引水式水电站设计实例.docx
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引水式水电站设计实例
7.2引水式水电站设计实例
7.2.1基本资料
B江水力资源丰富，根据流域梯级开发规划，拟建引水式（混合式）开发水电站。
7.2.1.1自然地理与水文气候特性
（1）流域概况
B江河流系山区河流，流域内高山群立，山势陡峭，地形起伏较大。
沿河支流众多，支流入口处，地势较为开阔，出现山间盆地。
干流全长430余km，河流坡降约为1/1000；流域面积15000km2。
流域形状近于椭圆，南北长160km，东西宽约170km。
两岸山坡上一般多生杂草和丛林，植被较好。
本电站位于B江下游，本点站以上集水面积12960km2，其上游约86km和37km处各有一水电站C、D，其集水面积坝址以上分别为10375km2与12506km2。
（2）气象条件
B江属于山区河流，地形对气候的作用比较明显。
天气寒冷干燥，为期漫长，全流域一月份平均温度均在-10℃以下，全年有4~5个月气温在零度以下，夏季炎热而短促。
电站附近的多年平均气温为5.4℃，月平均最低气温-32.1℃（12月份），最高37.5℃（7月份），极端最高气温可达39.5℃。
年差很大。
B江降雨量较大，降雨集中在夏季，各地6~8月降雨量占全年的60%左右，尤以7、8两月为最多，最多月雨量与最小月雨量之比达30倍之多。
电站处水文站年平均降雨量为1089.6mm。
电站处多年平均蒸发量为1095.9mm，其中5月最大，月蒸发量为214.7mm，1月为最小，月蒸发量为13.6mm。
电站附近1958年实测最大风速为16m/s，风向东南。
（3）水文资料
电站水库年径流系用三个位于上游的干流、支流水文站径流资料，按面积比推求而得（表略）。
各站年径流有关参数见表7-1。
B江洪水主要由急剧而强烈的暴雨形成，暴雨多集中在三天，其中强度最大的暴雨又多集中在一天之内。
历史洪水的调查曾进行过五次，调查河段较长，对洪水分析提供了可靠的历史资料。
表7-1主要站年径流参数表（m3/s）
站名
多年平均流量
CV
CS/CV
设计值P%
5
10
50
90
100
C（上游梯级）
144
0.32
2
227
205
139
89
78
D上游梯级）
178
0.32
2
280
254
172
110
97
E（本电站处）
187
0.32
2
295
266
181
116
101
F（本电站下游）
224
0.32
2
353
319
216
138
121
由于上游梯级电站C为年调节电站，库容较大，对洪水有一定的调蓄控制作用，故区间洪水对下游梯级起主要作用。
电站设计洪水地区组成曾用典型年法和频率组合法推求组合洪水进行比较，两种方法计算成果相近，故采用典型年法成果。
按典型年分配，同倍比放大各控制点设计洪水过程线。
本电站水库入库洪水系将上游梯级C的入库洪水，经调节后，加C~D区间洪水而得到梯级D的入库洪水，再经D水库调节后，加D~B区间洪水而得本电站B的入库洪水。
7.2.1.2工程地质条件
水库区两岸山体高峻，高程为360~700m，分水岭厚度均在0.8km以上。
库区岩石为侏罗纪火山碎屑岩类和震旦纪变质岩和混合质变质岩，地下水位较高，不会向邻谷产生永久性渗漏，不存在塌岸问题。
坝址区出露的地层有前震旦系和第四系，两岸发现三条断层。
据分析，采用重力坝时，大坝将建于比较完整的半风化岩石上。
河谷部分的开挖深度约为2~7m，相应于此开挖标准，坝基岩石与混凝土的摩擦系数为0.6；河床部位岩石风化较浅，实际上可挖至微风化岩石，摩擦系数建议采用0.65。
电站的引水隧洞和厂房地区地层主要为前震旦系的黑云母混合片麻岩，所有建筑物均将在此岩层上。
第四系包括进口和出口河漫滩的冲击洪积层，岩性为亚砂土、细砂和砂卵砾石；两侧山坡的坡积残积层，岩性为亚砂土夹碎块石。
隧洞均将在黑云母混合片麻岩中穿过，沿洞线未发现断层，且洞顶覆盖新鲜岩体深后，达80~160m，深部裂隙已趋闭合，因此工程地质条件较好。
洞线前部通过两条较大岩脉，均大致与洞线正交，一条为石英斑岩，宽30~40m；另一条为正常闪长岩，宽26~30m。
据地表槽探观察，岩脉与围岩接触良好，但从钻孔资料分析，石英斑岩裂隙比较发育。
厂房后山坡地形坡度约50°~60°，坡高40m左右，通过剖面裂隙可得知，厂房后坡存在两组顺坡裂隙，第一组倾角为68°~74°；第二组倾角稍缓，为40°~50°。
表部裂隙张开1~3cm，坡脚部位岩块已经位移。
根据上述情况，可认为后山边坡基本上是稳定的，建议在开挖时基本上沿着上述两条裂隙挖成阶梯状边坡，对已位移或张开角度较大的岩块予以清除，对局部不稳定岩块可采取相应的加固措施。
厂房基础将坐落在新鲜的黑云母混合片麻岩上。
7.2.1.3水利动能
电站位于B江干流，水库以下沿江无较大城镇与工矿企业，对水库无防洪要求。
库下某乡有5000亩耕地需灌溉，在水库水量平衡中可按1m3/s考虑。
因此本电站主要目的是发电，并利用水库对径流与洪水的调蓄，充分发挥工程的综合利用作用。
电站建成后投入电网运行，并为附近地区工农业生产送电。
通过研究本电站正常高水位与上一级电站D一台机与两台机发电尾水位191.0m与191.5m相衔接两个方案。
191.5m方案虽然使上一级电站在一台机运行时水头损失减小0.5m，减少年发电量320万kW.h，本水库淹没损失增加235亩耕地和78人，坝体混凝土增加9400m3，投资增加31.1万元，但本电站却多得550万kW.h电量，因此，本电站水库的正常高水位定为191.5m是合适的。
正常高水位定为191.5m时，相应库容为1.64m3，水库调节能力较低。
但由于本电站承接上游梯级水库对干流水量的调节，故能以较少库容获得较好的能量指标。
从水库的狭长性特点上看，对库水位过多的消落深度是不合算的，正常情况下为0.5m，结合输水建筑物的布置，确定水库死水位为190.0m，相应死库容为1.45亿m3，调节库容为0.19亿m3，为一日调节水电站。
本电站水库特征水位及电站动能指标见表7-2。
7.2.1.4挡水及泄水建筑物
挡水建筑物曾选用两条坝线，上坝线与下坝线进行比较，上、下坝线相距200~300m，地质条件基本相同，但下坝线地形更单薄，左岸岩石完整性较差，而上坝线则比较完整。
上坝线不论修建土坝或重力坝，地质上都是可能的，因此选用上坝线。
坝型经对土坝和重力坝比较后，推荐采用重力坝，坝高44m，坝顶高程196.2m，坝顶长度547m。
泄水建筑物的形式和主要尺寸见表7-2。
根据本工程的条件，采用二级设计标准，即水利枢纽永久性建筑物按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核。
7.2.1.5其他
建筑材料、对外交通、水库水位~容积关系曲线、电站水位~流量关系曲线、设计洪水（三日）过程线、坝址地形地质图、隧洞及厂房地形地质图等略。
表7-2B电站工程特性表
建设地点
某县
主
坝
坝型
重力坝
所在河流
B江
坝高
44m
控制流域面积
12，961km2
坝顶长度
547m
坝址岩石
混合片麻岩
坝顶高程
196.2m
地震基本烈度
6度
坝体工程量
32.0万m3
水
文
特
征
多年平均流量
187m3/s
溢洪道
型式
坝顶溢流
调查最大流量
闸门尺寸/孔数
12*10.5/14孔
实测最大流量
最大泄量
16，200m3/s
实测最小流量
堰顶高程
181.5米
设计洪水流量（1%）
12400m3/s
泄
洪
底
孔
型式
坝内底孔
校核洪水流量（0.1%）
17500m3/s
孔口尺寸/孔数
4*3.5米/4孔
水
库
总库容
2.09亿m3
最大泄量
1，000m3/s
死库容
1.45亿m3
进口底槛高程
163m
调节性能
日调节
电站
型式
混合式地面厂房
校核洪水位
194.7m
装机容量
16万kw
设计洪水位
191.7m
保证出力
2.5万kw
正常高水位
191.5m
年发电量
4.3亿度
死水位
190m
年利用小时
2，680时
灌溉
0.5万亩
最大水头
38.1m
迁移人口
3098人
设计水头
36.2m
淹没耕地
5354亩
最小水头
34.6m
7.2.1.6设计要求
（1）机组选择。
根据本电站任务及基本资料，通过充分分析论证和方案比较选择机组台数、机型、主要参数和辅助设备；
（2）电站枢纽布置。
确定主要建筑物，包括进水口、隧洞、调压室、高压管道、厂房等的相对位置；
（3）进水口设计。
根据基本资料，确定进水口的位置、型式、高程和轮廓尺寸；
（4）隧洞设计。
根据基本资料，论证隧洞线路布置、供水方式、经济直径等；
（5）压力管道设计。
确定压力管道布置方式，估算经济直径、管壁厚度、进行抗外压稳定计算等；
（6）调节保证计算。
根据规范要求，合理选择机组调节时间，计算电站发生不稳定工况时压力管道中水击压力和机组转速变化率；
（7）调压室设计。
选择调压室的布置方式和结构形式，进行水力计算，确定调压室高度和断面；
（8）厂房设计。
进行电站厂房的布置设计和结构设计，包括厂房内各种设备的选择和布置，确定厂房的轮廓尺寸，划分一二期混凝土，进行厂区枢纽布置设计等。
7.2.2机组选择
7.2.2.1台数选择
随着工农业生产不断高涨，现有电源特别是水电远远不能满足系统负荷增长的需要。
经研究认为，本水电站将在负荷曲线的尖峰位置上工作，并应适当担任一部分备用容量，为此，本电站的利用小时数不宜过高，可控制在2500h左右或更低，装机容量可结合机组选择合理确定。
根据本电站可能条件，研究了装设三台机和四台机的情况，见表7-3。
增加一台机组需增加工程投资1560.4万元，多得近40MW容量与2450万kW.h电量，相当每增加千瓦投资390.1元/千瓦，每增加电量投资0.64元/kW.h，在经济上是可以的。
投入电网后，以160MW的容量在负荷曲线上的尖峰位置上可以工作约4h，如分担40MW的备用容量可以在尖峰位置上工作约5h，所以，本电站向系统投入160MW很有必要。
因此，本电站选择4台机组，装机容量160MW，年利用小时数2670h。
表7-3机组台数选择比较表
项目
单位
三台
四台
备注
设计水头
m
36.5
36.2
机组出力
MW
3*40.8
4*40.25
受阻容量
MW
13
19
年平均发电量
亿kW.h
4.055
4.3
工程投资
万元
4448.8
6009.2
引水系统、厂房及机电等有关部分
装机年利用小时
h
3330
2670
7.2.2.2机型选择
根据确定的装机容量和台数知，机组单机容量为40MW，结合本电站的水头，查水轮机系列型谱表，可以适用的水轮机型号为HL240型和ZZ360型。
将这两种机型作为比较方案，根据模型特性曲线分别选择其标称直径、转速、吸出高度等主要参数，结果见表7-4。
表7-4水轮机方案参数对照表
序号
项目
HL240
ZZ360
1
模型转轮参数
推荐使用的水头范围（m）
25~45
30~35
2
最优单位转速n’10（r/min）
72
107
3
最优单位流量Q'10（L/s）
1100
1300
4
最高效率ηmax（%）
92
88
5
气蚀系数σ
0.195
0.3
6
原型水轮机参数
工作水头范围（m）
34.6~38.1
34.6~38.1
7
转轮直径D1（m）
4.1
4.5
8
转速n（r/min）
107.1
150
9
最高效率ηmax（%）
93.9
91.5
10
额定出力Nr（MW）
40.8
40.8
11
最大引用流量Qmax（m3/s）
124.4
133.7
12
吸出高度Hs（m）
1.867
-2.11
由表7-3可知，HL240方案水轮机转轮直径小于ZZ360方案，发电机造价较低，且工作范围包含了较多的高效率区，运行效率高，气蚀系数小，安装高程较高，有利于提高年发电量和减小电站厂房的开挖工程量。
根据以上分析，本电站选用HL240。
7.2.2.3特性曲线绘制（略）
7.2.2.4蜗壳及尾水管的形式及尺寸
由于本电站水头较低，选择混凝土蜗壳，通过225º和270º两个包角方案的分析比较，270º包角进口宽6.36m，易于与压力管道连接，予以采用。
尾水管采用弯肘型，蜗壳及尾水管的尺寸计算略。
7.2.2.5其他
发电机选用半伞式TS-900/135-56型号；调速器选用DT-100，油压装置选用ys-25型。
7.2.3电站枢纽布置
B江在中下游地段，侧向侵蚀作用十分强烈，形成迂回曲折的蛇曲地貌，为修建引水式水电站提供了有利的地形条件（如图7-1）。
根据当地地形地质条件，电站进水口布置在某分水岭一侧，此处分水岭宽约800m，两端河水位差13m。
由于隧洞较长约800m，根据引水式电站调压室设置判别条件，须在厂房上游设置调压室，以减小水击压力。
图7-1电站枢纽布置图
供水方式选择了一条隧洞和两条隧洞供水的方案，结果表明，一条隧洞方案供应四台机组时将使隧洞洞径超过12m，对属于中小型的本电站来讲施工技术条件有困难，且增加了岔管布置、制造、安装、施工等困难，分岔管将使压力管道变得结构复杂，也须在机组前布置阀门，以保证某机组发生事故不影响其它机组。
若在调压室内分岔，布置4台机组的压力管道进水口、闸门等，困难较大。
两条隧洞方案是一条隧洞供应2台机组，洞径相对较小，施工难度不大，在调压室内分岔容易布置，在压力管道进口布置两个平板闸门可代替机组前的阀门，既减少了一条隧洞的分岔管，又减少了机组前阀门，节省了投资，调压室也起到了发射水击波的作用，又起到了布置分岔管和闸门的作用，因此选用两条隧洞方案。
枢纽布置如图7-1。
7.2.4进口设计
根据进口处地形地质条件，选择采用岸坡式进水口，位置选择了三个山脊的端部作为进水口位置，它们与厂房连线形成三条洞线，长度为：
Ⅰ线715m，Ⅱ线760m，Ⅲ线800m，比较结果，由于Ⅲ线洞长，进口处裸露岩石为斑岩岩脉，且山体较小，进洞高度不足而放弃。
其他两个进水口又进行了三种布置方案的比较：
（1）两个进水口分别布置在两个进口山脊端部；
（2）两个进水口并列布置在Ⅰ线进口山脊端部；（3）两个进水口并列布置在Ⅱ线进口山脊端部。
比较结果显示，第一种布置工程量稍大些，但考虑到两洞口施工干扰小，能加快施工进度，因而选择第一种布置方式。
进水口底板高程以高于建库50年淤积高程和在死水位190m下有一定淹没深度为原则。
B江含沙少，淤积不严重。
进口处河底高程约163m，一阶台地高程约170m，建库50年淤积高程165m；淹没深度按经验公式
计算约为5.5m，考虑冰厚1m，进口洞径11m，则底板高程应低于172.5m，取进口底板高程172m。
进水口的其他尺寸计算略。
7.2.5隧洞设计
圆形断面施工工程量较小，本电站隧洞断面选取圆形。
由于隧洞沿线地质条件较好，岩性为黑云母混合片麻岩，主要节理裂隙与洞轴线交角较大，倾角为55º~75º的陡倾角，上覆岩体较厚，且无大的断层破碎带，给采用喷锚支护创在了有利条件，因此隧洞选用喷锚支护形式，并采用光面爆破技术，降低糙率系数。
有压电站隧洞直径的选择应根据电力系统年支出最小法计算经济直径。
初步设计时可根据经验取隧洞经济流速为4.0m/s，估算隧洞经济直径为8.9m。
7.2.6压力管道结构设计
压力管道为从调压室到机组进口之间的输水管道。
为向机组可靠供水，布置有水平段、转弯段、斜直段和进口段，各段均按规范要求布置，总长度为118.3m。
采用钢衬钢筋混凝土管道，钢衬选用16Mn钢，周围回填混凝土厚度50cm，混凝土弹性模量EC=2.55×104MPa，泊松比μc=0.2；围岩的E0=6.0×103MPa，μ0=0.2；钢衬EC=2.06×105MPa，μs=0.3，线膨胀系数αs=1.2×10-5/℃，屈服应力σs=3MPa，允许应力[σs]=200MPa。
钢管灌浆时的温度与运行时的最低水温之差取Δt=12℃，与最高水温之差Δt'=3℃。
混凝土垫层的内半径rc=rs=3m，开裂岩层内半径r0=3+0.5=3.5m，完整岩层内半径re=r0=3.5m，设计内水压强p=γ（H+ξH）=610.64kPa。
计算时按钢衬与钢筋混凝土联合承受内水压力考虑。
1.经济直径。
和隧洞经济直径选择一样，压力管道直经应拟定几个不同管径的方案，通过动能经济计算，选定较为有利的管道直径。
在初步设计阶段可以按彭德舒公式初步估算经济直径。
2、管壁厚度。
按平面应变问题考虑，则钢衬、混凝土和围岩的弹模E应以
代替，分别为
Mpa；
Mpa；
Mpa。
围岩的单位弹性抗力系数ko为：
（MPa/cm）
则估算钢衬厚度：
<0
式中：
为焊缝系数，取0.9，
为地下钢管的初始裂缝，包括施工裂缝，钢管及围岩的冷缩缝隙等，我国钢管设计规范中建议
（3~5.5）×10-4rs，通常
（3.5~4.3）×10-4rs，本计算中采用
。
计算表明，围岩承受内压能力很强，不需要钢衬承受内水压力，此时钢衬应按规范要求取最小厚度，即：
则
取整为12mm，钢衬主要起防渗作用。
3.钢衬与围岩联合受力条件的检验
钢衬与围岩联合受力按规范必须满足以下条件：
（1）初始缝隙
。
（2）围岩覆盖厚度
。
管轴倾角φ<60℃；岩石分担的最大压力
（
为围岩的重度）。
经验算：
=0.41MPa<
Mpa
4.钢衬的抗外压稳定计算
钢衬为薄壁圆管，在外压作用下会产生失稳，须进行抗外压稳定验算。
钢衬所受的外压主要有：
（1）地下水压力：
根据工程建成后水库、调压室蓄水形成的地下水位线，可得钢衬所受的外水压力为0.34Mpa；
（2）灌浆压力：
一般不小于0.2Mpa，取0.20Mpa；
（3）浇筑混凝土的压力：
=0.18Mpa。
钢衬的临界外压计算采用采用规范推荐的经验公式：
MPa
如果抗外压稳定的安全系数K=1.8，允许的外压力为p=
0.13Mpa
因此钢衬在以上三种外压作用下均不能满足抗外压稳定的要求，因此，须采取措施：
（1）设排水廊道，降低地下水位；
（2）在浇筑混凝土和灌浆时在管道内加设临时支撑；
（3）加设刚性环或在管壁上焊接锚筋。
采取措施后，应重新进行抗外压稳定验算，这里从略。
七.调节保证计算
1.调节保证计算的目的
调节保证计算包括水击计算和转速变化率计算，目的是选择适当的调节规律和调节时间，使得管道内最大水击压力和转速变化率均在规范允许范围之内。
2.水击压力和转速变化率的允许范围
根据规范，本电站水头小于40米，取水击压力允许值
=0.5~0.7；本电站担任调峰调频任务，取β允=0.45。
3.计算方法
水击计算采用解析法计算，转速变化率采用前苏联经验公式：
4.计算工况
最大水击计算情况为上游高水位是电站丢弃负荷和计算水头时电站丢弃负荷两种情况；最低压力计算情况为上游最低水位时电站丢弃负荷和上游最低水位时最后一台机组投入运行；转速变化率仅计算丢弃全负荷时的转速升高情况，增加负荷的转速降低只对单独运行的电站有意义，本电站建成后投入电网运行，机组转速受系统频率限制，不可能有很大变化，因此，不计算增加负荷的情况。
水击计算结果表
Ts
ξm
β
4
0.75
0.29
5
0.57
0.33
6
0.46
0.35
5.计算结果
计算结果表明：
当
=5s和6s时，
和
都在允许范围内；当
=4s时，
=0.74，超过允许值
=0.5~0.7。
故调节时间可选取5s和6s，这里选取5s，此时
=0.57
=0.33。
由计算可得，压力管道末端的压力升高15.69m；最大压力降低值为10.6m，管道沿线满足最低压力大于2m。
蜗壳末端压力升高值为18.93m。
尾水管的真空度按下式计算为：
因此，尾水管的真空度满足要求，不会产生真空。
在设计水头下甩负荷发生最大转速升高值β=0.33<β允=0.45。
八.调压室设计
1.调压室设置判别
根据规范推荐的调压室设置判别条件Tω=ΣLV/gh判断是否设置调压室。
计算得：
Tω=6.02s>2~4s，因此需要设置上游调压室。
2.调压室型式
调压室的结构型式有园筒式、阻抗式、溢流式、双室式、差动式、压气式，本电站为小型电站，电站投入电网运行，调压室还将布置两个平板闸门，调压室宜采用简单的型式，这里选用园筒式和阻抗式两个可行方案，对这两个方案进行水力计算，比较结果确定调压室最后型式。
3.调压室水力计算
（1）调压室稳定断面按小波动的托马稳定断面公式计算，并考虑大波动、电站投入电网运行及其他因素对水位波动稳定的影响确定。
根据托马稳定断面公式为：
计算可得：
。
为保证大波动的稳定，调压室断面面积为1.2
，为442.9m2。
则调压室稳定断面直径D为：
考虑投入电网的影响是：
E为电站容量占系统中担任变化负荷的容量的比重。
本电站装机容量16万千瓦，比较小，占电力系统担任变化负荷的容量的比重E<1/3，按上式计算，
将小于0，这就是说，电站投入电站运行，调压室水位变化所引起的出力变化，将有系统中所有承担变化负荷的机组共同保证系统出力为常数，因而减小了本电站出力变化幅度，有助于调压室的波动衰减。
本电站的由于E小，
<0，即不需要设置调压室，但考虑到本电站调压室还兼有分岔和布置闸门的作用，因而取调压室稳定断面直径D为20米，断面积400m2，略小于上面计算得大波动情况下调压室断面。
（2）调压室水位波动计算采用解析法，分别计算园筒式和阻抗式两种形式的最高涌浪和最低涌浪。
阻抗式调压室采用底部联接短管的形式。
根据以往模型试验成果，当阻抗孔口的面积超过引水道面积的30%，阻抗的存在对调压室底部和压力水管末端的水击压力影响甚微；当阻抗力孔口的面积小于引水道面积的15%时，调压室对水击波的反射急剧恶化，按一般原则取阻抗孔口面积fb与引水道面积f相等，即fb=f=63.62m2，根据《水工设计手册》查得阻抗系数分为1.82。
最高涌浪计算工况为上游最高水位，丢弃全部负荷，引水道糙率取可能最小值；最低涌浪计算工况为上游取最低水位，引水道糙率取可能最大值，并比较丢弃全负荷时的第二振幅和增加负荷（本电站按最后一台机组投入运行计算）时的水位降低，两者去绝对值较大者。
增加负荷时的水位降低采用经验公式法计算。
计算表明：
园筒式调压室最高涌浪为9.7m，最低涌浪为7.2m；阻抗式调压室最高涌浪为8.9m，最低涌浪为6.8m，两者计算结果相差不大，考虑到园筒式结构简单，本电站选用园筒式调压室。
（3）根据调压室的型式和计算所得的数据，考虑调压室内的净空和闸门起吊设备高度共10m，确定调压室的顶部高程为209.4m。
调压室最低水位为181.4m，高于压力管道进水口顶板高程179.4m，满足要求。
调压室净高30m。
4.调压室结构计算（略）
十.厂房布置
（一）厂房各层设施设备选择
1.水轮机、发电机、调速器、油压装置等选择见本节机组选择；
2．机座形式及尺寸：
选用园筒式机座，内经6米，厚度3.8米，外
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