第10章-水电站厂房的布置设计

第十章水电站厂房的布置设计§1水电站厂房的功用、组成及基本类型一、水电站厂房的功用1、布置设备：使得机电设备能有恰当的位置，为其安装、运行、检修提供条件；2、转换能量：将挡水建筑物或引水建筑物集中的水能转化为电能；3、为人员提供工作环境。二、厂房枢纽建筑物的组成及设备布置四大部分：（1）主厂房；（2）副厂房；（3）变压器场；（4）高压开关站。主要设备可分为5个系统：1.水流系统：钢管、蝶阀、蜗壳、水轮机、尾水管、尾水闸门；2.电流系统：发电机、发电机引出线、低压配电设备、主变、高压开关站、各种电缆、母线；3.电器控制设备：机旁盘、励磁设备、中控室控制设备、互感器、继电器、自动远动装置、通迅设备等；4.机械控制设备：调速设备、各种闸阀的操作设备；5.辅助系统：厂用电系统、油系统（透平油系统、绝缘油系统）、气系统（高压气：20～25kg/cm2，用于油压装置）、水系统（供、排水）、起重设备等。三、水电站厂房的特点1.整个水电站系统的中枢，是实现水能转换为电能的关键部位；2.是水工、机械、电气诸方面的综合体；3.要求严格：除满足强度、稳定等要求外，在通风、照明、防渗、防潮、防火、交通美观等诸方面较一般工业要求严格。四、水电站厂房的类型及主要特征规范上按结构特点及布置方式分为地面式、地下式、坝内式及坝后厂顶溢流式。(电站的类型是以集中水头的方式划分)1、地面厂房（1）坝后式：厂房不挡水，坝与厂房用永久性伸缩缝分开，厂房不参加挡水建筑物的抗滑稳定。（2）河床式：厂房本身挡水，尾水管上部较多空间可布置副厂房，水轮机多为轴流式，如葛州坝。（3）引水式：厂房远离挡水，取水建筑物，厂房纵轴多平行河道。（4）露天式：去掉了常规地面厂房的上部结构，有诸多问题。2、地下厂房：枢纽布置灵活，施工不受季节影响，需要长期的通风照明设备（河道较窄，洪水较大，可减少与泄洪建筑物之间的矛盾）。3、坝内式厂房：谷窄，洪水很大。可解决与泄洪建筑物的矛盾。坝顶溢流，坝内设厂房，节约砼，应力复杂。4、坝后厂顶溢流式：河道窄，泄洪量大。厂房与坝体分开，副厂房可布置在坝与厂房之间。有通风照明问题，注意高速水流引起的振动与空蚀。5、其它类型五、水电站主副厂房的分层主厂房由主厂方构架及其下部块体结构所组成，在高度方面，常分为（主要有）：发电机层、水轮机层、蝴蝶阀层（蜗壳层）。§2水轮机蜗壳及尾水管蜗壳和尾水管是水轮机的引水和泄水设备，它们不仅对水轮机的效率产生明显影响，面且其形状和尺寸也对确定厂房的尺寸有着决定性的作用。一、蜗壳（略）1、分类（1）金属蜗壳适用于流量小、中高水头的电站。断面形状：圆；Vmax=9m/s，包角：一般为345°。（2）钢筋砼蜗壳常用于低水头大流量河床式电站，H=25～35m。一般为梯形，包角在135°～270°之间，180°包角所对应的进口宽度为最小。增大或减小包角都将增大进口宽度，从而增大机组间距。（包角对进口宽度的影响示意图）2、进流特征（1）同一圆周上各点Vr的相等Da：座环固定支座的进口直径B0：导叶高度（2）速度矩等于常数，即（3）0BDQvarKrvu360QQ二、尾水管尾水管是水轮机的重要组成部分，它可以回收部分水流的动能，提高水轮机的效率。1、尾水管的作用（1）设水轮机出口断面为2－2，且无尾水管。没有尾水管时，水轮机所利用的毛水头是H1，没有利用H2，，此二部分损失掉了，总损失：（2）安装圆筒形尾水管转轮出口处形成真空：2-3之间的能量方程：gv222gvHh2222322330222222whgvpHgvpH322323022wwhHhpHHp32vv出口总损失可见，加上尾水管后要好。（3）直锥形尾水管此时出口速度为V5，列出2－3间能量方程：gvhhw22232'hh'322550222222whgvpHgvpH322522222whgvvHp尾水管作用总结：（1）当转轮在下游水位之上时，能使水轮机使用转轮至下游水位的水头；（2）可以利用转轮出口中相当大的一部分，形成附加的动力真空。定义动能利用系数由此式可知：V5与hw2-3愈小，则出口动能利用的愈充分，动能利用系数愈大，d=0.40～0.85。gvhgvgvgvpwd22222232252222动力常用的尾水管形式有直锥形和弯形两种。直锥形：简单、性能最好，开挖量大，常用于小型水轮机，贯流式水轮机。弯形尾水管：动能利用系数d较直锥形为低，可减少开挖量，增加尾水管的高度h和长度L，均可提高动能利用系数d，增加高度h比增加长度L的效果明显，尾水管有标准系列的尺寸。§3厂房平面尺寸的确定一、简述厂房由主机房、安装间、副厂房组成。主机房和安装间称主厂房，小型水电站一般不建副厂房。主厂房的尺寸取决于机组段和安装间的尺寸，机组段的长及宽一般取决于下部块体结构的尺寸，只有高水头的电站才取决于发电机层尺寸及辅助设备。下部块体结构主要包括：基础板、尾水管、蜗壳、机墩、上下游墙、楼板等。这些结构多为大体积砼，采用构造配筋，其中埋件多，止水多，各部分轮廓形状复杂，施工质量要求高。因此要考虑结构的刚度、强度、防渗、抗震、分缝、止水、分期施工等诸方面的问题。二、机组段的长度考虑5个方面的因素：1、蜗壳；2、尾水管；3、发电机的平面尺寸；4、辅助设备的布置；5、结构厚度。1、蜗壳2、尾水管3、考虑发电机通风道外壁的尺寸，再考虑楼梯、通道的宽度，定出纵向尺寸4、考虑辅助设备对厂房尺寸会产生影响高水头电站中，辅助设备对厂房尺寸会产生影响。由以上四步计算，进行比较，取最大值，就确定出了机组段的长度。主厂房总长=机组段长度×机组台数＋安装间长度＋沉陷缝长度三、厂房的宽度（机组中心横剖面图）厂房的宽度应从厂房上部和下部结构的不同因素来考虑。1、下部块体最小宽度上游侧：二期砼之外缘＋阀室＋墙厚下游侧：二期砼＋墙厚蝶阀常放在室内，便于安装修运行管理。2、上部厂房的宽度取决于发电机直径、最大部件的吊运方式、附属设备的位置、尺寸以及其它必须预留的尺寸。如吊车端部距墙的最小距离。由以上1、2比较后确定厂房宽度。四、安装间1、位置与高程（1）位置：厂房端部，可直接对外交通（铁路、公路、水路）（2）高程：①与发电机层同高；②与对外交通同高；③高于下游最高尾水位。发电机层和安装间均低于下游最高尾水位可造成厂房被淹。如乌江渡厂房被淹，黄龙滩80年有两台机组被淹。2、面积（1）宽度：与主厂房同宽，便于桥吊运行；（2）6～10机以下，考虑一台机解体大修的需要，考虑四大件：①转子：布置于主构工作范围之内，周边预留1～2m的工作场地；②发电机上机架：所占面积较大；③水轮机转轮：周边约需1m的工作场地；④水轮机顶盖。其它较小部件，不一定置于安装间修理，可灵活处理，一般安装间长度=机组段长度×1～1.5。§4机组安装高程及其它高程的确定一、机组安装高程竖轴水轮机：导水叶中心高程；横轴水轮机：转轮中心高程；安装高程取决于吸出高度Hs，允许吸出高度是指水轮机中压力最低点至下游水位的距离。吸出高度▽/900：大气压校正值，▽：厂房所在地海拔高程：气蚀系数，由模型试验确定，值越大，动力真空越大，越易产生汽蚀△：气蚀修正系数，与计算水头有关。10900sHH安装高度：对于不同的水轮机：△H取不同的值竖轴混流式：△H=b0/2竖轴轴流式：△H=xD1横轴水轮机：△H=-D1/2HHHss'安装高程：Hs可能为±值，值较大，Hs为负值，表示水轮机在下游水位以下，吸出高度并不产生静力真空，而是在转轮后产生正压。水轮机安装在下游水位以下，会增加土建投资和施工难度，甚至经济上不合理，因此某些气蚀系数大的水轮机如轴流式，贯流式不适于高水头电站。知道▽安装以后，向上可以逐步推出厂顶高程，向下可以推出开挖高程。下游尾水位指运行中可能出现的最低尾水位尾水安装'sH二、其它高程的确定1、开挖高程2、水轮机层高程'02hhb安装开挖''21hD蜗壳进口安装水轮机3、发电机层的高程考虑因素有：（1）保证水轮机层所需之空间；（2）考虑防洪所需的要求；（3）套用发电机轴长。一般说来，▽发电机＞▽max尾水位安装间高程一般与发电机层同高。4、吊车轨顶高程（1）起吊如下物件所需的高程：①发电机带轴；②水轮机带轴；③变压器。（2）吊车尺寸（3）连接方式与安全距离（水平方向安全距离≥0.4m，垂直方向≥0.3m）5、房顶高程轨顶高程＋操作高度减小厂房高度：（1）取消发电机层（？？？）；（2）两台吊车；（3）变压器不抽芯或降低安装间；（4）新型伞式发电机。三、厂房横剖面图§5厂房辅助设备满足机组运行及安装所需要的设备称为辅助设备。可分为油、气、水、起重、调速等方面的设备，这些设备在布置上要满足如下方面的要求：（1）使用上的方便性，且满足功能要求；（2）紧凑但不拥挤：最小尺寸＋安全余幅；（3）上下层之间的照应：如楼梯的布置、吊车的工作范围、吊物孔的布置等；（4）油、气、水管路系统尽量与电气系统分开。颜色标记：红－高压油、黄－低压油、白－气、绿－水；（5）良好的工作环境：尽量考虑到环境的舒适，工作的方便等。一、调速设备调节出力与转速1、调速器柜：方形，布置在发电机层上游侧；2、接力器：上游侧机座内；3、油压装置：靠近调速柜。二、油系统1、透平油：润滑、操作、油罐置于独立房间内，注意防火；2、绝缘油：用于变压器、油开关，常置于厂外。三、水系统1、供水系统：（1）技术供水；（2）消防用水；（3）卫生用水2、排水系统（1）渗漏排水（排水沟－集水井－泵－尾水渠）（2）检修排水（蜗壳、尾水管）四、压气系统高压系统：用于调速系统的油压装置，2.0～2.5MPa。低压系统：用于操作（发电机制动闸），压低尾水管中水面（调相动行），风动工具等。为防止压力波动，要设置储气罐，压气机类噪声大，要远离中控室，常放在安装间下层，水轮机层，副厂房中。五、起重设备一般指桥吊，桥吊可以到达发电机层的绝大部分范围内。1、一台桥吊（多数情况下设定一台）2、二台桥吊（机组大，台数＞6台）两台桥吊可以完全相同，也可一大一小，布置在一高一低位置。§6厂房电器设备低压配电设备常设于主厂房上或下游侧，位于厂房和高压配电设备之间，以缩短母线长度。电气一次回路系统：即电流系统，包括发电机、发电机引出系统、发电机电压配电设备、主变压器、高压开关站及各种电缆、母线。二次回路系统：监控设备的仪表和电缆。包括：机旁盘、励磁盘、中控室中各种表盘、互感器、继电器和控制电缆。§7副厂房一、房间的分类（1）控制运行房间如：中控室、集缆室（布置在中控室下层）、配电开关室、继电保护室、通讯室、蓄电池室、储酸室、充电机室、通风机室、计算机室等。（2）辅助设备室（一定要设置）厂用配电室、厂用变压器室、空压机室、水泵室、空调室、油处理和油罐室等。（3）辅助生产，服务车间机、电、工具车间，油化验室。（4）办公室、休息室、卫生间二、中控室1、位置：靠近主厂房，布置于发电机层附近，可与发电机层同高或高于发电机层，一般不设于尾水管之上，避免噪声和振动。2、要求：通风良好，采光良好，避免日光直射表盘。3、面积与高度大体上：302×台数（据统计）高：4～4.5m＋1.5m的吊顶三、集缆室集缆室就是中控室下层，又称电缆夹层，面积等于或小于中控室的面积，直接位于中控室之下，其净高不宜小于2m，也不宜高于2.5m，只要工作人员能站走来工作就可，太高了反而不便。四、充电机室、酸室、蓄电池室一般布置在一起。注意防爆、通风，通常布置于底层、端部。三峡发电机层三峡水轮机层§8厂区布置设计任务：安排主副厂房、主变室、高压开关站、引水道、尾水渠交通线之间相互位置，使之得以合理安排，经济合理。一、进水布置（1）正向进水（2）侧向进水对于有压引水，一定注是山体的防渗排水问题，过大的外压可使钢管失稳破坏。措施：（1）建造阻水帷幕；（2）阻水帷