水电站设计方案.docx

1、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

2、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

3、，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

4、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35月较大，冬季多西风，夏季多西南风和东南风。79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69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

5、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619d，其中涨水历时17d，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5-1 1964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(%)0.010.1125208.20.5208053008.20.1122005600455037408.20.

6、17364092707520618046904180350022908.20.2354601390012600950064405510433024708.21.5700017800161001220082607070555031708.21.11839021400196001480096508100615032808.21.178450307002610018900119009950735036108.21.23769019600180001350088407420563030008.22.5719018300168001260082606930527028108.22.11651016600

7、150001130076806580516029508.22.17630016000145001100074206350500028508.22.2356101430012900977066305670445025408.23.551501310011800895060705200408023308.23.1147101200010800820055604750373023108.23.1743801120010100762051704420347019808.23.234200107008680713054104820404026508.24.540001020082806800516046

8、00385025208.24.11387098608010658049904450373024408.24.17358091207400608046104110344022508.24.23347088407180590044703990334021908.25.5334085006910568043103840322021008.25.11301076706220512038803460290019008.25.17289073705980491037203320278018208.25.23267068105530454034503070257016908.26.5259068005360

9、440033402980249016308.26.11252064205230430032602900243015908.26.17253064505230430032602910244016008.26.23247062905110420031802840238015608.27.5242061605010412031202780233015308.27.11233059304830397030102680225014705.2.1.4 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，泥沙分配及洪水一致，集中在汛期。经计算，本水库多年平均悬

10、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3050，相对比高100m200m，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及滑坡，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

11、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5m10m及10m28m，宽度分别为50m及300m，坝头为一条形山脊，岸坡坡度北侧1525，南侧2045，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0.5m3m；一、

12、二级阶地覆盖层厚617m，上部为粘性土，下部为砂砾石层，一、二级阶地粘性土分别后12m及516m，二级阶地砂砾石层厚2.5m8.5m。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30m60m，倾向SE、倾角6075，由数条小断层组成，每条小断层宽0.21.2m，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NE2535，倾向东南，其中F11 、F30 倾角大于80，宽度小于1m。F9倾角为520，破碎带宽0.10.8m，夹灰白色断

13、层泥和碎屑。(iii) 北西向断层，走向NW325335，倾向SW或SE，倾角6585，一般宽0.25m0.4m。坝区岩脉走向NW300350，倾角一般大于70，宽度较大，从0.5m到数10m。及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3080m，平行间距0.51m。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5m20m，而左坝肩风化深度为25m50m，

14、二坝处风化深度达52m65m。混合花岗岩及混凝土的抗剪断试验，求得强风化岩及混凝土的摩擦系数为0.85，凝聚力为13.2kg/cm2；弱风化岩相应为0.7及1.83.6kg/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518m/d，强风化岩及弱风化岩的吸水率分别为0.360.11L/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0.55m，均予挖除。一、二级阶地部位较厚，总厚617m，上部为粘性土，厚210m，下部为砂及砂砾石。粘性土为中等压缩性土，力学强度较高，

15、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57m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3.25km，无效储量194万m3，有效储量325万m3。料场2：位于坝下0.51.8km， 无效

16、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0.52km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

17、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)210320662029199219551918月 份七八九十十一十二最大负荷(MW)1880196820562144223223205.2.2.3 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5-3 1985年灌溉用水过程线表月份四五六七八

18、九十全生育期用水量(万m3)46910996127321283058860100043913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

19、因素之后，确定本电站的装机容量为500MW，水头范围为3065m，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，主要包括拦河大坝及发电厂房两大部分。首

20、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、河道的冲刷及淤积、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。及本电站厂房有关的布置原则为： 要求电站进水口前水流平顺，无漩涡及横向水流； 当溢流坝及厂房段并列布置时，应尽量将前者布置在主河槽，以保证泄水顺畅； 为减少下泄水流对发电和航运的不利影响，常在溢流坝及其他建筑物之间设置导墙； 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

21、用要求来确定； 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

22、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

23、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

24、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

25、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46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 / m f ，其中，f为发电机的效率，大型机组f =96%98%，中型机组f =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n10(r/min)

26、推荐使用的最大单位流量Q1(L/s)模型空蚀系数使用型号旧型号30HL310HL365,Q0.39188.314000.360*2545HL240HL1230.36572.012400.2003565HL230HL263,H20.31571.011100.170*5085HL220HL7020.25070.011500.13390125HL200HL180HL741HL662(改型)0.2000.20068.067.09608600.1000.085注：(1) 带“*”表示装置空蚀系数Z；(2) 适用转轮直径D11.0m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，

27、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M。HL水轮机由5%出力限制线得到，Hr设计水头，m；r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=M+(=23%)，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应改取为及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。

28、(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n10(r/min)单位流量Q1(L/s)效率/%空蚀系数比转速ns单位流量Q1(L/s)效率/%空蚀系数HL310300.305390150.39188.3122089.6355140082.60.36*HL2601035385150.37872.5118089.4286137082.80.28HL24025454.0460140.36572.0110092.00.2275124090.40.20HL23035650.305404150.31571.091390.7247111085.20.17*HL22050854.0460140.2570.0100091.00.115255