水电站厂房设计

1绪论水电站厂房是水电站主要建筑物之一，是将水能转换为电能的综合工程设施。厂房中安装水轮机、发电机和各种辅助设备。通过能量转换，水轮发电机发出的电能，经变压器、开关站等输入电网送往用户。所以说水电站厂房是水、机、电的综合体，又是运行人员进行生产活动的场所。其任务是满足主、辅设备及其联络的线、缆和管道布置的要求与安装、运行、维修的需要；为运行人员创造良好的工作条件；以美观的建筑造型协调与美化自然环境。水电站厂区包括：（1）主厂房。布置着水电站的主要动力设备（水轮发电机组）和各种辅助设备的主机室（主机间），及组装、检修设备的装配场（安装间），是水电站厂房的主要组成部分。（2）副厂房。布置着控制设备、电气设备和辅助设备，是水电站的运行、控制、监视、通讯、试验、管理和运行人员工作的房间。（3）主变压器场。装设主变压器的地方。电能经过主变压器升高到规定的电压后引到开关站。（4）开关站（户外高压配电装置）。装设高压开关、高压母线和保护措施等高压电气设备的场所，高压输电线由此将电能输往用户，要求占地面积较大。由于水电站的开发方式、枢纽布置、水头、流量、装机容量、水轮发电机组形式等因素，及水文、地质、地形等条件的不同，加上政治、经济、生态及国防等因素的影响，厂房的布置方式也各不相同，所以厂房的类型有各种不同的划分，例如按机组工作特点可分为立式机组厂房、卧式机组厂房。根据厂房在水电站枢纽中的位置及其结构特征，水电站厂房可分为以下三种基本类型：1.坝后式厂房。厂房位于拦河坝下游坝趾处，厂房与坝直接相连，发电用水直接穿过坝体引人厂房。2.河床式厂房。厂房位于河床中，本身也起挡水作用，如广西西津水电站厂房。若厂房机组段内还布置有泄水道，则成为泄水式厂房（或称混合式厂房），。3.引水式厂房。厂房与坝不直接相接，发电用水由引水建筑物引人厂房。当厂房设在河岸处时称为引水式地面厂房。水电站厂房是专门的水工建筑物,它具有一般水工建筑物的共性,故其设计有以2下的特点:（1）厂房内安装水轮机发电机组和辅助设备,以及控制操作和进行量测的设备,主要任务是发电,所以厂房设计必须保证机电设备的安全运行和提供良好的维护条件。（2）水电站厂房是水工、机械和电机以及自动控制、电子设备的综合体,在设计、施工和运行中,必须把几个方面配合好,使综合体优化。（3）水电站厂房设计应力求紧凑和简单,使建筑上美观,运行方便,而不求豪华。（4）厂房内运行管理人员应力求精简,应保证他们有良好工作条件和卫生环境。（5）水电站厂房多建在偏僻地区,而机电设备一般既大又重,所以必须有较好的对外交通运输条件。（6）设计水电站厂房时,要根据当地的地形、地质和水文条件,既考虑安排好压力输水管的进水和尾水管的出水条件,又要考虑到厂房与变压器和开关站在布置上的配合要求。由上述特点可见,水电站厂房设计是比较复杂的,其中最关键的是要选择好水轮发电机组,即要尽可能选用转速高、尺寸小、重量轻的机组,因为厂房尺寸和起重设备的规模等都是随着机组的尺寸而定的。对于一般的地面式厂房,选择合适的吸出高度也是非常重要的。而且,全厂的机组台数不宜太多。总之,在设计中要做多个比较布置方案,进行技术经济、运行管理综合比较,以选择确定最优设计方案。3第一章水电站厂房的位置及形式选定第一节水电站厂房的选择根据报告审查会决定采用钢筋混凝土面板堆石坝为坝型，选中坝址建坝。左岸河岸式溢洪道，右岸长隧洞引水，在桐子营大桥以下420米处河道右侧建岸边厂房的枢纽总体布置方案。通过工程所在地区水文、地质、地形、地貌构造，初步拟定在桐子营大桥以下420米处，靠近贡水河的右岸桔园处建设厂房，采用引水式厂房布置形式，通过有压隧洞引水。选此处是因为该地区位于角砾岩、粉砂岩岩基上，地基比较好，地势平坦、开阔，厂房容易布置，从而工程开挖量小，交通便利，可节省材料和费用，便于工程的施工，另外，该地区靠近汞水河，从而比较容易泄水。第二节厂房布置方岸的选定方岸一：主厂房位于桔园平坦处，副厂房位于主厂房上游一侧，升压站紧接副厂房，尾水渠布置在主厂房下游，斜对河岸。这个方岸的优点是（1）基础开挖几劈坡工程量小。（2）尾水出口与河道斜交，免受下泄洪水的顶托。（3）升压站紧接副厂房，缩短了引出线的长度。方岸二：副厂房位于主厂房的两侧，位于进厂公路的一侧，升压站位于主厂房的左侧，尾水渠布置在主厂房的下游。这个方岸的优点是（1）靠近公路，交通便利。（2）升压站远离副厂房，延长了引出线的长度。对于上述两个方岸的比较，可以得出结论：方岸一，工程量小，主副厂房布置紧凑，厂区布置合理，虽有一些不足之处，但较方案二是利多弊少，故采用方案一。4第二章下部结构的设计与布置第一节水轮机的计算一、水轮机型号及主要参数选择：1.水电站最大水头maxH=65.89m，设计水头rH=50.4m，加权平均水头avH=rH=50.4m,最小水头minH=35.7m，装机容量为24MV，初步布置2台机组，则单机容量为12MV。2.水轮机型号选择根据该水电站的水头变化范围35.7m~65.89m,在水轮机系列型谱表3-4，查出合适的机型有HL230和HL220,现将这两种水轮机作为初选方案，分别求出其有关系数，并进行分析。水轮机HL230型水轮机方案的主要参数选择（1）转轮直径1D计算查表3-6可得HL230型水轮机在限制工况下的单位流量'1Q=1110L/S=1.113m/s,效率m=85.2%，由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量'1mQ='1Q=1.113m/s,效率=86.0%，设gr=97%水轮机的额定出力rN=grgrN=120000.97=12371KW,上述的'1Q、和rN=12371KW、rH=50.4m代入式1D='19.81rrrNQHH=123719.811.1150.450.486%=1.85m﹙2.1﹚选用与之接近而偏大的标称直径1D=2.0m（2）转速n的计算查表3-4可得HL230水轮机在最有工况下单位转速'10n=71.0r/min,初步假定'10mn='10n=71.0r/min,将已知的'10n和avH=50.4m，1D=2.0m代入式n='11nHD=7150.42.0=252.0r/min,选用与之接近而偏大的同步转速n=300r/min.﹙2.2﹚3.效率及单位参数修正HL230型水轮机在最优工况下的模型最高效率为maxM=90.7%，模型转轮直径为51MD=0.404，根据式3-14可得原型效率：max=1-51max11mMDD=1-50.40410.9072.0=93.2%﹙2.3﹚则效率修正值为=93.2%-90.7%=2.5%.考虑到模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异，常在已求得的值中再减去一个修正值。先取=1.7%，则可得效率修正值为=1.7%，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为maxmax90.7%0.8%91.5%M85.2%0.8%86.0%M（与上述假定值相同）单位转速的修正值按下式计算：''110maxmax/1mMnn﹙2.4﹚则'1'10mnn=maxmax/10.915/0.90710.44%M由于''110/3.0%mnn，按规定单位转速可不加修正，同时单位流量'1Q也可不加修正。由上可见原假定的=86%、''11mQQ、''1010mnn是正确的，那么上述计算及选用的结果12.0Dm，300/minnr是正确的。4.工作范围的检验在选定12.0Dm，300/minnr后，水轮机的'1maxQ及各特征水头相对应的'1n即可计算出来。水轮机在,rrHN下工作时，其'1Q即为'1maxQ，故'1maxQ=221123719.819.81250.450.40.86rrNrDHH=1.0241.113m/s﹙2.5﹚则水轮机的最大引用流量为'2231max1max1.024250.429.08/rQQDHms与特征水头maxmin,HH和rH相对应的单位转速为'11minmax300273.92/min65.89nDnrH﹙2.6﹚'11maxmin3002100.4235.7nDnHr/min'11300284.52/min50.4rrnDnrH在HL230型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出'1max1024/QLS，''1max1min100.42/min,73.92/minnrnr的直线，这三根直线所围成的水轮机工作范围（图6中阴影部分）基本上包含了该特性曲线的高效率区，所以对于HL230型水轮机方案，所选定的参数12.0Dm，300/minnr是合理的。5.吸出高度sH计算由水轮机的设计工况参数'1rn=84.52r/min,'1max1024/QLS,在图上可查得相应的气蚀系数约为0.17，并在图2-26上查得气蚀系数的修正值约为0.025，由此可求出水轮机的吸出高度为：59010()10(0.170.02550.40.484.0900900sHHmm）﹙2.7﹚可见HL230型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。二、水轮机HL220型水轮机方案的主要参数选择1.转轮直径1D的计算查《水力机械》可得HL220型水轮机在限制工况下的单位流量'1Q=1150L/S=1.153m/s,效率m=89.0%，由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量'1mQ='1Q=1.153m/s,效率=90.0%，设gr=97%水轮机的额定出力rN=grgrN=120000.97=12371KW上述的'1Q、和rN=12371KW、rH=50.4m代入式1D='19.81rrrNQHH=123711.849.811.1550.450.490%m选用与之接近而偏大的标称直径1D=2.0m2.转速n的计算《水力机械》查表3-4可得HL220水轮机在最有工况下单位转速'10n=70.0r/min,初步假定'10mn='10n=70.0r/min,将已知的'10n和avH=50.4m，1D=2.0m代入式n='11nHD=7050.42.0=248.5r/min,选用与之接近而偏大的同步转速n=250r/min.3.效率及单位参数修正可得HL230型水轮机在最优工况下的模型最高效率为maxM=91.0%，模型转轮直7径为1MD=0.46，根据式3-14可得原型效率max=1-51max11mMDD=1-50.4610.912.0=93.3%则效率修正值为=93.3%-91.0%=2.3%.考虑到模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异，常在已求得的值中再减去一个修正值。先取=1.3%，则可得效率修正值为=1.0%，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为maxmax91.0%1.0%92.0%M89.0%1.0%90.0%M（与上述假定值相同）单位转速的修正值按下式计算：''110maxmax/1mMnn则'1'10mnn=maxmax0.92/110.55%0.91M由于''110/3.0%mnn，按规定单位转速可不加修正，同时单位流量'1Q也可不加修正。由上可见原假定的=90.0%、''11mQQ、''1010mnn是正确的，那么上述计算及选用的结果12.0Dm，250/minnr是正确的。4.工作范围的检验在选定12.0Dm，250/minnr后，水轮机的'1maxQ及各特征水头相对应的'1n即可计算出来。水轮机在,rrHN下工作时，其'1Q即为'1maxQ，故'1maxQ=221123719.819.81250.450.40.91rrNrDHH=0.9681.153m/s则水轮机的最大引用流量为'22