水电站设计方案.docx
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水电站设计方案
坝后式水电站毕业设计
5.1设计内容
5.1.1基本内容
5.1.1.1枢纽布置
（1）依据水能规划设计成果和规范确定工程等级及主要建筑物的级别；
（2）依据给定的地形、地质、水文及施工方面的资料，论证坝轴线位置，进行坝型选择；
（3）论证厂房型式及位置；
（4）进行水库枢纽建筑物的布置（各主要建筑物的相对位置及形式，划分坝段），并绘制枢纽布置图。
5.1.1.2水轮发电机组选择
（1）选择机组台数、单机容量及水轮机型号；
（2）确定水轮机的尺寸（包括水轮机标称直径D1、转速n、吸出高度Hs、安装高程Za）；
（3）选择蜗壳型式、包角、进口尺寸，并绘制蜗売单线图；
（4）选择尾水管的型伏及尺寸；
（5）选择相应发电机型号、尺寸，调速器及油压装置。
5.1.1.3厂区枢纽及电站厂房的布置设计
（1）根据地形、地质条件、水文等资料，进行分析比较确定厂房枢纽布置方案；
（2）核据水轮发甴机的资料，选择相应的辅助设备，进行主厂房的各层布置设计；
（3）确定主厂房尺寸；
（4）副厂房的布置设计；
（5）绘制主厂房横剖面图、发电机层平面图、水轮机层和蜗壳层平面图各䘀张。
5.1.0选作内容
5.1.2.1引水系统设计
（1）进水口设计。
确定进水口高程、型式及轮廓尺寸；
（2）压力管道的布置设计。
确定压力管道的直径；确定压力管道的布置方式和各段尺寸；
5.2基本资料
本水电站在MD江的下游，位于木兰集村下游2km处。
坝址以上流域控制面积30200km2。
本工程是一个发电为主，兼顾防洪、灌溉、航运及养鱼等综合利用的水利枢纽。
电站投入运行后将承担黑龙江东部电网的峰荷，以缓解系统内缺乏水电进行调峰能力差的局面。
本工程所在地点交通比较方便，建筑材料比较丰富，是建设本工程的有利条件。
电站地理位置图见图5-1。
图5-1电站地理位置图
5.2.1自然条件
5.2.1.1流域概况
MD江近南北方向，全长725km，河道平均坡降1.39m‰，总落差1007m。
流域面积37600km2，呈南北向狭长形。
MD江流域两岸支流分布均匀，水网的形状呈树枝状，多数支流短而湍急。
5.2.1.2气象
MD江流域属于大陆性气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。
坝址处无气象观测资料，故借用了附近观测站的资料。
根据历年资料统计，最高气温37.5℃，最低气温-45.2℃，多年平均气温3.03℃。
风速在3~5月较大，冬季多西风，夏季多西南风和东南风。
7~9月多年平均最大风速13m/s，最大风速20m/s。
最大冻土深度1.89m，最大冰厚1.28m。
多年平均降雨量528mm，其中71.8%集中在6~9月。
5.2.1.3水文
坝址处无实测水文资料，但其下游32km处有一水文站，自1954年7月开始观测，有24年实测资料。
该水文站处集水面积30600km2，比坝趾处的集水面积多400km2，且区间没有大的支流汇入。
故本电站可直接应用其实测资料进行水文分析。
本流域洪水主要发生在7、8月份，一次洪水一般由三天降雨产生。
洪水多为单峰型，有的年份为双峰型。
一次洪水历时6~19d，其中涨水历时1~7d，一次洪水过程中洪量主要集中在7d。
经分析比较，本电站的洪水采用1964年典型，推算得出各种频率的洪水过程线，见表5-1。
本电站的下游已修筑堤防，能防1964年洪水（1964年洪峰QM=7920m3/s），所以本电站放流以不超过8000m3为宜。
表5-11964年型入库设计洪水过程线单位：
m3/s
时间
典型流量
可能最大洪水
P（%）
0.01
0.1
1
2
5
20
8.20.5
2080
5300
8.20.11
22
740
8.20.17
364
500
2290
8.20.23
546
5
330
2470
8.21.5
7
7
8.21.11
839
148
150
3280
8.21.17
845
50
7350
3610
8.21.23
769
0
5630
3000
8.22.5
719
26
270
2810
8.22.11
651
0
5160
2950
8.22.17
63
50
5000
2850
8.22.23
561
977
50
2540
8.23.5
5
200
4080
2330
8.23.11
471
82
730
2310
8.23.17
438
762
70
1980
8.23.23
42
7
4040
2650
8.24.5
4
00
3850
2520
8.24.11
387
8
30
2440
8.24.17
358
8
40
2250
8.24.23
347
340
2190
8.25.5
334
8
20
2100
8.25.11
3
512
00
1900
8.25.17
289
1
80
1820
8.25.23
267
4
70
1690
8.26.5
259
490
1630
8.26.11
252
430
1590
8.26.17
253
440
1600
8.26.23
247
00
3
1560
8.27.5
242
2
30
1530
8.27.11
233
7
50
1470
5.2.1.4泥沙
电站所在河流为少沙河流，泥沙资料较少，故将牡丹江站作为本水库的入库站。
从牡丹江市站泥沙资料可知，泥沙分配与洪水一致，集中在汛期。
经计算，本水库多年平均悬移质入库输沙量为75.5万t，本流域无推移质测验资料，经分析比较，确定本水库推移质输沙量占悬移质输沙量的10%，排沙比为7%，悬移质和推移质的干容重为1.1t/m3
本水库的地形特征为河谷型水库，淤积状态主要考虑带状淤积。
5.2.1.5工程地址
（1）水库区工程地质
水库周边山体边坡坡度，一般为30°~50°，相对比高100m~200m，部分地段有些陡壁。
水库周边山体岩石主要为花岗岩，岩石较坚硬完整，渗透性弱，风化浅。
覆盖不厚，植被良好。
故水库蓄水后，库区无永久性渗漏问题，也不会产生大体积塌方与滑坡，固体径流来源少。
本地区地震基本烈度为6度。
（2）枢纽区工程地质
坝址区河流迂回曲折，坝址上游木兰集附近河流近东西向，自西向东流，至距坝轴线上游0.5km处转为北西向，至坝址下游又转为近南北向流出坝址。
坝址呈不对称U型河谷，右岸为凹岸，因受河流冲蚀，山势陡峻，山体雄厚，附近虽有一垭口，但地势较高。
岭顶最低点高程为247.5m。
左岸为河流堆积的凸岸，有一、二级阶地，相对高度分别为5m~10m及10m~28m，宽度分别为50m及300m，坝头为一条形山脊，岸坡坡度北侧15°~25°，南侧20°~45°，山体中部被F1大断层带横切，形成一低矮的垭口，垭口最低点高程为194.6m，二坝设于此处。
坝址基岩为下元古界混合花岗岩，后期穿插有中、酸性岩脉。
第四系冲洪积层，分布于河谷两岸漫滩及阶地上，河谷砂砾石厚0.5m~3m；一、二级阶地覆盖层厚6~17m，上部为粘性土，下部为砂砾石层，一、二级阶地粘性土分别后1~2m及5~16m，二级阶地砂砾石层厚2.5m~8.5m。
坝区地质构造以断裂为主，主要构造方向近南北向，分述如下：
（i）南北向断层，如F1、F6、F7、F8及F2、F5等，均在左岸垭口通过。
F1断层带宽30m~60m，倾向SE、倾角60°~75°，由数条小断层组成，每条小断层宽0.2~1.2m，由破碎岩块及断层泥组成，各条小层间的岩体未见构造异变，但表部岩石强烈风化成砂状。
（ii）北东向断层，一般走向NE25°~35°，倾向东南，其中F11、F30倾角大于80°，宽度小于1m。
F9倾角为5°~20°，破碎带宽0.1~0.8m，夹灰白色断层泥和碎屑。
（iii）北西向断层，走向NW325°~335°，倾向SW或SE，倾角65°~85°，一般宽0.25m~0.4m。
坝区岩脉走向NW300°~350°，倾角一般大于70°，宽度较大，从0.5m到数10m。
与混合花岗岩接触部位破碎，完整性较差。
坝区混合花岗岩裂隙较发育，延伸较长，有的达30~80m，平行间距0.5~1m。
表部张开有泥质充填，地表20m以下多闭合。
位于弱风化带以下的缓倾角节理，基本趋于闭合，有的有钙质薄膜，未见泥质充填。
坝区混合花岗岩为粗粒结构，受本身结构和矿物成份的影响，较易风化。
各部位的风化深度差异很大，一般由右岸向左岸风化深度逐渐加大，如河床深度5m~20m，而左坝肩风化深度为25m~50m，二坝处风化深度达52m~65m。
混合花岗岩与混凝土的抗剪断试验，求得强风化岩与混凝土的摩擦系数为0.85，凝聚力为1~3.2kg/cm2；弱风化岩相应为0.7及1.8~3.6kg/cm2。
坝区基岩裂隙潜水，含水层性能受构造和岩石裂隙发育程度及充填物的控制。
单位吸水率随深度增加而减小。
全风化岩渗透系数为5~18m/d，强风化岩及弱风化岩的吸水率分别为0.36~0.11L/min及0.01L/min。
（3）坝区主要工程地质评价
（i）坝址第四纪覆盖层、河床部份较薄，一般0.5~5m，均予挖除。
一、二级阶地部位较厚，总厚6~17m，上部为粘性土，厚2~10m，下部为砂及砂砾石。
粘性土为中等压缩性土，力学强度较高，未发现有淤泥和粉砂夹层，此部位若建土坝，除心墙部位外，可不必挖除，仅清除耕植土即可。
（ii）混凝土坝段内坝基的断层，因规模不大，倾角较陡，可用混凝土塞作工程处理。
（iii）混凝土坝拟建基于弱风化岩中下部，堆石坝心墙可建于强风化岩。
（iv）二坝坝基受F1大断层影响，风化较深，但下挖5~7m即为块状风化岩，此种岩石在作管涌试验时，水力坡降达到30，未见异常情况，故心墙可建基于此岩石上。
（4）建筑材料
建筑材料分为砂石料和土料，其料场情况为：
（i）砂砾石料
砂砾石料主要有两个料场：
料场1：
位于坝下游3.2~5km，无效储量194万m3，有效储量325万m3。
料场2：
位于坝下0.5~1.8km，无效储量202.6万m3，有效储量486万m3。
上述砂砾料质量较好，除砂含泥量超过标准外，其余指标均符合要求。
（ii）土料
位于坝上游右岸0.5~2km范围内，有三个料场，储量计206万m3，粘性含量19%~35%，天然含水量约高出最优含水量2%~3%。
5.2.2水利、动能
5.2.2.1地区经济概况
本电站供电涉及的地区内，是当地的工业、煤炭、商品粮基地和木材产区。
为使水库挡水后，在正常高蓄水位下，水库末端淹没损失最小，且充分利用本河段的水能资源，故正常高蓄水位定为218m。
5.2.2.2电力系统概况及负荷资料
本地区电力负荷非常紧张，电网严重缺电，影响了国民经济的发展。
为此除设想在本地区建设一些大火电厂外，还须建设相当容量的水电站在系统内担任峰荷，故急需LH水电站投入运行。
本电站的设计保证率为90%。
本地区电力网近期各月最大负荷见表5-2。
表5-2本地区电力网近期各月最大负荷
月份
一
二
三
四
五
六
最大负荷（MW）
21
992
1955
1918
月份
七
八
九
十
十一
十二
最大负荷（MW）
6
2144
2232
2320
5.2.2.3综合利用要求
（1）防洪。
在1960年型洪水情况下，考虑水文预报，水库预泄，则下游城市的防洪标准有所提高。
（2）灌溉。
灌溉设计水平年按1985年计，坝址以上灌溉用水过程线见表5-3。
表5-31985年灌溉用水过程线表
月份
四
五
六
七
八
九
十
全生育期
用水量（万m3）
469
1
83
3913
注：
回归水已按15%考虑
灌溉用水对建筑物没有要求，可在计算入库净流量中扣除。
坝址下游的灌溉用水，不需要从水库直接引水，水电站的放流已能满足灌溉用水约20m3/s的要求。
（3）航运。
目前暂属未通航的河流，将来梯级电站建成后，航运条件得到改善。
根据省航运部门的意见，在该电站枢纽考虑预留过船建筑物的位置。
（4）工业和城市用水。
每月耗水量为304万m3。
工业及城市用水在本水库上游，对枢纽建筑物没有要求，只是在入库净水量中予以扣除即可。
（5）养鱼。
水库水面面积按10万亩计，则年产鱼约750t。
在综合考虑以上因素之后，确定本电站的装机容量为500MW，水头范围为30～65m，设计水头为50m。
5.2.3资料图
图5-2水库水位面积容积曲线
图5-3坝址下游水位流量关系曲线
图5-4电力网近期冬日负荷曲线
坝址地区地形图见附图7，坝轴线地质剖面图见附图8。
5.3设计指南
5.3.1枢纽布置
首先根据给定的设计资料查相应的规范，确定工程等别及重要建筑物的级别。
再根据地质、地形条件、建筑材料、施工条件、泄洪要求等来确定坝型，可以对土坝、拱坝、混凝土重力坝三种方案进行比较。
枢纽布置应确定各种建筑物的相对位置，进行坝段划分。
枢纽布置的原则见2.3节。
本工程为坝后式水电站，主要包括拦河大坝与发电厂房两大部分。
首先要求根据所给出的资料确定总体布置方案。
主要比较左岸厂房方案和右岸厂房方案，考虑的因素包括主河床的位置、地质条件对大坝及厂房的影响、河道的冲刷与淤积、厂房进水和尾水的顺畅、各种建筑物的布置和施工是否方便、工程量等，可列表进行定性比较。
选定厂房位置后，需要对坝段进行布置设计。
与本电站厂房有关的布置原则为：
①要求电站进水口前水流平顺，无漩涡及横向水流；②当溢流坝与厂房段并列布置时，应尽量将前者布置在主河槽，以保证泄水顺畅；③为减少下泄水流对发电和航运的不利影响，常在溢流坝与其他建筑物之间设置导墙；④当河流含沙量大，坝前淤积严重时，应采取排沙措施，冲沙孔或排沙洞常布置在厂房进水口附近，其高程可根据运用要求来确定；⑤应防止由于泥沙淤积造成尾水壅高，降低发电水头。
水电站厂房区的布置应包括主厂房、副厂房、尾水渠道、主变压器、开关站、交通道路的布置等内容。
5.3.2引水系统设计
5.3.2.1进水口设计
确定进水口高程、型式及轮廓尺寸；确定拦污栅的布置形式和各部分尺寸。
（1）进水口轮廓
由于本电站为坝后式水电站，故进水口的型式为坝式进水口。
根据坝段长度选择拦污栅的平面形状（圆形或平面形）。
确定进水口高程时需要注意，该电站地处寒冷地区，需要考虑冰冻对进水口的影响。
进水口的轮廓尺寸主要对进口段、闸门段、渐变段的断面尺寸进行计算和论证，要求水流平顺，水头损失小，进口流速不宜过大，结构受力条件好。
进口段一般为喇叭口形状，闸门段一般为矩形断面，而渐变段主要是矩形断面和管道圆形段面的连接段。
（2）拦污栅设计
拦污栅的设计内容包括栅面设计（平面形状和面积）、栅面距坝体上游面的距离、栅条尺寸和间距。
（3）闸门段设计
闸门段包括工作闸门和检修闸门，需要对闸门的位置、形式、尺寸、启闭方式、通气孔的位置及尺寸等进行设计。
由于本电站位坝后式水电站，所以工作闸门和检修闸门建议均采用平板式闸门。
闸门的位置和尺寸需要根据上面设计的轮廓形状确定。
通气孔设计包括面积、位置和出口高程的确定，其中面积根据单根管道最大引用流量和设计允许气流流速确定，位置一般在闸门下游侧（工作闸门后止水）。
如果工作闸门为前止水，则可由闸门井兼作通气孔。
5.3.2.2压力管道的布置设计
压力管道的涉及内容包括确定压力管道的直径；经定性分析比较确定压力管道的布置方式，各段尺寸及结构型式。
对于坝式水电站来说一般采用单管单机供水的坝内压力管道，其布置原则上应力求管道短，穿过坝体时尽量减少对坝体的消弱，减少水头损失，降低水击压力，满足机组的调节保证为要求。
设计中需要考虑下面的因素：
本电站为混凝土重力坝，坝高属中等坝，坝体尺寸较大，进水口和水轮机安装高程相差20m以上，进水口较高。
根据以上的原则和考虑因素，建议重点论证倾斜式管道布置方案的合理性。
压力管道的直径可采用经济流速方法确定。
5.3.3水轮发电机组的选择
水轮机选择是水电站设计中一项重要任务，它涉及到机组能否安全、高效、可靠运行，而且对水电站造价、建设速度、水电站建筑物的布置形式及尺寸都有影响。
水轮机选择是在已知水电站装机容量N、水电站特征水头（最大工作水头Hmax、最小工作水头Hmin、设计水头Hr、平均水头Hav）、特征流量（最大引用流量Qmax、最小引用流量Qmin、平均流量Qav）、下游水位流量关系曲线情况下进行的。
5.3.3.1选择机组台数、单机容量及水轮机型号
（1）机组台数及单机容量
选择机组台数时，应对加工制造能力和运输条件、总投资、水电站的运行效率和运行灵活性、运行维护工作量的大小等因素进行综合考虑，经技术经济比较确定机组台数。
为了使电气主结线对称，大多数情况下机组台数为偶数。
我国已建成的中型水电站一般采用4~6台机组。
对于中小型水电站，为保证运行的可靠性和灵活性，机组台数一般不少于2台。
当机组台数m确定后，则水轮机的单机出力Nr=N/mηf，其中，ηf为发电机的效率，大型机组ηf=96%~98%，中型机组ηf=95%~96%。
（2）水轮机型号
为了了使水轮机生产系列化、标准化和通用化，我国已编制了反击式水轮机暂行系列型谱表。
根据已确定的单机容量和水电站水头范围，从水轮机系列型谱选择合适的水轮机型号（表5-3）。
表5-3大中型混流式转轮参数（暂行系列型谱）
适用水头范围
H（m）
转轮型号
导叶相对高度b0/D1
最优单位转速n'10
（r/min）
推荐使用的最大单位流量Q’1（L/s）
模型空蚀系数
使用型号
旧型号
<30
HL310
HL365,Q
0.391
88.3
1400
0.360*
25~45
HL240
HL123
0.365
72.0
1240
0.200
35~65
HL230
HL263,H2
0.315
71.0
1110
0.170*
50~85
HL220
HL702
0.250
70.0
1150
0.133
90~125
HL200
HL180
HL741
HL662（改型）
0.200
0.200
68.0
67.0
960
860
0.100
0.085
注：
（1）带“*”表示装置空蚀系数σZ；
（2）适用转轮直径D1≥1.0m的混流式水轮机。
5.3.3.2确定水轮机的主要参数
当水轮机的型号确定后，需要计算水轮机的主要参数，包括水轮机标称直径D1、转速n、吸出高度Hs、安装高程Za。
大中型水轮机的参数一般由模型综合特性曲线计算确定。
（1）转轮直径（D1）的确定
（m）（5-1）
式中Nr——水轮机单机额定出力，kW；
Q1'——水轮机单位流量，m3/s。
Q1'取限制工况下的，并查出限制工况的ηM。
HL水轮机由5%出力限制线得到，
Hr——设计水头，m；
ηr——所选择的设计工况点的原型水轮机效率，在D1未确定时，一般初步设计中先取η=ηM+∆η（∆η=2~3%），求得D1后再修正。
式（5-1）中的单位参数采用表5-4中的数值。
由此计算出的D1应改取为与其计算值相近的标称直径（表5-5）。
通常D1选用较计算值稍大的标称直径。
（2）转速的选择
（5-2）
用最优单位转速
，
。
水头H=Hav。
表5-4混流式水轮机模型转轮主要参数表
转轮型号
推荐使用水头范围
（m）
模型转轮
导叶相对高度
b0/D1
最优工况
限制工况
试验水头H/m
直径D1
（mm）
叶片数Z1
单位
转速
n'10
（r/min）
单位
流量Q’1
（L/s）
效率
η/%
空蚀系数
σ
比转速
ns
单位
流量Q’1
（L/s）
效率
η/%
空蚀系数
σ
HL310
<30
0.305
390
15
0.391
88.3
1220
89.6
355
1400
82.6
0.36*
HL260
10~35
385
15
0.378
72.5
1180
89.4
286
1370
82.8
0.28
HL240
25~45
4.0
460
14
0.365
72.0
1100
92.0
0.2
275
1240
90.4
0.20
HL230
35~65
0.305
404
15
0.315
71.0
913
90.7
247
1110
85.2
0.17*
HL220
50~85
4.0
460
14
0.25
70.0
1000
91.0
0.1
.0
0.133
HL200
90~125
3.0
460
14
0.20
68.0
800
90.7
0.
.4
0.088
HL180
90~125
4.0
460
14
0.20
67.0
720
92.0
0.
.5
0.083
HL160
110~150
4.0
460
17
0.224
67.0
580
91.0
0.
.0
0.065
注：
带“*”表示装置空蚀系数σZ；
表5-5反击式水轮机转轮标称直径系列单位:
cm
25
30
35
（40）
42
50
60
71
（80）
84
1
275
300
33
700
750
8
1000
计算出的水轮机转速n也必须与相近的发电机同步转速（表5-6）匹配，若n的计算值介于两个同步转速之间，则应进行方案比较后确定。
一般来说，在保证水轮机处于高效率区工作的前提下，应选用较大的同步转速，以使机组具有较小的尺寸和重量。
表5-6磁极对数P与同步转速n关系表
P
3
4
5
6
7
8
9
10
12
14
n（r.min-1）
1
0
428.6
375
333.3
300
250
214.3
P
16
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