水电站厂房的设计

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

2、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

3、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

4、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

5、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。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

6、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

7、 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。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 Hmax=6

8、5.89m,设计水头Hr=50.4m,加权平 均水头 Hav=Hr=50.4m,最小水头Hmin=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 35.7m65.89m,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Di计算查表3-6可得HL230型水轮机在限制工况下的单位流量Qi=1110L/S=1.11 m3/s,效率m=85.2%，由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位

9、流量 Qm=Q'=1.11 m3/s,效率=86.0%,设gr =97%水轮机的额定出力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 )选用与之接近而偏大的标称直径D1 =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n°=71.0r/min,初步假定 m = n1o=71.Or/min,将已知的 口。和 Hav=50.4m,D1 =2.0m代入式门

10、=比-=口=252.0r/min,选用与之接近而偏大D12.0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M max =90.7%,模型转轮直径为D1M =0.404，根据式3-14可得原型效率：max=1-5M max=1-1 0.907 5.024O4=93%(2.3)则效率修正值为V =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max M max90

11、.7%0.8%91.5%85.2% 0.8% 86.0%（与上述假定值相同）单位转速的修正值按下式计算：n1 n；0m max厂Mmax 1(2.4 )贝H ='.max/一M max 1 0.915/ 0.907 1 0.44%ni0m由于n1/ nWm 3.0%，按规定单位转速可不加修正，同时单位流量Q1也可不加修正。由上可见原假定的=86% Q1 Qm、n；0 n°m是正确的，那么上述计算及选用的结果D12.0m , n 300r/min是正确的4. 工作范围的检验在选定D12.0m , n 300r/min后，水轮机的Q；max及各特征水头Q1maxNr9.81D；H

12、r. Hr相对应的n1即可计算出来。水轮机在Hr,Nr下工作时，其Q1即为Q1max ,2=: =1.024<1.11 m3 /s9.81 22 50.450.4 0.86(2.5)则 水 轮机 的 最大 引 用 流量 为Q max QmaxDf/HV 1.024 22 J50.4 29.08m3/s与特征水头Hmax,Hmin和Hr相对应的单位转速为"min300 2.65.8973.92r / min(2.6) maxn0300 235.7100.42r/minnD1Hr300 2.50.484.52r/min在HL230型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出Q1max 10

13、24L/S ,n'max 100.42r/min, n吋73.92r/min的直线，这三根直线所围成的水轮机工 作范围(图中阴影部分)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D1 2.0m , n 300r / min是合理的。5. 吸出高度Hs计算由水轮机的设计工况参数n1r =84.52r/min, Q1max 1024L/S,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：Hs 10 ()H 10 590(0.170.025) 50.40.48m4.0m900900

14、(2.7 )可见HL230型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。、水轮机HL220型水轮机方案的主要参数选择1. 转轮直径Di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Qi=1150L/S=1.15 m3/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 Qm=Q=1.15 m3/s,效率=90.0%,设gr =97%水轮机的额定出力Nr =Ngrgr=需=12371顺上述的 Qi'、 和 Nr =12371KW、 Hr =50.4m 代入式D1 =Nr123719.81Q；Hr9.81 1.15 50.4 . 50.4 90%1.84m选用与之接

15、近而偏大的标称直径D1 =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 速口。=70.0r/min, 初 步假定n0m = % =70.0r/min,将 已 知 的口。和Hav=50.4m， D1 =2.0m 代入式 n=n-H=70504 =248.5r/min,选用与之D12.0接近而偏大的同步转速n=250r/mi n.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Mmax=91.0%，模型转轮直径为 九=0.46，根据式3-14可得原型效率max = 1-15Mmax D151 0.91豊=93.3%则效率修正值为V

16、 =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max M max91.0% 1.0%92.0%89.0% 1.0% 90.0%（与上述假定值相同）单位转速的修正值按下式计算:n1n 10mmax/M max则=n 10mM max10.55%由于n；/ nWm 3.0%，按规定单位转速可不加修正，同时单位流量Q1也可不加修正。由上可见原假定的=90.0%、Q' Q1m、nw nWm是正确的，那么上述计算及选用的结果D1

17、2.0m， n 250r/min是正确的。4. 工作范围的检验在选定U 2.0m， n 250r/min后，水轮机的Qmax及各特征水头相对应的n1即可计算出来。水轮机在Hr,Nr下工作时，其Q1即为Q1max，Q1max= Nr9.81D；Hr； Hr故1237 1=0.968<1.15 m3/s9.81 22 50.4 . 50.4 0.91则 水轮机 的 最大 引 用Q max Qmax D；TH? 0.968 22 丁50.4 27.49m3 / s与特征水头Hmax,Hmin和相对应的单位转速为 minnU250 2.65.8961.60r / minmaxnU250 283.

18、68r / minnDi250 2r Hr .50.470.43r / min在HL230型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出Qlmax 968L/S ,nax 83.68r/min, n；min 61.60r/min的直线，这三根直线所围成的水轮机工 作范围(图中阴影部分)基本上包含了该特性曲线的高效率区，所以 对于HL220型水轮机方案，所选定的参数D1 2.0m， n 250r/min是合理的。5. 吸出高度Hs计算由水轮机的设计工况参数n1r =70.4r/min, Qt 968L/ S,在图上可查得相应的气蚀系数约为0.133，并在图水力机械查得气蚀系数的修正值约为0.025，由此可

19、求出水轮机的吸出高度为：Hs 10 ( )H 10 590 (0.1330.025)50.41.38m4.0m900900可见HL220型水轮机方案的吸出高度满足电站要求三、两种方案的比较分析表2-1水轮机方案参照对照表序号项目HL230HL2201推荐使用的水头 范围35 6550852最优单位转速1q0 r/ min71703模型转轮参数(最优单位流量Q°L/S)91310004最咼效率max %90.791.05气蚀系数0.170.1336工作水头范围(m)50.465.8950.465.897转轮直径D1 m2.02.08转速 n(r/mi n)3002509最咼效率max

20、%91.592.010额定出力Nr KW123711237111最大引用流量Qmax m3/S29.0827.4912吸出高度Hs m0.481.38由表可见，两种机型方案的水轮机转轮直径D相同均为2.0m，但HL220型水轮机方案的工作范围包含了较多的高效率区域，运行效率 较高、气蚀系数较小、有利于提高年发电量，而HL230型水轮机方案的机组转速较高，有利于减小发电机尺寸、降低发电机造价。根据以 上分析，在限制供货方面没有问题时，初步选用HL220型水轮机方案，故水轮机型号为 HL220 LJ 200o第二节水轮发电机的型式选择本设计为大中型水电站，故采用大中型机组，采用立式SF1218 3

21、600型发电机表2-2发电机的主要参数单机容量(KW)功率因数(COS )额定电压额定容量(KVA)120000.910.513333一、水轮机主要尺寸估算1.极距；Kj4Sf 9 4扇 43.69cmj 2P . 2 12(2.8)式中:Sf 发电机额定容量（13333KVA磁极对数（12）2.Di2.9)3.2.10Kj 系数，一般取（8-10 ）在这里取定子内径Di2p 2 12 43.693.14定子铁芯长度 ItItSf2CDi neC-333.94 cm额定转Di定子内径系数(4* 10 6 6.5*10Kj=9速（r/min ）6）此处取5* 10 6133336I二t CDi2

22、ne 5 106 333.942 25095.65cmDiI tn333.9495.65 2500.0140.035所以采用悬式水轮发电机94. 定子铁芯外径Da （机座号）ne 250r/min 166.7r / minDa = Di333.94 43.69则取Da=378cm,故发电机型号为SF12 12/ 378377.63cm二、外形尺寸估算1. 平面尺寸估算（ 1）定子机座外径 D1Q 214 ne 250r /min 300D1 1.20Da 1.20*378 453.6cm（ 2）风罩内径 D2QSf 20000KVAD2 D1 2.0 453.6 200 653.6cm（3）转子外径D3 Di 2单边空气间隙，初步估算时可忽略不计D3 Di 333.94cm（ 4）下机座最大跨度 D4Q 10000 Sf 100000 KVAD4 D5 0.6m式中D5为水轮机基坑直径9 D5=3.0mD4 D5 0.6m=3.0+0.6=3.6m=3600cm（