水電站廠房的設(shè)計(jì)

1、緒論水電站廠房是水電站主要建筑物之一， 是將水能轉(zhuǎn)換為電能的 綜合工程設(shè)施。廠房中安裝水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和各種輔助設(shè)備。通過 能量轉(zhuǎn)換，水輪發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能，經(jīng)變壓器、開關(guān)站等輸入電網(wǎng) 送往用戶。所以說水電站廠房是水、機(jī)、電的綜合體，又是運(yùn)行人 員進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的場(chǎng)所。其任務(wù)是滿足主、輔設(shè)備及其聯(lián)絡(luò)的線、 纜和管道布置的要求與安裝、運(yùn)行、維修的需要；為運(yùn)行人員創(chuàng)造 良好的工作條件；以美觀的建筑造型協(xié)調(diào)與美化自然環(huán)境。水電站廠區(qū)包括：（1）主廠房。布置著水電站的主要?jiǎng)恿υO(shè)備（水輪發(fā)電機(jī)組） 和各種輔助設(shè)備的主機(jī)室（主機(jī)間） ，及組裝、檢修設(shè)備的裝配場(chǎng) （安裝間），是水電站廠房的主要組成部分。（ 2）副

2、廠房。布置著控制設(shè)備、電氣設(shè)備和輔助設(shè)備，是水 電站的運(yùn)行、控制、監(jiān)視、通訊、試驗(yàn)、管理和運(yùn)行人員工作的房 間。（ 3）主變壓器場(chǎng)。裝設(shè)主變壓器的地方。電能經(jīng)過主變壓器 升高到規(guī)定的電壓后引到開關(guān)站。（ 4）開關(guān)站（戶外高壓配電裝置） 。裝設(shè)高壓開關(guān)、高壓母線 和保護(hù)措施等高壓電氣設(shè)備的場(chǎng)所， 高壓輸電線由此將電能輸往用 戶，要求占地面積較大。由于水電站的開發(fā)方式、樞紐布置、水頭、流量、裝機(jī)容量、 水輪發(fā)電機(jī)組形式等因素，及水文、地質(zhì)、地形等條件的不同，加 上政治、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)及國(guó)防等因素的影響，廠房的布置方式也各不相同，所以廠房的類型有各種不同的劃分，例如按機(jī)組工作特點(diǎn)可分為立式機(jī)組廠房、臥式

3、機(jī)組廠房。根據(jù)廠房在水電站樞紐中的位 置及其結(jié)構(gòu)特征，水電站廠房可分為以下三種基本類型：1. 壩后式廠房。廠房位于攔河壩下游壩趾處，廠房與壩直接 相連，發(fā)電用水直接穿過壩體引人廠房。2. 河床式廠房。廠房位于河床中，本身也起擋水作用，如 廣西西津水電站廠房。若廠房機(jī)組段內(nèi)還布置有泄水道，則成為泄 水式廠房（或稱混合式廠房） ，。3. 引水式廠房。廠房與壩不直接相接，發(fā)電用水由引水建筑物引人廠房。當(dāng)廠房設(shè)在河岸處時(shí)稱為引水式地面廠房。水電站廠房是專門的水工建筑物 , 它具有一般水工建筑物的共性, 故其設(shè)計(jì)有以下的特點(diǎn) :（ 1）廠房?jī)?nèi)安裝水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組和輔助設(shè)備 , 以及控制操作和 進(jìn)行量測(cè)的設(shè)

4、備 , 主要任務(wù)是發(fā)電 ,所以廠房設(shè)計(jì)必須保證機(jī)電設(shè)備的 安全運(yùn)行和提供良好的維護(hù)條件。（ 2）水電站廠房是水工、機(jī)械和電機(jī)以及自動(dòng)控制、電子設(shè) 備的綜合體 , 在設(shè)計(jì)、 施工和運(yùn)行中 , 必須把幾個(gè)方面配合好 , 使綜合體 優(yōu)化。（ 3）水電站廠房設(shè)計(jì)應(yīng)力求緊湊和簡(jiǎn)單 , 使建筑上美觀 ,運(yùn)行 方便, 而不求豪華。（ 4）廠房?jī)?nèi)運(yùn)行管理人員應(yīng)力求精簡(jiǎn) , 應(yīng)保證他們有良好工作 條件和衛(wèi)生環(huán)境。（5）水電站廠房多建在偏僻地區(qū) , 而機(jī)電設(shè)備一般既大又重 , 所以必須有較好的對(duì)外交通運(yùn)輸條件。6）設(shè)計(jì)水電站廠房時(shí) , 要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦巍?地質(zhì)和水文條件既考慮安排好壓力輸水管的進(jìn)水和尾水管的出水條

5、件 , 又要考慮到廠 房與變壓器和開關(guān)站在布置上的配合要求。由上述特點(diǎn)可見 , 水電站廠房設(shè)計(jì)是比較復(fù)雜的 , 其中最關(guān)鍵 的是要選擇好水輪發(fā)電機(jī)組 , 即要盡可能選用轉(zhuǎn)速高、 尺寸小、 重量輕 的機(jī)組 , 因?yàn)閺S房尺寸和起重設(shè)備的規(guī)模等都是隨著機(jī)組的尺寸而定 的。對(duì)于一般的地面式廠房 , 選擇合適的吸出高度也是非常重要的。 而 且, 全廠的機(jī)組臺(tái)數(shù)不宜太多。 總之, 在設(shè)計(jì)中要做多個(gè)比較布置方案 , 進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行管理綜合比較 , 以選擇確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。第一章 水電站廠房的位置及形式選定第一節(jié) 水電站廠房的選擇根據(jù)報(bào)告審查會(huì)決定采用鋼筋混凝土面板堆石壩為壩型，選 中壩址建壩。左岸河岸式

6、溢洪道，右岸長(zhǎng)隧洞引水，在桐子營(yíng)大橋以 下 420 米處河道右側(cè)建岸邊廠房的樞紐總體布置方案。通過工程所在 地區(qū)水文、地質(zhì)、地形、地貌構(gòu)造，初步擬定在桐子營(yíng)大橋以下 420 米處， 靠近貢水河的右岸桔園處建設(shè)廠房， 采用引水式廠房布置形式， 通過有壓隧洞引水。 選此處是因?yàn)樵摰貐^(qū)位于角礫巖、 粉砂巖巖基上， 地基比較好，地勢(shì)平坦、開闊，廠房容易布置，從而工程開挖量小， 交通便利，可節(jié)省材料和費(fèi)用，便于工程的施工，另外，該地區(qū)靠近 汞水河，從而比較容易泄水。第二節(jié) 廠房布置方岸的選定方岸一：主廠房位于桔園平坦處，副廠房位于主廠房上游一 側(cè)，升壓站緊接副廠房，尾水渠布置在主廠房下游，斜對(duì)河岸。這個(gè)

7、 方岸的優(yōu)點(diǎn)是（ 1）基礎(chǔ)開挖幾劈坡工程量小。 （ 2）尾水出口與河道斜 交，免受下泄洪水的頂托。 （3）升壓站緊接副廠房，縮短了引出線的 長(zhǎng)度。方岸二：副廠房位于主廠房的兩側(cè)，位于進(jìn)廠公路的一側(cè)， 升壓站位于主廠房的左側(cè)，尾水渠布置在主廠房的下游。這個(gè)方岸的 優(yōu)點(diǎn)是（ 1）靠近公路，交通便利。 （2）升壓站遠(yuǎn)離副廠房，延長(zhǎng)了引 出線的長(zhǎng)度。對(duì)于上述兩個(gè)方岸的比較，可以得出結(jié)論：方岸一，工程量小，主副廠房布置緊湊，廠區(qū)布置合理，雖有一些不足之處，但較方 案二是利多弊少，故采用方案一。第二章 下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與布置第一節(jié) 水輪機(jī)的計(jì)算一、水輪機(jī)型號(hào)及主要參數(shù)選擇：1. 水電站最大水頭 Hmax=6

8、5.89m,設(shè)計(jì)水頭Hr=50.4m,加權(quán)平 均水頭 Hav=Hr=50.4m,最小水頭Hmin=35.7m,裝機(jī)容量為24MV初步布置2臺(tái)機(jī)組，則 單機(jī)容量為 12MV。2. 水輪機(jī)型號(hào)選擇根據(jù)該水電站的水頭變化范圍 35.7m65.89m,在水輪機(jī)系列型譜 表3-4，查出合適的機(jī)型有 HL230和HL220,現(xiàn)將這兩種水輪機(jī)作為初 選方案，分別求出其有關(guān)系數(shù)，并進(jìn)行分析。水輪機(jī)HL230型水輪機(jī)方案的主要參數(shù)選擇(1 )轉(zhuǎn)輪直徑Di計(jì)算查表3-6可得HL230型水輪機(jī)在限制工況下的單位流量Qi=1110L/S=1.11 m3/s,效率m=85.2%，由此可初步假定原型水輪機(jī)在該工況下的單位

9、流量 Qm=Q'=1.11 m3/s,效率=86.0%,設(shè)gr =97%水輪機(jī)的額定出力Nr =Ngrgr12000 =12371KW 上述的0.97Q1、Nr =12371KWHr =50.4m 代 入 式D1Nr9.81Q1'Hr , Hr123719.81 1.11 50.4 . 50.4 86%=1.85m(2.1 )選用與之接近而偏大的標(biāo)稱直徑D1 =2.0m(2)轉(zhuǎn)速n的計(jì)算查表3-4可得HL230水輪機(jī)在最有工況下單位轉(zhuǎn)速n°=71.0r/min,初步假定 m = n1o=71.Or/min,將已知的 口。和 Hav=50.4m,D1 =2.0m代入式門

10、=比-=口=252.0r/min,選用與之接近而偏大D12.0的同步轉(zhuǎn)速 n=300r/min. ( 2.2 )3. 效率及單位參數(shù)修正HL230型水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的模型最高效率為M max =90.7%,模型轉(zhuǎn)輪直徑為D1M =0.404，根據(jù)式3-14可得原型效率：max=1-5M max=1-1 0.907 5.024O4=93%(2.3)則效率修正值為V =93.2%-90.7%=2.5%.考慮到模型與原型水輪機(jī)在制造工藝質(zhì)量上的差異，常在已求得的值中再減去一個(gè)修正值。先取=1.7%，則可得效率修正值為=1.7%，由此可得原型水輪機(jī)在最優(yōu)工況和限制工況下的效率為max M max90

11、.7%0.8%91.5%85.2% 0.8% 86.0%（與上述假定值相同）單位轉(zhuǎn)速的修正值按下式計(jì)算：n1 n；0m max廠Mmax 1(2.4 )貝H ='.max/一M max 1 0.915/ 0.907 1 0.44%ni0m由于n1/ nWm 3.0%，按規(guī)定單位轉(zhuǎn)速可不加修正，同時(shí)單位流量Q1也可不加修正。由上可見原假定的=86% Q1 Qm、n；0 n°m是正確的，那么上述計(jì)算及選用的結(jié)果D12.0m , n 300r/min是正確的4. 工作范圍的檢驗(yàn)在選定D12.0m , n 300r/min后，水輪機(jī)的Q；max及各特征水頭Q1maxNr9.81D；H

12、r. Hr相對(duì)應(yīng)的n1即可計(jì)算出來。水輪機(jī)在Hr,Nr下工作時(shí)，其Q1即為Q1max ,2=: =1.024<1.11 m3 /s9.81 22 50.450.4 0.86(2.5)則 水 輪機(jī) 的 最大 引 用 流量 為Q max QmaxDf/HV 1.024 22 J50.4 29.08m3/s與特征水頭Hmax,Hmin和Hr相對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速為"min300 2.65.8973.92r / min(2.6) maxn0300 235.7100.42r/minnD1Hr300 2.50.484.52r/min在HL230型水輪機(jī)模型綜合特性曲線圖上分別繪出Q1max 10

13、24L/S ,n'max 100.42r/min, n吋73.92r/min的直線，這三根直線所圍成的水輪機(jī)工 作范圍(圖中陰影部分)基本上包含了該特性曲線的高效率區(qū)，所以 對(duì)于HL230型水輪機(jī)方案，所選定的參數(shù)D1 2.0m , n 300r / min是合理的。5. 吸出高度Hs計(jì)算由水輪機(jī)的設(shè)計(jì)工況參數(shù)n1r =84.52r/min, Q1max 1024L/S,在圖 上可查得相應(yīng)的氣蝕系數(shù)約為0.17,并在圖2-26上查得氣蝕系數(shù)的修正值約為0.025，由此可求出水輪機(jī)的吸出高度為：Hs 10 ()H 10 590(0.170.025) 50.40.48m4.0m900900

14、(2.7 )可見HL230型水輪機(jī)方案的吸出高度滿足電站要求。、水輪機(jī)HL220型水輪機(jī)方案的主要參數(shù)選擇1. 轉(zhuǎn)輪直徑Di的計(jì)算查水力機(jī)械可得 HL220型水輪機(jī)在限制工況下的單位流量Qi=1150L/S=1.15 m3/s,效率m=89.0%，由此可初步假定原型水輪機(jī)在該工況下的單位流量 Qm=Q=1.15 m3/s,效率=90.0%,設(shè)gr =97%水輪機(jī)的額定出力Nr =Ngrgr=需=12371順上述的 Qi'、 和 Nr =12371KW、 Hr =50.4m 代入式D1 =Nr123719.81Q；Hr9.81 1.15 50.4 . 50.4 90%1.84m選用與之接

15、近而偏大的標(biāo)稱直徑D1 =2.0m2. 轉(zhuǎn)速n的計(jì)算水力機(jī)械查表 3-4可得HL220水輪機(jī)在最有工況下單位轉(zhuǎn) 速口。=70.0r/min, 初 步假定n0m = % =70.0r/min,將 已 知 的口。和Hav=50.4m， D1 =2.0m 代入式 n=n-H=70504 =248.5r/min,選用與之D12.0接近而偏大的同步轉(zhuǎn)速n=250r/mi n.3. 效率及單位參數(shù)修正可得 HL230型水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的模型最高效率為Mmax=91.0%，模型轉(zhuǎn)輪直徑為 九=0.46，根據(jù)式3-14可得原型效率max = 1-15Mmax D151 0.91豊=93.3%則效率修正值為V

16、 =93.3%-91.0%=2.3%.考慮到模型與原型水輪機(jī)在 制造工藝質(zhì)量上的差異，常在已求得的值中再減去一個(gè)修正值。先取=1.3%，則可得效率修正值為=1.0%，由此可得原型水輪機(jī)在最優(yōu)工況和限制工況下的效率為max M max91.0% 1.0%92.0%89.0% 1.0% 90.0%（與上述假定值相同）單位轉(zhuǎn)速的修正值按下式計(jì)算:n1n 10mmax/M max則=n 10mM max10.55%由于n；/ nWm 3.0%，按規(guī)定單位轉(zhuǎn)速可不加修正，同時(shí)單位流量Q1也可不加修正。由上可見原假定的=90.0%、Q' Q1m、nw nWm是正確的，那么上述計(jì)算及選用的結(jié)果D1

17、2.0m， n 250r/min是正確的。4. 工作范圍的檢驗(yàn)在選定U 2.0m， n 250r/min后，水輪機(jī)的Qmax及各特征水頭相對(duì)應(yīng)的n1即可計(jì)算出來。水輪機(jī)在Hr,Nr下工作時(shí)，其Q1即為Q1max，Q1max= Nr9.81D；Hr； Hr故1237 1=0.968<1.15 m3/s9.81 22 50.4 . 50.4 0.91則 水輪機(jī) 的 最大 引 用Q max Qmax D；TH? 0.968 22 丁50.4 27.49m3 / s與特征水頭Hmax,Hmin和相對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速為 minnU250 2.65.8961.60r / minmaxnU250 283.

18、68r / minnDi250 2r Hr .50.470.43r / min在HL230型水輪機(jī)模型綜合特性曲線圖上分別繪出Qlmax 968L/S ,nax 83.68r/min, n；min 61.60r/min的直線，這三根直線所圍成的水輪機(jī)工 作范圍(圖中陰影部分)基本上包含了該特性曲線的高效率區(qū)，所以 對(duì)于HL220型水輪機(jī)方案，所選定的參數(shù)D1 2.0m， n 250r/min是合理的。5. 吸出高度Hs計(jì)算由水輪機(jī)的設(shè)計(jì)工況參數(shù)n1r =70.4r/min, Qt 968L/ S,在圖上可查得相應(yīng)的氣蝕系數(shù)約為0.133，并在圖水力機(jī)械查得氣蝕系數(shù)的修正值約為0.025，由此可

19、求出水輪機(jī)的吸出高度為：Hs 10 ( )H 10 590 (0.1330.025)50.41.38m4.0m900900可見HL220型水輪機(jī)方案的吸出高度滿足電站要求三、兩種方案的比較分析表2-1水輪機(jī)方案參照對(duì)照表序號(hào)項(xiàng)目HL230HL2201推薦使用的水頭 范圍35 6550852最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速1q0 r/ min71703模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)(最優(yōu)單位流量Q°L/S)91310004最咼效率max %90.791.05氣蝕系數(shù)0.170.1336工作水頭范圍(m)50.465.8950.465.897轉(zhuǎn)輪直徑D1 m2.02.08轉(zhuǎn)速 n(r/mi n)3002509最咼效率max

20、%91.592.010額定出力Nr KW123711237111最大引用流量Qmax m3/S29.0827.4912吸出高度Hs m0.481.38由表可見，兩種機(jī)型方案的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D相同均為2.0m，但HL220型水輪機(jī)方案的工作范圍包含了較多的高效率區(qū)域，運(yùn)行效率 較高、氣蝕系數(shù)較小、有利于提高年發(fā)電量，而HL230型水輪機(jī)方案的機(jī)組轉(zhuǎn)速較高，有利于減小發(fā)電機(jī)尺寸、降低發(fā)電機(jī)造價(jià)。根據(jù)以 上分析，在限制供貨方面沒有問題時(shí)，初步選用HL220型水輪機(jī)方案，故水輪機(jī)型號(hào)為 HL220 LJ 200o第二節(jié)水輪發(fā)電機(jī)的型式選擇本設(shè)計(jì)為大中型水電站，故采用大中型機(jī)組，采用立式SF1218 3

21、600型發(fā)電機(jī)表2-2發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)單機(jī)容量(KW)功率因數(shù)(COS )額定電壓額定容量(KVA)120000.910.513333一、水輪機(jī)主要尺寸估算1.極距；Kj4Sf 9 4扇 43.69cmj 2P . 2 12(2.8)式中:Sf 發(fā)電機(jī)額定容量（13333KVA磁極對(duì)數(shù)（12）2.Di2.9)3.2.10Kj 系數(shù)，一般取（8-10 ）在這里取定子內(nèi)徑Di2p 2 12 43.693.14定子鐵芯長(zhǎng)度 ItItSf2CDi neC-333.94 cm額定轉(zhuǎn)Di定子內(nèi)徑系數(shù)(4* 10 6 6.5*10Kj=9速（r/min ）6）此處取5* 10 6133336I二t CDi2

22、ne 5 106 333.942 25095.65cmDiI tn333.9495.65 2500.0140.035所以采用懸式水輪發(fā)電機(jī)94. 定子鐵芯外徑Da （機(jī)座號(hào)）ne 250r/min 166.7r / minDa = Di333.94 43.69則取Da=378cm,故發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF12 12/ 378377.63cm二、外形尺寸估算1. 平面尺寸估算（ 1）定子機(jī)座外徑 D1Q 214 ne 250r /min 300D1 1.20Da 1.20*378 453.6cm（ 2）風(fēng)罩內(nèi)徑 D2QSf 20000KVAD2 D1 2.0 453.6 200 653.6cm（3）轉(zhuǎn)子外徑D3 Di 2單邊空氣間隙，初步估算時(shí)可忽略不計(jì)D3 Di 333.94cm（ 4）下機(jī)座最大跨度 D4Q 10000 Sf 100000 KVAD4 D5 0.6m式中D5為水輪機(jī)基坑直徑9 D5=3.0mD4 D5 0.6m=3.0+0.6=3.6m=3600cm（