水電站廠房的基本類型與廠區(qū)布置

PAGEPAGE15第九章水電站廠房的基本類型與廠區(qū)布置水電站廠房的功用、組成與基本類型一、水電站廠房的功用水電站廠房的功用是：通過(guò)一系列的工程建筑，將水流平順的引進(jìn)水輪機(jī)并流向下游；將各種機(jī)電設(shè)備布置于恰當(dāng)?shù)奈恢?，給它們創(chuàng)造良好的安裝、檢修及運(yùn)行條件；為運(yùn)行管理人員創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。二、水電站廠房和廠區(qū)的組成（一）廠區(qū)的組成布置水電站的發(fā)電、變電和配電建筑物的區(qū)域稱為水電站的廠區(qū)。主要由水電站廠房、主變壓器場(chǎng)、高壓開(kāi)關(guān)站和內(nèi)外交通線路四部分組成。廠區(qū)是完成發(fā)、變、配電的主體。在水電站設(shè)計(jì)中，通常將這些建筑物集中布置在一起，故又稱為廠房樞紐。水電站廠房包括主廠房和副廠房。安裝水輪發(fā)電機(jī)組的房間稱為主廠房，是直接將水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿能?chē)間，是廠房的主體。為安裝和檢修主廠房?jī)?nèi)的機(jī)電設(shè)備需要設(shè)置安裝間或稱裝配場(chǎng)。它通常位于主廠房的一端，并成為主廠房的一部分。布置各種機(jī)電控制設(shè)備和輔助設(shè)備的房間，以及運(yùn)行管理人員的工作和生活用房，統(tǒng)稱副廠房，一般圍繞主廠房布置。安裝升壓變壓器的地方稱為主變壓器場(chǎng)。安裝高壓配電裝置的地方稱為開(kāi)關(guān)站。它們通常布置在副廠房附近的露天場(chǎng)地上。由于樞紐布置和地形條件的不同，變壓器場(chǎng)和開(kāi)關(guān)站可以分開(kāi)布置，也可連在一起布置。當(dāng)二者布置在一起時(shí)，稱為升壓變電站。它們的作用是將發(fā)電機(jī)出線端電壓升高至遠(yuǎn)距離送電所要求的電壓，并經(jīng)調(diào)度分配后送向電網(wǎng)。（二）水電站廠房的組成1、按設(shè)備組成系統(tǒng)劃分圖1水電站廠房的組成（1）水流系統(tǒng)：是完成將水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的一系列過(guò)流設(shè)備，包括進(jìn)水管、主閥（如蝴蝶閥）、水輪機(jī)引水室（如蝸殼）、水輪機(jī)、尾水管、尾水閘門(mén)、尾水渠等。（2）電流系統(tǒng)：是發(fā)電、變電、配電的電氣一次回路系統(tǒng)。包括發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)母線、發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)引出線、發(fā)電機(jī)電壓配電裝置（戶內(nèi)開(kāi)關(guān)室）、廠用電系統(tǒng)、主變壓器、高壓配電裝置（戶外開(kāi)關(guān)站）及各種電纜等。（3）電氣控制設(shè)備系統(tǒng)：是控制水電站運(yùn)行的電氣設(shè)備。如互感器、表針、繼電器、控制電纜、自動(dòng)及遠(yuǎn)動(dòng)裝置、通訊及調(diào)度設(shè)備等。（4）機(jī)械控制設(shè)備系統(tǒng)：包括水輪機(jī)的調(diào)速設(shè)備以及主閥、減壓閥、攔污柵和各種閘門(mén)的操作控制設(shè)備等。（5）輔助設(shè)備系統(tǒng)：是為安裝、檢修、維護(hù)、運(yùn)行所必需的各種機(jī)、電輔助設(shè)備。包括廠用電系統(tǒng)；油系統(tǒng)；氣系統(tǒng)；水系統(tǒng)；起重設(shè)備等設(shè)備。上述五大系統(tǒng)各有其不同的作用和要求，在布置時(shí)必須注意它們的相互聯(lián)系，使其互相協(xié)調(diào)地發(fā)揮作用。2、按水電站廠房的結(jié)構(gòu)組成劃分（1）水平面上可分為主機(jī)室和裝配場(chǎng)。（2）垂直面上根據(jù)工程習(xí)慣，主廠房以發(fā)電機(jī)層樓板面為界分為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)兩部分。1）上部結(jié)構(gòu)。包括主機(jī)室和裝配場(chǎng)（有成安裝間），與工業(yè)廠房基本上相似。主機(jī)室是運(yùn)行和管理的主要工作場(chǎng)所，水輪發(fā)電機(jī)組及許多輔助設(shè)備都布置在這里；裝配場(chǎng)是水電站機(jī)、電設(shè)備到貨卸車(chē)、拆箱、組裝和機(jī)組檢修時(shí)使用的地方。2）下部結(jié)構(gòu)。為大體積的整體結(jié)構(gòu)，主要布置水輪機(jī)的過(guò)流系統(tǒng)，其特點(diǎn)是：尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、防滲要求嚴(yán)格、基礎(chǔ)深厚。圖2廠房橫剖面圖三、水電站廠房的基本類型（一）地面式廠房1、河床式廠房當(dāng)水頭較低，單機(jī)容量有較大時(shí)，廠房與整個(gè)進(jìn)水建筑物連成一體，廠房本身起擋水作用稱為河床式廠房。長(zhǎng)江干流上的葛洲壩水利樞紐的廠房是目前我國(guó)裝機(jī)容量最大的河床式廠房，浙江的富春江水電站和廣西的西晉水電站、大化水電站的廠房，也是這種形式。圖3河床式水電站廠房——西津水電站低水頭水電站有時(shí)為了泄洪、排沙的需要，為保證有足夠的溢流寬度和通航要求，可將廠房機(jī)組分別裝設(shè)在溢洪道中加寬的閘墩內(nèi)，發(fā)電機(jī)頂部用罩蓋住，稱為閘墩式廠房或墩內(nèi)式廠房，如黃河上的青銅峽水電站，采用的就是這種形式。這種形式加寬了溢流斷面，節(jié)省廠房段，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通風(fēng)和防滲困難。閘墩式廠房屬于河床式廠房的一種類型。圖4閘墩式水電站廠房——青銅峽水電站低水頭水電站有時(shí)在機(jī)組蝸殼的上方或下方設(shè)泄洪、排沙的泄水孔，利用泄流時(shí)從孔內(nèi)射出的水流，將廠房下游尾水水體推遠(yuǎn)，降低尾水位，起到利用射流增加落差的作用，這種廠房稱為泄水式廠房，又稱為射流增差式廠房。也屬于河床式廠房。2、壩后式廠房當(dāng)水電站水頭較高，建壩擋水，又將廠房緊靠壩布置的廠房，成為壩后式廠房。壩后式廠房又可分為以下幾類：（1）壩后式廠房。廠房在大壩下游，不起擋水作用，發(fā)電用水經(jīng)壩式進(jìn)水口沿壩身壓力管道進(jìn)入廠房。黃河上的三門(mén)峽、龍羊峽水電站和東北豐滿水電站等都屬于此種類型。一般適用于中、高水頭的情況。（2）壩垛式廠房。廠房布置在連拱壩、大頭壩或平板壩的支墩之間。適用于中水頭的情況。安徽省怫子嶺水電站老廠房就采用了這種形式。（3）溢流式廠房。當(dāng)河谷狹窄、泄洪量大、機(jī)組臺(tái)數(shù)多、地質(zhì)條件較差、不能采用地下式廠房而又要求保證有一定寬度的溢流段時(shí)，將廠房布置在溢流坎下面，廠房頂就是溢流面，稱為溢流式廠房。這種形式的廠房結(jié)構(gòu)要求能抵抗高速水流的荷載，溢流面的施工要求平滑，使泄洪時(shí)不致發(fā)生震動(dòng)和氣蝕。新安江水電站廠房是我國(guó)第一座溢流式廠房，云南漫灣水電站廠房也是采用這種形式。其缺點(diǎn)是：廠房計(jì)算復(fù)雜、施工質(zhì)量要求高。圖5壩后式水電站廠房——丹江口水電站圖6壩垛式廠房——安徽佛子嶺水電站圖7溢流式廠房——浙江新安江水電站（4）挑越式廠房位于峽谷中的高水頭大流量水電站，由于河谷狹窄，將廠房布置在挑流鼻坎的后面，泄洪時(shí)高速水流挑越過(guò)廠房頂，水舌射落到下游河床中，稱為挑越式廠房。貴州烏江渡水電站廠房是我國(guó)首次采用這種形式。圖8挑越式廠房——貴州烏江渡水電站對(duì)于溢流式和挑流式廠房來(lái)說(shuō)，需要妥善處理的問(wèn)題是廠房的通風(fēng)、照明、防潮、出線、交通、排水和下游消能及岸坡保護(hù)等。3、壩內(nèi)式廠房當(dāng)洪水量很大，荷故狹窄時(shí)，為減少開(kāi)挖量，將廠房布置在壩體內(nèi)，而在壩頂設(shè)溢洪道，稱為壩內(nèi)式廠房。江西上猶江水電站廠房是我國(guó)第一座壩內(nèi)式廠房，湖南省鳳灘水電站也是采用壩內(nèi)式廠房。這種形式的廠房可以充分利用壩體的強(qiáng)度，省掉廠房的混凝土工程量；在施工時(shí)，壩內(nèi)空腔對(duì)混凝土的散熱和冷卻有利；還可利用空腔安排壩基排水，降低揚(yáng)壓力；廠房布置不受下游水位變化的限制。但壩體施工質(zhì)量要求較高，施工期對(duì)攔洪和導(dǎo)流及大壩分期施工和分期蓄水等方面，不如實(shí)體重力壩。圖9壩內(nèi)式廠房——湖南省鳳灘水電站4、河岸式廠房在引水式和混合式水電站中，水電站廠房通常布置在河道下游的岸邊，這種形式的廠房稱為河岸式廠房。適用于中、高水頭的情況。（二）地下式廠房由于受地形、地質(zhì)的限制，在地面上找不到合適位置建造地面式廠房，而地下有良好的地質(zhì)條件或國(guó)防上需要，將廠房布置在地下山巖中，稱為地下式廠房。此外，還有廠房部分機(jī)組段在地下，部分機(jī)組段在地面的半地下式廠房；或廠房上游側(cè)部分嵌入巖壁，下游側(cè)露出地面的窯洞式半地下式廠房；或廠房機(jī)組等主要設(shè)備布置在地下的豎井中，上部結(jié)構(gòu)和副廠房布置在地面的井式半地下式廠房。對(duì)于地下式和半地下式廠房一定要充分考慮廠房的排水、通風(fēng)、照明、防潮和防噪聲等問(wèn)題。圖10地下式廠房——小浪底水電站（三）抽水蓄能電站廠房和潮汐電站廠房抽水蓄能電站廠房和潮汐電站廠房是近些年來(lái)發(fā)展較快的兩種廠房類型，按廠房結(jié)構(gòu)及廠房在樞紐中的位置分類，抽水蓄能電站廠房和潮汐電站廠房仍可納入地面式或地下式廠房。由于其功能與常規(guī)水電站有所不同，故在此單獨(dú)敘述。1、抽水蓄能電站廠房抽水蓄能電站廠房?jī)?nèi)的機(jī)組具有水泵和水輪發(fā)電機(jī)。它是利用電網(wǎng)中在夜間負(fù)荷低谷時(shí)的電力輸送給抽水蓄能電站，驅(qū)動(dòng)水泵，將低處下水庫(kù)的水抽到高處上水庫(kù)存蓄；當(dāng)高峰負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)，放水到下水庫(kù)，沖動(dòng)水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。當(dāng)電站發(fā)電流量中午天然徑流時(shí)，裝設(shè)有這種機(jī)組的廠房稱為純抽水蓄能電站廠房。如果在常規(guī)水電站廠房?jī)?nèi)擴(kuò)建抽水蓄能機(jī)組，即當(dāng)發(fā)電流量中有部分天然徑流時(shí)，稱為混合式抽水蓄能電站廠房。抽水蓄能電站若魚(yú)河電廠及火電廠聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，既具有調(diào)峰、調(diào)相、備用發(fā)電等功能，又可填谷，提高整個(gè)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。中低水頭時(shí)，抽水蓄能電站廠房常采用地面廠房；高水頭大流量時(shí)，多采用地下式或半地下式廠房。廠房?jī)?nèi)有選用三機(jī)式（每臺(tái)機(jī)組包括發(fā)電機(jī)兼作電動(dòng)機(jī)、水輪機(jī)和水泵三種機(jī)器）或耳機(jī)式可逆機(jī)組（每臺(tái)機(jī)組包括發(fā)電機(jī)兼作電動(dòng)機(jī)和水輪機(jī)兼作水泵）兩種，每種又可分為立軸和臥軸兩類。三機(jī)式機(jī)組在抽水時(shí)，電動(dòng)機(jī)（即發(fā)電機(jī)）驅(qū)動(dòng)水泵抽水，而將水輪機(jī)的活動(dòng)導(dǎo)葉（或球閥）關(guān)閉，利用壓縮空氣將尾水管中水位壓低，使轉(zhuǎn)輪在空氣運(yùn)行；當(dāng)發(fā)電時(shí)，將聯(lián)軸器脫開(kāi)，水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，水泵就不轉(zhuǎn)動(dòng)。圖11抽水蓄能水電站——天荒坪水電站2、潮汐電站廠房利用海水漲落形成的潮汐能發(fā)電的電站稱為潮汐電站。潮汐電站廠房基本上與河床式廠房相同，廠房?jī)?nèi)采用貫流式機(jī)組。潮汐電站能源可靠，雖有周期性間歇，但具有準(zhǔn)確的規(guī)律，可經(jīng)久不息的利用，有計(jì)劃并入電網(wǎng)運(yùn)行；無(wú)淹沒(méi)損失、移民等問(wèn)題；離用電中心的沿海城市較近；水庫(kù)內(nèi)可發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游和圍墾等綜合效益。但耗鋼量大，但單位千瓦的造價(jià)較常規(guī)水電站昂貴，施工條件復(fù)雜，一般需要具有優(yōu)良地形和地質(zhì)的海灣。圖12潮汐水電站——浙江溫嶺江廈潮汐電站第二節(jié)廠區(qū)布置一、廠區(qū)布置的任務(wù)和原則廠區(qū)布置的任務(wù)是以水電站主廠房為核心，合理安排主廠房、副廠房、變壓器場(chǎng)、高壓開(kāi)關(guān)站、引水道（可能還有調(diào)壓室或前池）、尾水道、交通線等的相互位置。由于自然條件、水電站類型和廠房形式不同，廠區(qū)布置是多種多樣的，但應(yīng)遵循以下主要原則：1．應(yīng)綜合考慮自然條件、樞紐布置、廠房形式、對(duì)外交通、廠房進(jìn)水方式等因素，使廠區(qū)各部分與樞紐其他建筑物相互協(xié)調(diào)，避免或減少干擾。2．既要照顧廠區(qū)各組成部分的不同作用和要求，也要考慮它們的聯(lián)系與配合，要統(tǒng)籌兼顧，共同發(fā)揮作用。3．應(yīng)充分考慮施工條件、施工程序、施工導(dǎo)流方式的影響，并盡量為施工期間利用已有鐵路、公路、水運(yùn)及建筑物等創(chuàng)造條件。還應(yīng)考慮電站的分期施工和提前發(fā)電。4．應(yīng)保證廠區(qū)所有設(shè)備和建筑物都是安全可靠的。5．應(yīng)盡量少破壞天然綠化，積極利用、改造荒坡地，盡量少占農(nóng)田。6．應(yīng)采用工程量最少，投資最省，效益最高的方案。二、主廠房布置主廠房是廠房樞紐的主要建筑物。它的布置是廠區(qū)布置的關(guān)鍵。副廠房、主變壓器場(chǎng)、開(kāi)關(guān)站的位置都依它的位置而定。因此選定主廠房的位置必須慎重。下面以地面廠房為主，討論其一般布置規(guī)律。主廠房應(yīng)布置在地質(zhì)條件好、開(kāi)挖量小、岸坡穩(wěn)定、對(duì)外交通方便、施工條件好且導(dǎo)流容易解決、出線方便、對(duì)整個(gè)水利樞紐工程經(jīng)濟(jì)合理的位置。三、副廠房布置大中型水電站都設(shè)有副廠房，小型水電站有時(shí)可不設(shè)專門(mén)的副廠房。水輪機(jī)輔助設(shè)備盡可能放在主廠房?jī)?nèi)，而電氣輔助設(shè)備多裝設(shè)在副廠房?jī)?nèi)。按副廠房的作用可分為三類：1．直接生產(chǎn)副廠房：是布置與電能生產(chǎn)直接有關(guān)的輔助設(shè)備的房間，如中央控制室、低壓開(kāi)關(guān)室等。直接生產(chǎn)副廠房應(yīng)盡量靠近主廠房，以便運(yùn)行管理和縮短電纜。2．檢修試驗(yàn)副廠房：是布置機(jī)電修理和試驗(yàn)設(shè)備的房間，如電工修理間、機(jī)械修理間、高壓試驗(yàn)室等。此類副廠房可結(jié)合直接生產(chǎn)副廠房布置。3．生產(chǎn)管理副廠房：是運(yùn)行管理人員的辦公和生活用房，如辦公室、警衛(wèi)室、盥洗室等。辦公用房宜布置在對(duì)外聯(lián)系方便的地方。由于水電站的形式和規(guī)模不同，副廠房?jī)?nèi)房間的數(shù)量和尺寸也各不相同。副廠房的位置可以在主廠房的上游側(cè)、下游側(cè)或一端。副廠房布置在主廠房上游側(cè)，運(yùn)行管理也比較方便，電纜也較短，在結(jié)構(gòu)上與主廠房連成一體，造價(jià)較經(jīng)濟(jì)。當(dāng)主廠房上游側(cè)比較開(kāi)闊、通風(fēng)采光條件好時(shí)可以采用。副廠房布置在下游會(huì)影響主廠房通風(fēng)采光；尾水管加長(zhǎng)會(huì)增大工程量，且尾水平臺(tái)一般是有振動(dòng)的，中控室不宜布置在該處。副廠房布置在主廠房一端時(shí)，宜布置在對(duì)外交通方便的一端。當(dāng)機(jī)組臺(tái)數(shù)較多時(shí)，會(huì)使電纜及母線加長(zhǎng)。四、變壓器場(chǎng)和開(kāi)關(guān)站的布置主變壓器位于高、低壓配電裝置之間，起著連接升壓作用，它的位置在很大程度上影響著廠房主要電氣設(shè)備的布置，因此常先安置好主變壓器的位置，然后在確定發(fā)電機(jī)引出線及其他電氣設(shè)備的布置。高壓開(kāi)關(guān)站一般為露天式。當(dāng)?shù)匦味妇r(shí)，為了減少開(kāi)挖和平整的工程量，也可采用階梯布置方案或高架方案。高壓開(kāi)關(guān)站的布置，要求高壓引出線及低壓控制電纜安裝方便而短；便于運(yùn)輸、檢修、巡視；土建結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因?yàn)閼敉飧邏号潆娧b置的故障率很低，所以靠近廠房和主變的山坡或河岸上有較為平坦的場(chǎng)地，出線方向和交通均較方便，即可布置開(kāi)關(guān)站。當(dāng)高壓出線電壓不是一個(gè)等級(jí)時(shí)，可以根據(jù)出現(xiàn)回路和出線方向，分設(shè)兩個(gè)以上的高壓開(kāi)關(guān)站。泄水建筑物在泄水時(shí)有水霧，對(duì)高壓線不利，故開(kāi)關(guān)站要距泄水