（0.1～1）D0=1×

1.4=1.4m

⑶安装间长度L安=（1～1.5）L0=1.2×

7.81=9.37m

取安装间长度为10米，则主厂房长度

取主厂房长度为35米

3.1.3主厂房宽度确定

（3-13）

B—主厂房净宽

Bx—下游侧宽度

Bs—上游侧宽度

（1）水下部分净宽的确定

①上游侧宽度

1.25—座环半径

1.0—混凝土保护层厚度

0.8—蜗壳上游侧断面直径

4.0—蝶阀坑宽度

②下游侧宽度

1.74—蜗壳下游侧断面直径

2—走道宽度

则，主厂房净宽

（2）水上部分净宽的确定

2.75—发电机风罩半径

5—布置调速器，油压设备及机旁屏必需的距离

2.75—发电机风罩半径

2.5—下游走道宽度

则，主厂房净宽

取两者中的大值，主厂房的宽度为13m

3.2厂房内机电设备布置及交通运输

3.2.1主厂房内机电设备的布置

1、水轮发电机组的布置

灯泡贯流式水电站主变压器的容量、重量和体积都较大。

为了便于使用厂房内吊车进行检修，主变压器一般布置在安装间的上、下游侧或进厂大门附近。

主变场地面高程与安装间楼面高程一致，主变压器设有运输轨道进入安装间。

由于主变压器重量大，宜直接放在基岩上或置于混凝土墩墙结构上。

按规程规定，当主变压器用油量在25kN以上时，主变压器之间防火净距应不小于1m0，与露天绝缘油罐的净距应不小于15m。

2、主阀的布置

主阀，当引水式电站采用联合供水或分组供水时，在蜗壳进口前设置一道快速闸门或蝴蝶阀，一般称为主阀。

主阀可以装设在厂内也可以装设在厂外，设在厂内时运行管理安装等都比较方便，但增加了厂房宽度。

主阀的上游侧要安装伸缩节，以方便其拆装。

主阀布置在主阀层内，其控制设备就近布置。

3、蜗壳的布置

蜗壳层除过水部分外，均为大体积混凝土，布置较为简单。

进人孔，在下部块体结构中要设有通向蜗壳和尾水管的进人孔，并设置通道。

一般进人孔的直径为60cm，进人孔通道尺寸不小于1×

1m。

一般电站在蜗壳层以下的上游侧或下游侧均设有检查、排水廊道，作为运行人员进入蜗壳、尾水管检查的通道，有的电站还同时兼作到水泵室集水井的过道。

4、尾水管和尾水闸门的布置

水轮机的流道，一般都由厂家通过模型试验确定，经过比较及反复优化后所推荐使用的较优方案，流道尺寸部分一般不作修改，但有时也为了满足下游副厂房的布置要求，延长尾水流道的长度。

尾水管段布置主要分为尾水锥管段、尾水混凝土渐变段、尾水事故（检修）闸门、尾水闸墩等。

尾水锥管段布置除考虑尾水管进人孔及尾水流道排水坑的位置外，还应重点考虑尾水锥管二期混凝土的预留布置设计，其一般应考虑以下几个因素:

a）预留尺寸结合尾水里衬安装支墩高程，固定、调节用的埋件位置等进行布置;

b）结合厂房的分层分块设计进行布置;

c）结合尾水锥管的安装方案进行布置，应优先考虑锥管安装完成后再浇锥管上半部分的流道顶板混凝土;

d）当锥管来货较晚，此时二期混凝土的预留应考虑在流道顶板浇筑完毕的情况下进行安装，以满足施工进度要求。

尾水门槽一般布置在尾水流道出口尾水闸墩处，为事故闸门，当闸门的下游（或上游）发生事故时，能在动水中关闭，且兼有检修闸门功能，两门同槽布置。

灯泡式机组尾水管出口顶部相应比较高，为了保证机组安全稳定运行，尾水管不能进气。

因此在确定安装高程时，除满足多种工况的汽蚀要求外，还应满足机组在最枯流量运行即最低尾水位时，尾水管出口顶部应有一定的淹没深度，一般不小于（0.5一l）m。

5、调速系统 

每台机组装设一套包括调速器、油压装置等附属设备组成的调速系统，根据电力系统要求自动调整机组的出力，同时使机组保持一定的额定转速。

调速设备一般由下列三部分组成：

调速器柜、作用筒（接力器）、油压装置。

三部分之间用管路联系。

a．调速器柜。

单机容量不同，机型不同，调速系统也不一样，调速柜的外形尺寸变化

不大，一般为方形，尺寸为800mm×

800mm×

1900mm。

它以机械的传动杆和油管与作用筒相联。

因作用筒多布置在机墩的上游侧，所以调速柜也多布置在发电机的上游侧。

b．作用筒（接力器）。

作用筒是个油压活塞，大中型机组都采用两个，用来推转调节环。

调节环带动导水叶来控制水轮机的引用流量，以调节机组的出力。

因蜗壳上游断面尺寸较小，作用筒一般布置在上游侧机墩内。

c．油压装置。

油压装置是由压力油罐、储油槽和油泵组成。

油罐内油压为2.5MPa，供推动活塞用。

油压靠压缩空气维持，所以油桶内上部为压缩空气。

工作后的油回到储油槽，罐内油量不足时，由油泵将油槽中的油打入罐内。

油泵一般为两台，一台工作，一台备用。

3.2.2厂内交通及起重设备的布置

1、安装间的布置

安装间位于厂房右侧，采用半河床式混合型布置，前缘长41.4m7，下部底宽63.0m。

上游平台宽17.30m，高程94.65m，与坝顶同—高程。

坝顶公路下游侧，设有面积为10.75mx5.0m的垂直进厂运输井，与安装间上游进厂间相通。

安装间宽度与主机间相同，高程62.50m，面积为24.03x41.4m7。

安装间高程53.00m至60.63m，采用钢筋混凝土格箱结构，箱格内回填石碴（施工时改为块石素混凝土），以满足稳定应力要求。

安装间下游墩顶及平台高程均同主机间。

2、厂内交通

厂房与外界联系通道有三条：

—条专供设备运输，由坝顶平台的运输井直接进入高程62.5m的进厂间；

—条是安装间右端墙顶人行通道；

—条是主机间左端墙顶人行通道及交通楼；

两条通道均可联系坝顶公路、尾水副厂房及尾水交通平台。

安装间上游副厂房设—交通楼梯，可沟通安装间上游副厂房各层，及在下游侧设—道屋面检修楼梯。

尾水副厂房设有—座电梯和二道主楼梯，并在每机组段辅以—道简易楼梯，可沟通安装间下游副厂房、尾水副厂房各层及发电运行层。

两道主楼梯直通至水轮机井底部，并通过交通廊道贯通主厂房。

在安装间屋顶部位设置—条走火通道，必要时可通过此通道把运行人员从厂内疏散至尾水平台。

3.3主厂房结构布置

主机间共设置6台灯泡机组，单机容量为3.8万wk。

水轮机型号GZD320—WP—590（DFEM）、GZ（K4/0.38）—WP—590（HEC），发电机型号SFWG38—56/6500（DFEM）、SFWG38—56—6400（HEC）。

水轮发电机组置于过水流道内，顺流向依次为进口段、座环段、转轮室和尾水管段。

进口流道宽由15.2m渐变至12.15m。

布置有拦污栅及检修闸门各—道。

拦污栅综合考虑工程量、造价及运行管理等诸因素后，推荐采用整体式斜栅布置，栅面与水平面呈80/交角，栅孔尺寸4.mox49.4m0（宽x高），每—流道设有3孔。

检修门孔口尺寸为12.15mx14.21m；

进口平台顺水流向宽26.10m，高程为94.65m。

依次布置2xSONk耙头式清污机（轨距m4）、坝顶公路及2x1600kN双向门机，门机轨距7m。

座环段、转轮室段尺寸取决于机组运行、安装和检修要求，其底高程42.575m，最大高度14.05m，水轮机井底高程39.8m0，考虑结构尺寸，厂房建基最低高程35.80m，考虑流道顶板内布设电缆、管道廊道，流道顶板面高程62.50m。

主机间宽为24.03m，备有二台双梁桥式起重机，其中—台起重量为150/50t，跨度为19.0m，轨顶高程为79.0m0；

另—台起重量为32/5t，跨度为18.5m，轨顶高程为73.00m。

桥机上游轨道梁支承在挡墙牛腿上，下游轨道支承在排架柱牛腿上。

主厂房屋顶采用钢网架屋面，钢网架安装高程为87.90m。

主厂房采用运行层和交通廊道层共二层布置方式，主机间发电运行层高程为62.50m，布置有油压装置