水电站地面式厂房布置设计

第六章水电站地面厂房布置设计第一节水电站厂房的任务、组成及类型一、水电站厂房的任务水电站厂房是水能转为电能的生产场所，也是运行人员进行生产和活动的场所。其任务是通过一系列工程措施，将水流平顺地引入水轮机，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。水电站厂房是水工建筑物、机械及电气设备的综合体，在厂房的设计、施工、安装和运行中需要各专业人员通力协作。二、水电站厂房的组成水电站厂房的组成可从不同角度划分。(一)从设备布置和运行要求的空间划分(1)主厂房。水能转化为机械能是由水轮机实现的，机械转化为电能是由发电机来完成的，二者之间由传递功率装置连接，组成水轮发电机组。水轮发电机组和各种辅助设备安装在主厂房内，是水电站厂房的主要组成部分。(2)副厂房。安置各种运行控制和检修管理设备的房间及运行管理人员工作和生活用房。(3)主变压器场。装设主变压器的地方。水电站发出的电能经主变压器升压后，再经输电线路送给用户。(4)开关站(户外配电装置)。为了按需要分配功率及保证正常工作和检修，发电机和变压器之间以及变压器与输电线路之间有不同电压的配电装置。发电机侧的配电装置，通常设在厂房内，而其高压侧的配电装置一般布置在户外，称高压开关站。装设高压开关、高压母线和保护设施，高压输电线由此将电能输送给电力用户。水电站主厂房、副厂房、主变压器场和高压开关站及厂区交通等，组成水电站厂区枢纽建筑物，一般称厂区枢纽。(二)从设备组成的系统划分水电站厂房内的机械及水工建筑物共分五大系统(1)水流系统。水轮机及其进出水设备，包括压力管道、水轮机前的进水阀、蜗壳、水轮机、尾水管及尾水闸门等。(2)电流系统。即电气一次回路系统，包括发电机及其引出线、母线、发电机电压配电设备、主变压器和高压开关站等。(3)电气控制设备系统。即电气二次回路系统，包括机旁盘、厉磁设备系统、中央控制室、各种控制及操作设备如各种互感器、表计、继电器、控制电缆、自动及远动装置、通迅及调度设备等直流系统。(4)机械控制设备系统。包括水轮机的调速设备，如接力器及操作柜，事故阀门的控制设备，其它各种闸门、减压阀、拦污栅等操作控制设备。(5)辅助设备系统。包括为了安装、检修、维护、运行所必须的各种电气及机械辅助设备，如厂用电系统(厂用变压器、厂用配电装置、直流电系统)，油系统、气系统、水系统，起重设备，各种电气和机械修理室、试验室、工具间、通风采暖设备等。(三)从水电站厂房的结构组成划分1．水平面上可分为主机室和安装间。主机室是运行和管理的主要场所，水轮发电机组及辅助设备布置在主机室；安装间是水电站机电设备卸货、拆箱、组装、检修时使用的场地。2．垂直面上，根据工程习惯主厂房以发电机层楼板面为界，分为上部结构和下部结构。(1)上部结构。与工业厂房相似，基本上是板、梁、柱结构系统。(2)下部结构。为大体积混凝土整体结构，主要布置过流系统，是厂房的基础。三、水电站厂房的基本类型水电站厂房型式往往是随不同的地形、地质、水文等自然条件和水电站的开发方式、水能利用条件、下游水位的变化、水利枢纽的总体布置而定。水电站厂房类型划分方法很多，根据厂房与挡水建筑物的相对位置及其结构特征，可分为三种基本类型：1．引水式厂房发电用水来自较长的引水道，厂房远离挡水建筑物，一般位于河岸，其轴线常平行河道。若将厂房建在地下山体内，则称为地下厂房，2．坝后式厂房厂房位于拦河坝的下游，紧接坝后，在结构上与大坝用永久缝分开，发电用水由坝内高压管道引入厂房。有时为了解决泄水建筑物布置与厂房建筑物布置之间的矛盾，可将厂房布置成以下型式。(1)溢流式厂房。厂房位于坝后，将厂房顶作为溢洪道，成为坝后溢流式厂房。这种益流式厂房通常是承受中、高水头的电站厂房。(2)坝内式厂房。厂房移入溢流坝体空腹内，厂房与大坝全为一体。3．河床厂房厂房位于河床中，成为挡水建筑物的一部分，厂坝结构在河床上衔接为一体。如按机组主轴的装置方式分，水电站厂房还可分为立式机组厂房和卧式机组厂房。本章主要介绍立式机组厂房。第二节水电站厂房设计所需资料和设计程序一、厂房设计所需资料水电站厂房布置设计涉及到各种机电设备的布置与其相应的建筑结构布置，在进行其设计之前，应收集有关的原始资料。(一)河流开发方案及建筑物等级一条河流要开发，应先进行规划设计，确定修建梯级电站的先后顺序。故设计之初应有规划报告的批文作为依据。应根据工程规模、建坝高低、电站装机容量等，确定电站建筑物等级和相应的设计标准。此外还应了解对厂房的特殊要求。(二)地形资料(1)库区及取水枢纽1/2000~1/1000的地形图。坝址轴线处1/200的地形图。(2)厂区枢纽处1/500的地形图。(3)厂房所在处1/200的地形图。(4)若为引水式电站，还应有1/2000~1/1000引水线路带状地形图。(三)工程地质和水文地质资料厂区地质分析报告及图纸，对厂区所属范围的地质情况、岩层走向、倾角、断层走向、条数应有了解。厂区内有无滑坡体、厂区厂房后坡有无危岩孤石、枢纽及厂区的地震级别有多大，也应有了解。此外，对厂区的地基覆盖层厚度、下覆基岩深度、土壤及岩石物理力学指标等，均应了解清楚。对厂区内地下水活动情况应分析清楚，如地下水有无腐蚀性、岩层有无承压水、它的渗透性等。(四)水文及水能资料1．站址的多年径流资料，用以进行洪水、枯水、径流等水文计算作依据。2．水库的调洪方式，包括水库及大坝的各种水文及下泄流量，坝址及厂址处的水位~流量关系由线，尾水相应的校核、设计及最小的各特征水位值。3．厂区所在河流的泥沙资料、河流冰凌资料以及山洪泥石流等资料。4．电站的装机容量、机组台数、电站的最大最小和加权平均水头。5．电站的运行方式、输电方向、电压等级、输电距离等。(五)施工组织资料了解施工单位的施工技术水平，包括施工方法及设备，施工材料的运输条件，施工工期、施工单价等资料。(六)机组与辅助设备资料1．主机组及总装图（立面和平面）及台数。2．发电机的尺寸和重量，冷却方式及通风道尺寸。3．水轮机型号、直径和重量，蜗壳和尾水管的型式和尺寸。4．变压器的台数、重量和尺寸。5．机旁盘、各种配电板、发电机引出线接地等装置图；油开关等的地脚螺栓基础图；调速器；高低压空气压缩机、水泵等尺寸及基础图；吊车的规格及技术资料。综上所述，要设计厂房，须在地形、地质、水文、气象、施工、机组等基本资料收集齐后，方可进行。二、水电站厂房的设计程序水电站厂房设计，根据电站规模和工程难易程度可分为两个阶段或三个阶段设计。一般大中型电站按两个阶段设计，即初步设计和施工详图设计(或技施设计，即技术设计和施工详图合并进行)。某些大型电站或比较复杂的厂房，则可按三个阶段设计，即初步设计、技术设计、施工详图。1．初步设计初步设计阶段的主要任务是通过技术经济论证，确定厂区总体布置、厂房内部布置等方案，具体包括：(1)阐述各比较方案的厂房及开关站布置的地形、地质、型式、布置、工程量、施工及运行条件、劳动力及造价等情况。各比较方案的优缺点和选定方案的论证。(2)主副厂房的内部布置、结构型式、面积、高程和主要尺寸的选定，厂房结构的稳定计算及工程地质处理措施等。(3)尾水建筑物的结构型式、控制高程、断面尺寸、长度、尾水闸门及操作平台布置的选定。尾水建筑物的水力计算以及提出尾水渠和下游河床防护整治措施方案的意见。(4)开关站和主变压器的位置、场地布置、面积、高程的选定。2．技术设计技术设计阶段是在批准初步设计基础上进行各建筑物的详细设计。包括建筑物的细部布置、结构布置，确定主要结构的计算原则及编写出设计大纲，进行结构及构件的设计和计算。为施工组织设计和编制工程预算提供更详细的工程量，编制该阶段的设计文件，包括技术设计书、专题报告等。3．施工详图施工详图阶段是在技术设计的基础上进行的。包括各建筑物的基础开挖图，边坡及基础处理图，混凝土浇筑分层分块图，各浇筑层预埋件图，各结构及构件钢筋图，水下结构的止水排水设计图，各建筑物的观测设备埋设图及其它构造详图。初步设计是关键，技术经济上是否合理主要取决于初步设计阶段，因此必须做到充分论证、精心设计。第三节水轮发电机发电机是实现机械能向电能转化的主要电气设备，其型式和布置对主厂房的布置和尺寸影响很大。一、发电机类型及传力方式竖轴水轮发电机就其传力方式可分为二大类：(一)悬挂式发电机推力轴承位于转子上方，支承在上机架上。悬挂式发电机转动部分(包括发电机转子、水轮机转轮、大轴和作用于转轮上的水压力)的重量，通过推力头和推力轴承传给上机架，上机架传给定子外壳，定子外壳再把力传给机墩，整个机组好象在上机架上挂着一样，因此称为悬挂式。下机架的作用是支撑下导轴承和制动闸，下导轴承是防止摆动的。当机组停机时，需用制动闸将转子顶起，以防烧毁推力头和推力轴承。制动闸反推力、下导轴承自重等通过下机架传给机墩。发电机楼板自重和楼板上设备重量通过通风道外壳传到机墩上。高转速的发电机则多做成悬挂式的，因其转子直径小、高度大、重心高。(二)伞式发电机伞式发电机推力轴承位于转子下方，设在下机架上。整个发电机象把伞，推力头象伞柄，转子象伞布，故称伞式发电机。1．普通伞式。有上下导轴承。机组转动部分的重量通过推力头和推力轴承传给下机架，下机架再把力传给机墩。上机架只支撑上导轴承和励磁机定子。由于利用水轮机和发电机之间的轴安放推力头，上机架的高度可减小，轴长可缩短，因而降低了厂房高度。发电机的重量比悬挂式要小，发电机转子可单独吊出，不需卸掉推力头，安装检修都比较方便。伞式发电机转子重心在推力轴承之上，重心较高，运转时容易发生摆动，应用范围受到限制。对于大容量、低转速的发电机，由于转子直径大、高度小、重心低，多做成伞式。2．半伞式。有上导轴承，无下导轴承。此种形式的发电机通常将上机架埋入发电机层地板以下。3．全伞式。无上导轴承，有下导轴承。机组转动部分的重量通过推力轴承的支撑结构传到水轮机顶盖上，通过顶盖传给水轮机墩环。这种发电机的上机架仅仅支撑励磁机定子和上导轴承的重量，结构简单，尺寸小。下机架只支撑下导轴承和制动闸的反作用力，结构尺寸也较小。这种传力方式进一步缩短了发电机的轴长，减小了转子的重量，同时也降低了厂房的高度。二、发电机的励磁系统励磁系统是向发电机转子供给形成磁场的直流电源。一般每台发电机都设各自独立的励磁系统。励磁系统包括励磁机和励磁盘。(1)励磁机。实际上是直流发电机，其励磁方式有采用与水轮发电机同轴的励磁机的直接励磁系统。采用直流发电机，由水银整流器组成的离子励磁系统、半导体整流等非直接励磁系统。大型水轮发电机多采用静电可控硅励磁方式。(2)励磁盘。它是装设水轮发电机励磁回路的控制设备和自动调整装置的配电盘，其作用是控制和调整水轮发电机的励磁电流。每台发电机一般有3~5块励磁盘。一般布置在发电机层的上游侧或下游侧。三、发电机的支承结构(机墩)机墩是发电机的支承结构，其作用是将发电机支承在预定位置上，并为机组的运行、维护、安装和检修创造条件。对于立式机组的机墩承受水轮发电机组的全部动、静荷载，这些荷载通过机墩传到水下混凝土。为保证机组正常运行，要求机墩具有足够的强度和刚度，同时具有良好的抗振性能，一般为钢筋混凝土结构。常见的机墩形式有：(1)圆筒式机墩。其结构形式为厚壁钢筋混凝土圆筒，其壁厚在1m以上。外部形状可是圆形，也可是八角形。内壁为圆形的水轮机井，其直径一般为1.3~1.4倍的转轮直径。圆筒式机墩的优点是刚度较大，抗压、抗振、抗扭性能较好，结构简单，施工方便。我国大中型电站采用较多。其缺点是水轮机井空间狭小，水轮机的安装、维修、维护不方便。(2)环形梁立柱式机墩。由环形梁和立柱组成，发电机座落在环形梁上，立柱底部固结在蜗壳上部混凝土上，并将荷载传到下部块体结构。此种机墩的优点是混凝土用量省，水轮机顶盖处宽敞，立柱间净空对设备的布置、机组的出线、安装、维修均比较方便。缺点是机墩刚度小，抗振、抗扭性能较差，一般用中小型机组。(3)构架式机墩。机墩是由两个纵向刚