水电站课程设计指导书

1综合说明SMZ水库及电站位于新疆乌鲁木齐以西约150km处的塔西河上。塔西河全长100km，坝址以上约有50km。流域总面积2010km2，坝址以上664km2。河道平均坡降4.87%，河流纵坡5%。拟用“二库八级”开发，在SMZ下游28km处再建一HSW水库作反调节，再出山口。塔西河灌区可耕地55万亩，1995年耕地27万亩，人均6.8亩。已有平原水库3座，3库库容之和为846万m3。塔西河年最大径流量2.94亿m3，最小1.93亿m3，多年平均径流量2.32亿m3。年际变化小，年内变化大，5~8月径流占全年的75%。如果利用75%的水量，耕地可增加到47万亩。多年平均气温4C，年最高33.2C、最低-31.5C。年平均降雨量432.4mm，蒸发1414.8mm。多年平均最大风速20m/s，无霜期219天，冰冻期130天，最大冻土深度1.4m。塔西河多年平均流量7.36m/s3，多年平均输沙总量11.42万吨。SMZ水库设计洪峰流量如下：设计频率0.10.2121020洪峰流量（m3/s）450388.425319991.658.72工程地质主要地质构造F1在水库上游5.5km处，全长200多km，产状为280NE60~75。新构造活动强烈，曾发生多次中强地震。清水河背斜，在塔西河与玛纳斯河之间，呈东西向延伸，长22km。塔西河短轴向斜，在大于沟和清水河之间。地震烈度、基本烈度和设防烈度均为8度。坝址前左右岸存在不稳定岩体SL4~SL1，总方量47万m3。坝址工程地质条件：U形河谷，底宽77m，顶宽95m，谷坡75~80。河床砂卵石覆盖厚约31m，渗透系数4.3610-3cm/s。左岸受一古河槽切割，形成上宽30m、下宽65m的单薄山体。古河槽底宽70m、顶宽110m，上覆堆冲积砂卵砾石层。最厚处62m，最高处海拔1404m。坝址区为侏罗系中统齐古组泥岩泥顶顶砂岩，上统喀拉扎组砾岩、砂砾岩，白垩系土谷鲁组泥岩、砂岩，地层产状为275NE30。主要地质构造为F3、F4、F5三条NE向次级断层，其中F3和F5规模较小，对工程影响不大。F4产状43NE60，宽0.3~0.5m，为压扭性断层。两岸隧洞位置处的岩石为II~III类围岩，成洞和进洞条件均良好，无大的边坡稳定问题。天然建材：上下游6km内有砂粒料场4个，土料场1个，储量充足，开采条件好。3工程概况水库主要特征参数如下：正常蓄水位1390m总库容0.5189亿m3死水位1358m调节库容0.3765亿m3设计洪水位1390.97m死库容0.0978亿m3校核洪水位1392.52m装机容量23.2MW汛限水位1389.0m年利用小时3890hr坝顶高程1394.0m移民11户，76人，淹没房屋1180m2，国防公路1.3km，简易公路3.5km。主要建筑物为3级，大坝为2级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。溢洪道泄量151.7m3/s，放空洞泄量150m3/s，导流洞泄量91.6m3/s，发电引用流量12.8m3/s，灌溉引用流量25m3/s。溢洪道有3孔，每孔宽5m。堰顶高程1388m。导流洞进口门尺寸4.04.0m2，出口门尺寸3.52.5m2。导流洞坡度为0.02422。大坝按50年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核。工程静态投资1.99亿元，总投资2.77亿元。总工期2.5年，准备期17个月，大坝施工24个月。高峰期劳动人数1652人。4电站4.1电站基本情况装机容量23.2MW，年发电2490万度。平均日负荷率在冬季为0.62，夏季为0.62；最小日负荷率在冬季为0.41，夏季为0.42。一年中最大负荷及最大平均负荷在6月，季不平衡系数0.75，月均衡系数0.75。到2005年，在SMZ电站供电范围内，最大负荷为92MW，需用量3亿度。电站建成后，主要为电网提供电量。电站进水口底板高程1350.0m，设计流量时下游水位1318.0m。发电洞直径3m，高压钢管末端由3m渐缩为2m，再分岔变为21.2m。变压器2台，4000kVA。开关站面积2515m2。4.2电站水轮机和发电机的选择水轮机及发电机的主要技术指标如下：水轮机型号HL220-LJ-100发电机额定功率3.2MW发电水头42.5~75m额定转速500rpm设计水头55m飞逸转速900rpm单机容量3.2MW功率因数0.8额定转速500rpm飞逸转速900rpm模型气蚀系数0.133额定单机流量6.5m3/s水轮机、发电机、立轴蝶阀的主要尺寸指标如下：水轮机型号HL220-LJ-100立轴蝶阀直径1.5m轴颈直径0.375m阀中心线至水轮机中心距离4.00m上法兰直径0.480m下法兰直径0.480主轴长度2.115m发电机转子18.10t带轴质量水轮机上机架直径3.720m转子直径2.784m水轮机顶盖直径3.500m水轮机转轮直径1.000m4.3电站吊车的起吊重量选择起重机额定起重量是根据起吊最重部件——通常为发电机转子带轴确定的。本设计中选用的发电机的转子带轴质量为18.10吨，故选择桥式吊车20/5吨。5厂房平面尺寸的确定5.1机组段长度的确定5.1.1机组段长度的确定机组段长度主要由蜗壳、尾水管、发电机风罩在X轴方向（即厂房纵向）的尺寸来定，并考虑机组附属设备及主要交通道、吊运通道、阀孔的布置等所需要的尺寸。机组段的长度可按照下式计算：𝐿1=L+x+L−x（1）从蜗壳层的角度计算，L+x=R1+δ1，L−x=R2+δ2。式中，δ1、δ2为蜗壳外部混凝土厚度。初步设计时，取1.2~1.5m。这里取δ1=δ2=1.5m=1500mm。由已知的图纸可以得到蜗壳的尺寸：R1=1333+12802=1973mm，R2=1375mm。于是，L+x=1973+1500=3473mm，L−x=1375+1500=2875mm，最后，𝐿1=6348mm。（2）从尾水管层的角度计算，由于本例为对称尾水管，故取用如下计算公式：L+x=B/2+δ2，L−x=B/2+δ2。式中，B为尾水管宽度，本设计中B=1374mm。δ2为尾水管混凝土边墩厚度，初步设计可取1.5~2.0m，这里取δ2=1.5m=1500mm。于是，L+x=L−x=1374+1500=2874mm，𝐿1=2×2874=5748mm。（3）从发电机层的角度计算，L+x=∅32+b/2+δ3，L−x=∅32+b/2+δ3。式中，∅3为发电机风罩内径，本设计中为3720mm。δ3为发电机风罩壁厚，本设计中为600mm。b为两台机组之间风罩外壁净距，一般取1.5m~2.0m，这里取b=2.0m=2000mm。于是，L+x=L−x=37202+20002+600=3460mm，𝐿1=2×3460=6920mm。（4）机组段长度取以上三种计算结果中的最大值，即𝐿1=6920mm。5.1.2端部机组段长度的确定端部机组段长度的确定，要综合考虑端部机组段所在的位置（厂房左边还是右边）外，还与安装间的位置、起重机调运设备的要求等因素有关。在本设计中，安装间位于厂房的右边，因此端部机组段位于厂房左侧。一般取附加长度为∆L=(0.1~1.0)𝐿1。𝐿1为厂房机组段的长度。在本设计中取∆L=0.4𝐿1=0.4×6920=2768mm，故机组段长度𝐿2=2768+6920=9688mm。5.2机组段宽度的确定小水电一般在主机室上游侧布置调速器和机旁盘，下游侧为无设备的维护通道或为布置电器屏柜兼维护通道。因此小型水电站厂房宽度应考虑以下几点：（1）主厂房上游侧宽度由发电机风道外径和机电设备的布置所控制，而且在布置各种机电设备和阀件后，还要预留不少于1.2米的通道。（2）主厂房下游侧的宽度，等于蜗壳-Y轴向的尺寸加上其外侧混凝土的厚度，或发电机外风罩半径加上1.2~1.5米的通道宽度，并以两者中的较大值为控制尺寸。本设计中，考虑到蜗壳和尾水管的长度尺寸已知，以尾水管长度为控制尺寸，及从蜗壳中心到尾水管出水口处距离为4.5米。经检验，此设计也满足下游预留1.5米宽的通道的要求。（3）主厂房宽度还应该考虑调运水轮机转轮连轴或发电机转子连轴时的净空要求。另外，吊车梁柱子内缘与桥式起重机断面的最小距离应按照起重机的要求留有60~100毫米的要求。本设计中取为60毫米。计算公式如下：B=𝐵12+𝐵2+𝑊1+𝑊2+𝐶1+𝐶2式中，𝐵1为发电机外风罩直径，这里取4.920m；𝐵2为蜗壳中心到尾水管出水口处距离，4.5m；𝑊1、𝑊2分别为上下游预留的通道宽度，即0.5m、1.5m；𝐶1、𝐶2为主要机电设备调速器、机旁盘尺寸，这里取为1.4m、0.7m。故厂房宽度为B=4.920/2+4.5+0.5+1.5+1.4+0.7=11.06m。5.3安装间相关尺寸的确定5.3.1长度的确定安装间的长度一般为机组段的1~1.5倍，本设计中取安装间长度𝐿3=𝐿1=6920mm。5.3.2安装间尺寸对主厂房宽度的修改安装间的最大尺寸应满足在起重机主钩起吊范围内能容纳一台机组大修的要求。通常包括发电机上机架、发电机转子、水轮机转轮和水轮机下机架四大件的存放，以及周围相应的工作空间和运输工具的通行空间。具体如下：（1）5.3.3进厂大门的尺寸和方向进场的铁路和公路，尤其是铁路线，尽可能与厂房纵轴线垂直。如受地形等条件限制，不得不布置成与厂房纵轴线平行，在这种情况下，为了防止事故，应在厂前设置阻进器和安全道岔。安全道岔至安装间这一段线路不得有坡度，进场车辆必须在安全道岔前停稳，然后再缓慢进厂，以确保电厂安全。本设计采用公路运输。按照规定，通行载重汽车的大门宽度一般不小于3.3m，高度不小于4.5m。这里取值略高于标准规定，大门宽度取为4.0m，高度取为5.0m。5.4主厂房长度的确定主厂房的长度取决于机组段长度、机组台数和安装间长度。主厂房总长度为：L=𝐿1+𝐿2+𝐿3=6920+9688+6920=23528mm≈24000mm5.5主厂房宽度的确定6机组安装高程及厂房立面高程的确定6.1机组安装高程机组安装高程是一个控制性的高程，它取决于水轮机的机型、允许吸出高度和电站建成后产房的下游最低水位。对于竖轴水轮机，机组安装高程是指导水叶中心高程，且对于反击式水轮机，安装高程取决于允许的吸出高度Hs。允许吸出高度Hs应根据水轮机在运行时不发生空蚀的最大允许压力降低值来确定，计算公式如下：𝐻𝑠=𝑃−(𝜎+∆𝜎)×𝐻−𝐸/900式中，P为大气压力，可取10m水柱高；H为计算水头，这里取发电机的最大发电水头75m；E/900为水电站厂房所在地点的校正值，E为厂房所在地的海拔高程，从平面布置图上可以看出，本设计中厂房所在地高程为1320m；𝜎空蚀系数，已知为0.133；∆𝜎由模型换算到实际水轮机是，空蚀系数修正值，它是一个与额定水头或设计水头有关的量，已知水轮机设计水头为55m，查表得∆𝜎为0.023，故𝐻𝑠=10−(0.133−0.023)×75−1320900=−3.1667𝑚。安装高程∇𝑎可由以下公式计算：∇𝑎=∇𝑤+𝐻𝑠+𝑏0/2式中，∇𝑤为设计流量时下游水位，已知为1318.0m；𝐻𝑠为吸出高度，即-3.1667m；𝑏0为导水叶高度，这里为0.25m。故∇𝑎=1318.0−3.1667+0.252=1315.0m。6.2尾水管底开挖高程Ec尾水管底开挖高程Ec可由以下计算公式进行：𝐸𝑐=∇𝑎−𝑏02−𝐻Ta−δ1式中，𝐻Ta为尾水管高度，已知为2.610m；δ1为尾水管底板混凝土厚度，这里取0.8m；其他变量定义同前。故𝐸𝑐=1318.0−0.252−2.610−0.8=1311.5m。6.3蝴蝶阀层高程Eva蝴蝶阀层高程Eva可由以下计算公式进行：𝐸va=∇𝑎−𝑅−𝐻sp式中，R为钢管外半径，已知为0.6m；𝐻sp为钢管底至地面的距离，结合经验，这里取为1.8m；其他变量定义同前。故𝐸va=1315.0−0.6−1.8=1312