水利水电工程概论课件-第6章-水电站

1、第六章 水电站建筑物第六章 水电站建筑物电站整体示意图电站整体示意典型布置型式分类 1. 水电站的任务： 水能机械能电能； N = 9.81QH 发电必须有流量和水头，形成水头方式即水电站的开发方式。 2. 按其集中水头的方式不同分为：坝式、引水式和混合式三种基本方式。 抽水蓄能电站和潮汐电站也是水能利用的重要型式。6.1 水电站的组成和类型典型布置型式分类 1. 水电站的任务：6.1 原理: 利用筑坝集中河道落差，形成水头。 优点: 水头高（水头由坝高决定），调节性能好; 引用流量较大，电站的规模也大，水能利用较充分，综合利用效益高。 缺点: 淹没多、移民工作量大。投资大，工期长。 适用条件

2、: 河道坡降较缓，流量较大，并有筑坝建库的条件。 1、坝式水电站 原理: 利用筑坝集中河道落差，形成水头。1、坝式水电站河床式 ( H3040m)坝后式厂房位置引水道布置于坝内引水道布置于河岸坝后式厂房坝内式厂房河岸式厂房坝式水电站分类厂房位置坝式水电站河床式 ( H3040m)坝后式厂房位置引水道河床式水电站 当水头较小，厂房本身能承受水压力，与坝并排建在河道中，而成为挡水建筑物的一部分。工程实例：葛洲坝水电站，富春江水电站。河床式水电站 当水头较小，厂房本身能承受水压力，与坝并富春江河床式电站富春江河床式电站 适用于水头较高的电站，厂房设置在坝后，厂房本身不起挡水作用。典型实例：三峡水电站

3、。坝后式厂房 适用于水头较高的电站，厂房设置在坝后，厂房本身坝后厂房 万家寨坝后式水电站坝后厂房 万家寨坝后式水电站坝后式厂房坝后式厂房河岸式厂房将引水道绕过坝体布置在河岸。河岸式厂房将引水道绕过坝体布置在河岸。石门坝后河岸式厂房石门坝后河岸式厂房坝后式水电站 坝内式厂房 当河面狭窄无法布置厂房时，将厂房设置在混凝土重力坝或重力拱坝的坝体空腹内。坝后式水电站 当河面狭窄无法布置厂房时，将厂房凤滩水电站坝内厂房凤滩水电站坝内厂房 2、引水式水电站 原理: 利用引水道集中河道落差，形成水头。 特点： 1、水头相对较高，最大水头已达2000米以上。 2、引用流量较小，没有水库调节径流，水量利用率较低

4、，综合利用价值较差。 3、电站库容很小，基本无水库淹没损失，工程量较小，单位造价较低。 适用条件: 坡降大, 流量较小的山区性河段; 河道裁弯和跨流域引水。 分类: 无压引水道式， 有压引水道式。 2、引水式水电站 原理: 利用引水道集中河下马岭引水式水电站下马岭引水式水电站无压引水式水电站压力管道无压引水式水电站压力管道压力管道有压引水式水电站调压室压力管道有压引水式水电站调压室 3、混合式水电站 原理: 在同一河段上用坝集中上游部分落差，再通过有压引水道集中下游部分落差而形成总水头。 适用条件: 上游有良好的筑坝条件，同时下游部分坡降大时。 特点：兼有坝式和引水式水电站的优点。 典型工程实

5、例：鲁布革水电站，石龙坝水电站。 3、混合式水电站 原理: 在同一河段上用混合式水电站大坝进水口引水道调压室压力管道厂房输变电尾水道混合式水电站大坝石龙坝水电站云南昆明石龙坝水电站是我国大陆的第一座水电站，其装机容量仅为1440kW，1910年 7 月开工建设，1912年4月发电。石龙坝水电站云南昆明石龙坝水电站是我国大陆的第一座水电站，其4、抽水蓄能电站原理：设置上、下两个水库，装设具有抽水及发电双重功能的机组，利用电力系统负荷低谷期间的剩余电能向上水库抽水，而在系统负荷高峰期间从上水库放水发电。相当于利用上库存储电能。两个过程：1、抽水蓄能2、放水发电广州抽水蓄能电站天荒坪抽水蓄能电站4、

6、抽水蓄能电站原理：设置上、下两个水库，装设具有抽水及发电抽水蓄能电站抽水蓄能电站5、潮汐电站 潮汐：潮汐现象是海水因受日月引力而产生的周期性升降运动，即海水的潮涨潮落。 潮汐发电原理：利用潮水涨、落产生的水位差所具有势能来发电的，也就是把海水涨、落潮的能量变为机械能，再把机械能转变为电能（发电）的过程。5、潮汐电站 潮汐：潮汐现象是海水因受日月引力潮汐发电原理潮汐发电原理单向潮汐电站双向潮汐电站仅在退潮时利用池中高水位与退潮低水位的落差发电。不仅在退潮时而且在涨潮时利用涨潮高水位与池中的水位差发电。潮汐电站分类单向潮汐电站双向潮汐电站仅在退潮时利用池中高水位与退潮低水位法国朗斯潮汐电站1966

7、年投入运行，是第一个商业化电站。该电站装机24台，每台1万千瓦，共24万千瓦。设计年平均发电量5.44亿度。法国朗斯潮汐电站1966年投入运行，是第一个商业化电站。该电一、枢纽建筑物挡水建筑物 ：坝、闸泄水建筑物 ：溢洪道、泄水洞、溢流坝过坝建筑物 ：过船、过木、过鱼 二、发电建筑物进水建筑物 ：进水口、沉沙池引水建筑物 ：引水道、压力管道、尾水道平水建筑物：前池、调压室厂区枢纽 ：主厂房、副厂房、变电站、开关站等6.2 水电站的组成建筑物一、枢纽建筑物6.2 水电站的组成建筑物6.3 压力管道的功用和类型水轮机水库引水管道末端的前池调压室有压状态全部或大部分水头压力管道的概念 对坝式电站，压

8、力管道的起点一般是水库进水口；对无压引水式的电站，压力管道的起点一般是压力前池；对有压引水式电站，压力管道的起点一般是从调压室开始。6.3 压力管道的功用和类型水库引水管道末端的前池调压室有压坝式水电站坝式水电站无压引水式水电站压力管道无压引水式水电站压力管道压力管道有压引水式水电站调压室压力管道有压引水式水电站调压室 坡度陡 承受电站的最大水头，且承受水锤产生的动水压力比较大。 靠近厂房，因此它必须是安全可靠的，万一出现事故，将直接危及厂房安全。 基于以上特点，压力管道的经济性和安全性在水电站设计过程中受到特别重视。压力管道的特点 坡度陡压力管道的特点压力管道的基本参数 压力管道的主要荷载是

9、内水压力，在工程上，管道内径 D(m) 和水头 H(m) 及其乘积 HD(m2)值是标志压力管道规模及其技术难度的最重要特征值。 随着国内外越来越多的大型常规电站和抽水蓄能电站的兴建， 管道的 HD 值急剧增长， 压力管道日益向着巨型化和超巨型化发展。 三峡工程，坝式电站，D12.4m，H140m ，HD1730m2山西西龙池抽水蓄能电站D3.5m，H1015m ，HD3552m2国外HD值最高的出现在抽水蓄能电站，已超过5000m2压力管道的基本参数 压力管道的主要荷载是内水按材料分 按布置方式分压力管道的类型露天式（明钢管）地下式（地下埋管）混凝土坝身管钢管钢筋混凝土管钢衬钢筋混凝土管压力

10、管道中高水头电站中小型电站HD值较大电站木管应用较少按材料分 按布置方式分压力管道的类型露天式（明钢管）地下式木管钢筋混凝土管钢管管节木管钢筋混凝土管钢管管节 明管 (exposed penstock)：暴露在空气中，一般在引水式地面厂房电站中采用。 按照材料的不同，明管可分为： a钢管,白山二期电站的压力管道 b钢筋混凝土管：普通钢筋混凝土管因易于开裂，在工程中应用很少，一般只用在HD值50m2的电站。 c钢衬钢筋混凝土管：钢衬与外包钢筋混凝土联合承载，可减小钢衬厚度；按限裂设计，充分发挥钢筋作用，适用于HD值较大的电站。 明管 (exposed penstock)：暴露明管示意图为了使管壁

11、受力均匀，支座处管壁加支承环；为保持钢管抗外压稳定，有时在支承环间加设加劲环。明管示意图为了使管壁受力均匀，支座处管壁加支承环；明管失稳明管失稳 地下埋管 (underground penstock) ：埋藏于地下岩层中的钢管，它可以是斜的，垂直的，因此也被称为斜井，竖井。 地下埋管是大中型水电站中应用最多的一种压力管道。目前，国内外装机容量为100万kW以上的常规水电站和抽水蓄能电站中，大部分采用了地下埋管。 特点：这种管道布置灵活，能和围岩共同承担水压力，并且运行不受干扰，维护简单。但是在地下水压较大的地方，管道受外压失稳的威胁比较大，因此对地下埋管一般需要进行衬砌。 地下埋管 (unde

12、rground penst地下埋管示意图地下埋管示意图下弯段钢管底部凹陷锚环焊缝开裂响水水电站高压埋管失稳破坏下弯段钢管底部凹陷锚环焊缝开裂响水水电站高压埋管失稳破坏按照衬砌形式的不同，将地下埋管分为以下四类： 分类适用条件应用情况工程实例不衬砌地质条件很好 在挪威应用的较多 广西天湖水电站压力竖井和斜井 喷锚或钢筋混凝土衬砌 地质条件稍差 在抽水蓄能电站中广蓄和天荒坪抽水蓄能电站 钢衬+回填混凝土 地质条件很差，对防渗要求较高 应用比较广泛 二滩水电站和鲁布革水电站钢衬钢筋混凝土衬砌 地质条件稍差，施工非常复杂 工程中很少应用 在国内只有天生桥电站中采用 按照衬砌形式的不同，将地下埋管分为以

13、下四类： 分类适用条件应地下埋管施工中地下埋管施工中 灌浆：回填灌浆（平洞、斜井顶拱） 固结灌浆，加固围岩，提高围岩承载力接缝灌浆（考虑钢衬与围岩联合受力，气温最低时进行），减少混凝土干缩缝隙施工步骤： 开挖（清理石渣、支护等） ：应尽量减少松动区和超挖; 钢衬安装； 回填混凝土：强度要求不高（150-200# ），但要求密实，与围岩与钢衬密切贴合（止水、加劲环）施工 灌浆：回填灌浆（平洞、斜井顶拱） 施工步骤： 开挖（清 混凝土坝身管 ：这种管道形式一般依附于坝身，并且在混凝土坝后式水电站中应用非常广泛。 特点：它由于进水口设于坝体，结构紧凑简单，因此引水长度最短，水头损失小，机组调节保证条

14、件好。但是管道的安装会干扰坝体施工，同时，坝内埋管空腔会削弱坝体，使坝体应力恶化。 混凝土坝身管 ：这种管道形式一般依附于坝身， 混凝土坝身管按照管道在坝身上的不同位置，可以分为以下三类：a坝内埋管 (penstock embedded in dam)b坝上游面管 (penstock laid on upstream surface of dam)c坝下游面管 (penstock laid on downstream surface of dam) 混凝土坝身管按照管道在坝身上的不同位置，可以分 布置在坝体内部,多为坝后式或坝内式厂房采用。布置型式有竖井式和斜井式。工程实例：直径最大的是广西红

15、水河岩滩电站钢管，d=10.8m。坝内埋管坝后式厂房坝内式厂房 布置在坝体内部,多为坝后式或坝内式厂房采用。布 管道大部分位于水库内，检修维护很困难，在国内工程中很少使用，比较典型的是伊朗的卡比尔水电站。 坝上游面管 管道大部分位于水库内，检修维护很困难，在国内工程中很 由于进水口较高，减少了对坝体的削弱，同时有利于保持大坝的整体性，因此在工程中应用很广泛。在我国东江和紧水滩水电站都采用了这种型式。坝下游面管 由于进水口较高，减少了对坝体的削弱，同时有利于保持大按布置方式分分类明管：暴露在空气中(无压引水式电站)钢管钢筋混凝土管钢衬钢筋混凝土管地下埋管: 埋入岩体。(超过100万kW 以上的常

16、规水电站和抽水蓄能电站)不衬砌喷锚或混凝土衬砌钢衬+回填混凝土钢衬钢筋混凝土衬砌混凝土坝身管： 依附于坝身(混凝土重力坝及重力拱坝)坝内管道坝上游面管坝下游面管 压力管道类型小节按布置方式分分类明管：暴露在空气中钢管地下埋管: 埋入岩体 管道与厂房的相对位置主要取决于整个厂区枢纽布置中各建筑物的布置情况，另外水电站机组往往不止一台，压力管道可能有一根或数根，压力管道向机组的供水常有这样三种类型 ：压力管道的供水方式 管道与厂房的相对位置主要取决于整个厂区枢纽布压力管道的供水方式 单元供水 联合供水 分组供水 压力管道的供水方式 单元供水 联合供1单元供水：一管一机。机组前不设快速阀门。优点：结

17、构简单(无岔管)、工作可靠、灵活性好，易于制作缺点：相同水头损失下，造价较高布置：平面尺寸大，与前室、调压室连接困难适用：(1) 单机流量大、长度短的地下埋管或明管； (2) 混凝土坝内管道压力管道的供水方式1单元供水：一管一机。机组前不设快速阀门。压力管道的供水方2联合供水：一根主管，向多台机组供水。单机规模大，多分岔管。机组前设快速阀门。优点：相同水头损失下，造价较低缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差布置：较容易适用：广泛应用于地下埋管和明管，机组数较少、单机流量较小、引水道较长。压力管道的供水方式2联合供水：压力管道的供水方式 球形岔管 球形岔管压力管道的供水方式2分组供水：设多根主管，每

18、根主管向数台机组供水。单管规模适中，少分岔管。设快速阀门。造价：介于前两种之间布置：介于前两种之间适用：广泛应用于地下埋管和明管。压力水管较长，机组台数多，单机流量不大的情况。压力管道的供水方式2分组供水：供水方式选定以后，每条管道通过的流量也随之确定，接着应对管道直径进行选择。由于管道费用较高，直径越小，管道用材及造价越低，但管中流速越大，水头损失与发电损失也越大。因此管道直径应进行经济比较选定。压力管道直径的选择供水方式选定以后，每条管道通过的流量也随之确定，接着应对管道压力管道的直径通过动能经济计算确定。 一般做法是：初拟几个直径，进行动能经济比较，选定最优直径。初设时可用下列经验公式初

19、定管道直径。Qmax钢管的最大设计流量，单位：m3/sHp设计水头，m。压力管道直径的选择 K为系数，它与摩阻、材料价格、折旧费、维修费、电价、管道年运行小时等因素有关。 压力管道的直径通过动能经济计算确定。Qmax钢管的最大日调节池：调节水电站一天的发电用水。压力前池：平稳水流，分配水量。沉沙池：排走有害颗粒。6.4 平水建筑物1-压力前池日调节池：压力前池：沉沙池：6.4 平水建筑物1-压力压力前池和压力管道压力前池和压力管道 压力前池是把无压引水道的无压流变为压力管道的有压流的连接建筑物。实际上是扩大断面的渠道。 分配水量：正常运行时把流量平顺的分配给各压力管道。 平稳水压：荷载突然变化

20、或事故时，配合引水渠排泄多余的水;在电站停止运行、压力管道关闭时供给下游必需的水量;在压力管道事故时，紧急切断水流防止事故扩大。 防污、防沙、防冰：保护压力管道，使水轮机不受其害。 压力前池是把无压引水道的无压流变为压力管道的压力前池的组成 前室(池身)：渠道末端加宽、加深的过渡段以满足进水口布置需要。 压力管道进水口：其构成与有压进水口相似，常采用挡水墙式。 泄水和排沙建筑物：泄水建筑物常采用溢流堰, 用于泄水排污排冰。排沙建筑物主要指管道进水口底坎下设拦沙槛和冲沙孔。压力前池的组成 前室(池身)：渠道末端加宽 安全：地质条件好、地基稳定、一定要置于挖方中。 经济：尽量靠近厂房（缩短昂贵且安

21、全要求高的压力管道），开挖工程量少。 水流平顺：以减小水头损失。 便于施工、运行、检修。压力前池的布置要求 安全：地质条件好、地基稳定、一定要置于挖6.4 平水建筑物2-调压室6.4 平水建筑物2-调压室问题：为什么设置调压室？问题：为什么设置调压室？在较长的压力引水系统中，为了降低高压管道的水锤压力，满足机组调节保证计算的要求，常在压力引水道与压力管道衔接处建造调压室。调压室将有压引水系统分成两段：上游段为压力引水道，下游段为压力管道。 在较长的压力引水系统中，为了降低高压管道的水锤压力，满足机组水锤：由水流的动能引起（管道末端流量急剧变化管道中流速和压力随之变化“水锤”）。导叶关闭时，在压

22、力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降。导叶开启时则相反，将在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中则引起压力上升。危害：1、压强升高过大水管强度不够而破裂；2、尾水管中负压过大尾水管汽蚀，水轮机运行时产生振动；3、压强波动机组运行稳定性和供电质量下降。水锤：由水流的动能引起（管道末端流量急剧变化管道中流速和压三峡水电站蜗壳施工现场三峡水电站蜗壳施工现场水锤计算控制工况引起水轮机流量变化的原因有：水电站正常运行情况下的负荷变化担任调峰或调频任务的电站，水轮机的流量处于不断变化中；正常的开机或停机由此引起的水锤现象不起控制作用水电站事故引起的负荷变化水电站可能会出现各种各样的事

23、故，而要求水电站丢弃全部或部分负荷水锤计算控制工况引起水轮机流量变化的原因有：水电站正常运行情几个名词：水锤波 ； 水锤压力 ；水锤波入射、反射，水库端异号等值反射，封闭端同号等值反射；相长：水锤波传播一个来回的时间 ；周期 。假设：1.简单管；管材、壁厚、管径沿管长不变。2.不计摩阻;3.考虑管道和水体的弹性。阀门突然关闭几个名词：假设：阀门突然关闭水锤实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。当突然启闭阀门时，由于启闭时间短、流量变化快，因而水击压力往往较大，而且整个变化过程是较快的。由于管壁具有弹性和水体的压缩性，水击压力将以弹性波的形式沿管道传播。水击波传播过程中，在外部条件发生变化处(

24、即边界处)均要发生波的反射。其反射特性(指反射波的数值及方向)决定于边界处的物理特性。水锤特性水锤实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。当突然启闭阀门时 调压室的功用可归纳为：（1）反射水锤波。基本上避免了(或减小)压力管道传来的水锤波进入压力引水道。（2）减小了水锤压力(压力管道及厂房过水部分)。缩短了压力管道的长度。（3）改善机组在负荷变化时的运行条件。 调压室的功用 调压室的功用可归纳为：调压室的功用 （1）尽量靠近厂房，以缩短压力管道的长度。 （2）应有自由水表面和足够的底面积，以保证水锤波的充分反射； （3）调压室的工作必须是稳定的。负荷变化时，引水道及调压室水体的波动应该迅速衰减

25、； （4）正常运行时，水流经过调压室底部造成的水头损失要小。 （5）结构安全可靠，施工简单方便，经济合理。调压室的基本要求 （1）尽量靠近厂房，以缩短压力管道的长度。调压室的基本要求调压室的设置条件调压室一般尺寸较大，投资较大，工期长，特别是对于低水头电站，调压室的造价可能占整个引水系统造价的相当大的比例。是否设置调压室，应在机组过流系统调节保证计算和机组运行条件分析的基础上，考虑水电站在电力系统中的作用、地形及地质条件、压力管道的布置等因素，进行技术经济比较后加以确定。调压室的设置条件调压室一般尺寸较大，投资较大，工期长，特别是当Tw24s时，可不设调压室。当水电站单独运行时，或机组在电力系

26、统中所占的比例超过50%时，取小值(2s)；当比重小于10%20%时，可取大值。1、上游调压室的设置条件(初步判定) 用水流加速时间(也称为压力引水道的时间常数) Tw 来判断是否设置调压室：当Tw24s时，可不设调压室。当水电站单独运行时，或机组2、下游调压室的设置条件以尾水管内不产生液柱分离为前提，条件为：Lw尾水道长度；Vw0稳定运行时尾水管流速；Vwj尾水管入口处流速；安装高程。最终通过调节保证计算，当机组丢弃全部负荷时，尾水管内的最大真空度不宜大于8m水柱。但在高海拔地区应作高程修正(见规范)。 2、下游调压室的设置条件Lw尾水道长度；Vw0稳定运行时调压室的工作原理及基本方程调压室

27、的工作原理及基本方程调压室的工作原理调压室具有较大的容积和自由水面，它将电站因负荷变化而引起的有压系统非恒定流分为性质不同而又互相联系的两部分：压力管道的水锤和“水库引水道调压室”的水流波动。调压室的工作原理调压室具有较大的容积和自由水面，它将电站因负丢弃全负荷流量变为0 压力管道中发生水锤水流继续流入调压室调压室水位升高流速逐渐降低，直到为0 ，此时水位最高反向流动，水位下降水位与水库持平时，水流惯性使得继续流向水库，直到流速=0 再次向下游流动，循环往复。增加负荷，与其相反。经常性的负荷变动水位相应变动(负荷保持不变) 流量相应变化调压室水位波动。丢弃全负荷流量变为0 压力管道中发生水锤水

28、流继续流入调调压室水位波动管道水锤过程是水击波的传播，振幅大、变化快，往往在很短时间内即消失。调压室水位波动主要由于水体的往复运动引起，特点是振幅小、变化慢、周期长，往往长达几十秒到几百秒甚至更长时间。调压室的水位波动有两种趋势，一种是逐渐衰减；另一种是逐渐增大，这是调压室设计应该避免的。调压室水位波动管道水锤过程是水击波的传播，振幅大、变化快，往研究调压室水位波动的目的研究调压室水位波动的目的：确定调压室中可能出现的最高和最低涌波水位及其变化过程，以确定调压室的高度、布置高程和引水道的设计内水压力。根据水位波动稳定的要求，确定调压室所需的最小断面面积。研究调压室水位波动的目的研究调压室水位波

29、动的目的： 1、上游调压室(引水调压室) 位于厂房上游引水道上。 适用：厂房上游有压引水道较长，应用最广泛。调压室的布置方式 1、上游调压室(引水调压室)调压室的布置方式 2、下游调压室(尾水调压室) 位于厂房下游尾水洞上。适用尾水隧洞较长，需设置尾水调压室以减小水击压力，特别是防止丢弃负荷时产生过大的负水击，尾水调压室应尽可能靠近厂房。 2、下游调压室(尾水调压室) 3、上下游双调压室系统 当采用中部地下厂房时，上下游都有较长的压力水道，在厂房上下游均设置调压室。 3、上下游双调压室系统 4、上游双调压室系统 适用于上游引水道较长情况。靠近厂房的调压室对反射水击波起主导作用，称为主调压室；另

30、一调压室帮助衰减引水系统的波动，称为辅助调压室。水位波动的衰减由两个调压室共同保证，增加一个调压室可以减小另一个调压室的断面。 4、上游双调压室系统调压室的基本类型调压室的基本类型 1、简单式调压室 特点：断面尺寸形状不变，结构简单，反射水击波效果好。但水位波动振幅较大，衰减较慢，因而调压室的容积较大；在正常运行时，引水系统与调压室连接处水力损失较大。为了克服上述缺点，可采用有连接管的圆筒式调压室。 适用：低水头小流量电站。 1、简单式调压室 2、阻抗式调压室 将圆筒式调压室底部改为阻抗孔口，这种孔口或隔板相当于局部阻力，即为阻抗式调压室。 特点：可以有效减小水位波动振幅，加快衰减速度，因而所

31、需调压室的体积小于圆筒式。 正常运行时水头损失小。 由于阻抗的存在，水击波不能完全反射，压力引水道中可能受到水击的影响。 2、阻抗式调压室 3、双室式调压室 特点：双室式调压室是由一个竖井和上下两个储水室组成。丢弃负荷时， 水位迅速上升，当水位达到上室时，其上升速度放慢，从而减小波动振幅。增加负荷时，水位迅速下降到下室中，并由下室补充不足的水量，因此限制了水位的下降。适用：水头较高，要求的稳定断面较小，水库水位变化比较大的水电站。 3、双室式调压室适用：水头较高，要求的稳定断面较小， 4、 溢流式调压室 由双室式调压室发展而成，顶部设有溢流堰。丢弃负荷时，调压室的水位迅速上升，达到溢流堰顶后开

32、始溢流，限制了水位的进一步升高，有利于机组的稳定运行，溢出的水量，可以设上室加以储存，也可排至下游。 4、 溢流式调压室5、 差动式调压室由两个直径不同的同心圆筒组成，中间的圆筒直径较小，上有溢流口，称为升管，其底部以阻力孔口与外室相通。特点：外室直径较大，起盛水及保证稳定的作用，其断面积由波动稳定条件控制。差动式调压室所需容积较小，水位波动衰减得也较快。但其构造复杂，施工难度大，造价高。适用：地形和地质条件不允许大断面的中高水头水电站，我国采用较多。5、 差动式调压室 6、 气垫式或半气垫式调压室 在压力隧洞上靠近厂房的位置建造一个大洞室，室中一部分充水，另一部分充满高压空气。利用空气的压缩

33、或膨胀，来减小水位涨落的幅度。 适用：表层地质条件不适 于建造常规调压室的情况下 深埋于地下的引水式地下水 电站。目前我国尚未采用。 6、 气垫式或半气垫式调压室调压室在运行过程中，可将水位波动分为两种类型：大波动，即电站发生大幅度的负荷变化，调压室中将发生较大的水位波动，且波动逐渐增强，出现不稳定现象；小波动，即电站微小的负荷变化所造成的水位小幅度波动，由于摩阻的影响，波动一定是衰减的，我们称之稳定波动。对调压室水位波动需研究稳定条件和改善措施。调压室的波动稳定性问题调压室在运行过程中，可将水位波动分为两种类型：调压室的波动稳2、引水道和压力管道水头损失之和必须小于水电站静水头的1/3，即压

34、力管道水头损失引水道水头损失为引水道总阻力系数保证调压室小波动稳定的两个条件：1、必要条件是调压室断面F大于调压室稳定波动临界断面Fk（通常称托马稳定断面）：2、引水道和压力管道水头损失之和必须小于水电站静水头的1/3研究表明，如小波动稳定不能保证，大波动必然不能衰减。为了保证大波动的稳定，一般要求调压室断面大于托马断面，初步分析时可取(1.01.1)Fk ，作为调压室的设计断面，然后利用数值方法求解和验证。大波动稳定性研究表明，如小波动稳定不能保证，大波动必然不能衰减。大波动稳1、水电站水头的影响水电站水头越小，要求的稳定断面越大，对稳定越不利。中低水头的水电站多采用简单式、差动式或阻抗式调

35、压室；高水头水电站中，主要受振幅控制，多采用双室式调压室。调压室的稳定断面采用水电站正常运行时可能出现的最低水头进行计算。影响波动稳定的主要因素1、水电站水头的影响影响波动稳定的主要因素2、引水系统糙率的影响引水系统糙率愈大，水头损失系数 愈大，虽然H1=H0-hw0-3hwm0随糙率的增大而减小，但其影响远比小。即要求的稳定断面越小。因此，为了安全，计算Fk时应采用可能的最小糙率。2、引水系统糙率的影响3、调压室位置的影响由H1=H0 -hw0 -3hwm0可知，在引水线路不变的情况下，调压室愈靠近厂房，H1愈大，有利于水位波动的衰减。因此，调压室应尽量靠近厂房。3、调压室位置的影响由此可见

36、：引水道直径越大，长度越短，流速水头影响越显著。调压室底部的流速水头将对波动稳定是有利的。但由于调压室底部水流状态紊乱，故不能考虑全部流速水头的作用。4、调压室底部流速水头的影响对引水道而言，流速水头的作用与水头损失相似，相当于加大了摩阻损失。但对水轮机来说并不减小水电站的有效水头。因此，托马公式应修改为：由此可见：引水道直径越大，长度越短，流速水头影响越显著。调压5、水轮机效率的影响前面假定水轮机的效率为常数，实际上水轮机的效率随着电站水头和流量的变化而变化。水轮机效率、调速器和电力系统等因素对稳定断面的影响，一般只有在充分论证的基础上才加以考虑。5、水轮机效率的影响6、电力系统的影响对于单

37、独运行的水电站，当调压室内水位变化而引起出力变化时，只能依靠本电站水轮机调速器的调节使出力保持常数。如果水电站在系统中运行，则可由系统中各电站的机组共同来保证系统出力不变，因此可减小本电站流量变化的幅度，有利于波动稳定。电站并网运行有利于波动稳定。6、电力系统的影响调压室可分为井式和塔式两种典型结构。塔式结构要注重内水压力、风雪作用、地震作用、温度作用的影响。按水塔进行计算。井式结构主要分为大井井壁、底板、升管和顶板等。其几何形状多为圆筒或圆板。结构计算时，先单独分别计算各个部分的内力，再考虑整体作用。调压室分类调压室可分为井式和塔式两种典型结构。调压室分类主要荷载：内水压力：水位由水力计算确

38、定。外水压力：由调压井外地下水位确定。灌浆压力。岩石或回填土的主动土压力。围岩破碎时考虑。衬砌自重：一般影响很小，常忽略不计。温度应力：主要是运行期的温度应力。地震荷载：在地震列度超过7度时考虑。调压井结构的荷载及其组合主要荷载：调压井结构的荷载及其组合荷载组合：正常运行：最高内水压力+温度及收缩应力+岩石弹性抗力施工情况：灌浆压力岩石或回填土主动压力温度及收缩应力检修情况：最高外水压力岩石或回填土主动压力温度及收缩应力荷载组合：调压井的结构设计最好采用三维数值模拟，实际应用很难。工程中常用方法是将调压井的衬砌分为井壁、底板和其他等构件，分别进行分析。将各构件看作是杆件、薄板或薄壳结构，采用结

39、构力学及薄壁弹性力学方法计算其内力，再进行抗裂和限裂验算。调压井的结构设计最好采用三维数值模拟，实际应用很难。水电站厂房是将水能转为电能的综合工程设施，包括厂房建筑、水轮机、发电机、变压器、开关站等，也是运行人员进行生产和活动的场所。6.5 厂房的任务和组成任务水电站厂房是将水能转为电能的综合工程设施，包括厂房建筑、水轮作用(1) 将水电站的主要机电设备集中布置在一起，使其具有良好的运行、管理、安装、检修等条件。(2) 布置各种辅助设备，保证机组安全经济运行，保证发电质量。(3) 布置必要的值班场所，为运行人员提供良好的工作环境。作用(1) 将水电站的主要机电设备集中布置在一起，使其具有良1）

40、从设备布置及运行要求的空间划分：主厂房：布置机组及其辅助设备的主机间和安装、检修设备的装配场组成。副厂房：电站运行、控制、监视、通讯、试验、管理等房间。主变场：布置主变压器场所。开关站：布置高压配电设备，高压开关、母线保护设备等。 组成1）从设备布置及运行要求的空间划分：组成主厂房：主机间 + 安装、检修设备的装配场主厂房：主机间 + 安装、检修设备的装配场副厂房：电站运行、控制、监视、通讯、试验、管理等房间。应紧靠主厂房，基本上布置在主厂房的上游侧，下游侧和端部。副厂房：电站运行、控制、监视、通讯、试验、管理等房间。应紧靠主变压器：电流运输损失随电压增加而减小。出厂布置升压变压器，用户端布置

41、降压变压器。主变压器：电流运输损失随电压增加而减小。出厂布置升压变压器，开关站：布置各种高压配电装置和保护设备。通常布置在厂房附近山坡上，也有布置在主厂房顶上的。开关站：布置各种高压配电装置和保护设备。通常布置在厂房附近山2）从设备组成分： 水流系统：压力管道 进水阀 蜗壳 尾水管机械系统（主机组及其辅助设备系统）：机组、调速系统、油、气、水系统等。电气设备系统：一次设备：直接发、配、输电设备(变压器等) 二次设备：以中控室为中心的控制，保护、检测、监视设备（机旁盘、自动远动、通讯、调度及其直流系统）2）从设备组成分： 水利水电工程概论课件-第6章-水电站水流系统水流系统3）从结构分 (以发电

42、机层楼板面为界) ：上部结构：与工业厂房基本相似，板、梁、柱系统。水平面上分为主机室和装配场。 下部结构：大体积混凝土结构，布置过流系统，是厂房的基础：蜗壳、尾水管等。运行管理的主要场所布置机组和辅助设备机电设备到货、卸车、拆箱、组装和检修时使用场所3）从结构分 (以发电机层楼板面为界) ：运行管理的主要场所上部结构下部结构下部块体结构上部结构下部结构下部块体结构上部结构下部结构发电机层楼板上部结构下部结构发电机层楼板 厂房的主要机电设备机械设备主机组电气设备及布置起重设备 厂房的主要机电设备机械设备主机组电气设备及布置起重设水轮机调速系统根据电力系统要求自动调整机组的出力，同时使机组保持一定

43、的额定转速。主机组发电机：主要部件：转子、定子、上、下机架、推力轴承、导轴承、励磁系统等。水轮机主机组发电机：主要部件：转子、定子、上、下机架、推水轮机水轮机是将水能转变为旋转机械能，从而带动发电机发出电能的一种机械。现代水轮机按水能利用的特征分为：反击式水轮机、冲击式水轮机。 水轮机水轮机是将水能转变为旋转机械能，从而带动发电机发出电一、反击式水轮机定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机称为反击式水轮机。特征：在反击式水轮机流道中，水流是有压的，水流充满水轮机的整个流道。类型：反击式水轮机按水流流过转轮的方向不同又分为混流式、轴流式、斜流式与贯流式四种型式。一、反击式水轮机定义：利用水流的势

44、能和动能做功的水轮机称为反 混流式水轮机轴流式水轮机斜流式水轮机贯流式水轮机 混流式水轮机轴流式水轮机斜流式水轮机贯流式水轮机混流式水轮机轴流式水轮机混流式水轮机轴流式水轮机二、冲击式水轮机利用水流的动能来做功的水轮机为冲击式水轮机。冲击式水轮机主要由喷嘴和转轮组成。在冲击水轮机流道中，水流沿流道流动过程中保持大气压力，水流有与空气接触的自由表面，转轮只是部分进水，水流不是充满整个流道的。水斗式水轮机是冲击式水轮机中目前应用最广泛的一种机型。 二、冲击式水轮机利用水流的动能来做功的水轮机为冲击式水轮机。冲击式水轮机结构水斗式水轮机转轮转轮机壳喷嘴喷管尾水槽轮叶轮盘冲击式水轮机结构水斗式水轮机转

45、轮转轮机壳喷嘴喷管尾水槽轮叶轮水斗式水轮机水斗式水轮机悬式发电机伞式发电机（二）发电机发电机是通过转子转动切割磁力线，在定子绕组上产生电能。分为悬式发电机和伞式发电机。悬式发电机伞式发电机（二）发电机发电机是通过转子转动切割磁力特点：推力轴承位于位于转子上方，支承在上机架上，整个水轮发电机的转动部分是悬挂着的。优点：推力轴承损耗较小，装配方便，运行较稳定；缺点：上机架尺寸大，机组较高，消耗钢材多。转速在150r/min以上。悬式发电机特点：推力轴承位于位于转子上方，支承在上机架上，整个水轮发电伞式发电机特点：推力轴承设在定子下方，支承在下机架上，推力轴承好似伞把支承着机组的转动部分。优点：上机

46、架轻便，可降低机组及厂房高度，节省钢材。缺点：推力轴承直径较大，易磨损，设计制造较复杂。转速多在150r/min以下。伞式发电机特点：推力轴承设在定子下方，支承在下机架上，推力轴类型：1.普通伞式： 有上下导轴承 2.半伞式: 有上导轴承，无下导轴承 3.全伞式: 无上导轴承，有下导轴承类型：(1) 普通伞式有上下导轴承。发电机的传力方式为：机组转动部分的重量推力头和推力轴承下机架机座。上机架只支撑上导轴承和励磁机定子。(1) 普通伞式有上下导轴承。发电机的传力方式为：机组转动(2) 半伞式有上导轴承，无下导轴承。发电机通常将上机架埋入发电机层地板以下。(2) 半伞式有上导轴承，无下导轴承。(

47、3) 全伞式无上导轴承，有下导轴承。机组转动部分的重量通过推力轴承的支撑结构传到水轮机顶盖上，通过顶盖传给水轮机座环。 (3) 全伞式无上导轴承，有下导轴承。 发电机的支承结构(机座或机墩)：1机座作用将发电机支承在预定位置上，并为机组的运行、维护、安装和检修创造条件。 2要求具有足够的强度和刚度，具有良好的抗振性能。3常见的机座形式圆筒式机座、框架式机座、块体机座、钢机座、平行墙式等。 发电机的支承结构(机座 (1) 圆筒式机座：结构形式为厚壁钢筋混凝土圆筒，其壁厚在1m以上。优点：刚度较大，抗振、抗扭性能较好。缺点：水轮机直径较小时，水轮机的安装、维 修、维护不方便 (1) 圆筒式机座：优

48、点：混凝土需要量小，水轮机顶盖处宽敞，设备的安装、布置、维修等比较方便。缺点：抗振、抗扭性能较差，结构刚度小。一般用于中小型机组。(2) 框架式机座：由环形梁和立柱组成。优点：混凝土需要量小，水轮机顶盖处宽敞，设备的安装、布置、维(3)块体机座：适用于大型机组，下部块体结构除了留有必要的通道以外，全部为混凝土。优点：混凝土的强度和刚度大。缺点：混凝土方量大。(4) 钢机座：由钢结构组成。优点：发电机与水轮机直接配套，结构紧凑，安装方便，减少了复杂的钢筋混凝土工程。缺点：消耗钢材较多，我国尚未采用。(3)块体机座：适用于大型机组，下部块体结构除了留有必要的通(5) 平行墙式适用于大型机组，由平行

49、的钢筋混凝土墙和横梁组成。特点：水轮机顶盖处宽敞，工作方便。(5) 平行墙式励磁系统：向发电机转子供给形成磁场的直流电源。励磁方式有直流电机励磁和可控硅整流励磁两种。励磁系统：励磁机、励磁盘。励磁机直流发电机。励磁方式：直接励磁系统，用励磁机(与水轮发电机同轴)产生磁；可控硅整流励磁，可省去励磁机，并降低厂房高度。励磁盘控制设备和自动调整装置的配电盘。作用是：控制和调整水轮发电机的励磁电流。每台发电机一般有35块励磁盘。励磁系统：一次电气设备：直接发、配、输电设备。主变压器接通或断开电路的开关设备：断路器和隔离开关。厂用电设备：厂用变压器及各种电动机。保护和测量设备：电抗器（限制过电流），避雷

50、器（限制过电压）、电流互感器（串联在电路中，可将大电流变成小电流）、电压互感器（并联在电路中，可将高电压变成低电压） 。电气设备及布置一次电气设备：直接发、配、输电设备。电气设备及布置2.二次电气设备：对一次进行测量、保护、监视的设备 测量仪表（电流表、电压表、功率表等）自动装置：自动调整水轮发电机的电压、功率、频率或自动开停某些设备的自动控制设备。继电保护装置：电器设备异常或事故时报警；或使断路器跳闸，断开事故回路，避免事故扩大。 直流（操作）电源：供给厂房设备电源。2.二次电气设备：进水阀（机前阀）及其操作控制设备。装设在每台机组蜗壳进口处。主要作用有：停机检修或检查时，在静水中关闭阀门，

51、截断水流。机组较长时间停机时截断水流，减少漏水。事故时，动水中紧急关闭阀门，截断水流，防止事故扩大。种类：蝴蝶阀、球阀机械设备进水阀（机前阀）及其操作控制设备。装设在每台机组蜗壳进口处。蝴蝶阀球阀蝴蝶阀球阀蝴蝶阀关蝴蝶阀开蝴蝶阀关蝴蝶阀开球阀关球阀开球阀关球阀开通常采用桥吊作用：厂房设备安装、检修时用的起重设备。起重设备通常采用桥吊起重设备水利水电工程概论课件-第6章-水电站水轮机层 主厂房的结构与布置在水轮机层一般布置：1调速器的接力器。位于调速器柜的下方，与水轮机顶盖连在一起，并布置在蜗壳最小断面处，因为该处的混凝土厚度最大。2电气设备的布置。装有电流互感器，一般安装在风罩外壁或机座外壁上

52、。水轮机层较潮湿，对电缆不利。对发电机引出母线要加装保护网。水轮机层 主厂房的结构与布置在水轮机层一般布置：3油、气、水管道。一般沿墙敷设或布置在沟内。管道的布置应与使用和供应地点相协调，同时避免与其他设备相互干扰，且与电缆分别布置在上下游侧，防止油气水渗漏对电缆造成影响。4水轮机层上、下游侧应设必要的过道。主要过道宽度不宜小于1.2m1.6m。水轮机机座壁上要设进人孔，进人孔宽度一般为1.2m1.8m，高度不小于1.8m2.0m，且坡度不能太陡。3油、气、水管道。一般沿墙敷设或布置在沟内。管道的布置应与水轮机层水轮机层水利水电工程概论课件-第6章-水电站蜗壳和进水阀蜗壳层蜗壳层蜗壳和进水阀蜗

53、壳层蜗壳层尾水管尾水管层尾水管层集水井、集水廊道、水泵室 渗漏集水井：置于厂房最低地面以下。积水可自流排入集水井。检修集水井（集水廊道）：在厂房的最低处沿纵轴向设置一条廊道，积水直接排入廊道。离心泵：置于尾水管层，位置在集水井上方。尾水管尾水管层尾水管层集水井、集水廊道、水泵室 发电机层 发电机：定子外露、定子埋入、上机架埋入等形式；调速系统：根据电力系统要求自动调整机组的出力，同时使机组保持一定的额定转速。机旁盘（自动、继电保护、测温、动力等盘）：各机组对应布置，每机3-5块。励磁机盘：控制励磁机运行，一般与机旁盘在一起。发电机层为安放水轮发电机组及辅助设备和仪表表盘的场地，也是运行人员巡回

54、检查机组、监视仪表的场所。主要设备有：发电机层 发电机：定子外露、定子埋入、上机架埋入等形式；发电吊物孔：在吊车起吊范围内应设供安装检修的吊物孔，以沟通上下层之间的运输，一般布置在既不影响交通、又不影响设备布置的地方，其大小与吊运设备的大小相适应，平时用铁盖板盖住。交通道：上或下游侧设主通道2-2.5 m，各设备间巡视检修净距1.5 m左右；起重设备：桥吊工作范围，桥吊大钩的极限起吊高度。吊物孔：在吊车起吊范围内应设供安装检修的吊物孔，以沟通上下层蝶阀孔：如果在水轮机前装设蝴蝶阀，则其检修需要在发电机层的安装间内进行，在发电机层与其相应的部位预留吊孔，以方便检修和安装。楼梯：一般两台机组设置一

55、个楼梯，净宽11.2m。由发电机层到水轮机层至少设两个楼梯，分设在主厂房的两端，便于运行人员到水轮机层巡视和操作、及时处理事故。楼梯不应破坏发电机层楼板的梁格系统。蝶阀孔：如果在水轮机前装设蝴蝶阀，则其检修需要在发电机层的安水利水电工程概论课件-第6章-水电站安康坝后水电站厂房(发电机层)油压装置蝶阀吊孔机旁盘调速器安康坝后水电站厂房(发电机层)油压装置蝶阀吊孔机旁盘调速器盐锅峡水电站厂房油压装置机旁盘调速器盐锅峡水电站厂房油压装置机旁盘调速器凤滩水电站坝内厂房凤滩水电站坝内厂房水轮机层蜗壳层尾水管层发电机层水轮机层蜗壳层尾水管层发电机层定子外露式：发电机定子完全露出于发电机层地面以上。缺点：发电机层地板显得拥挤，同时水轮机层高度小，不便其间布置夹层。采用较少。定子外露式：定子埋入式：发电机定子埋入发电机层楼板下机坑内，上机架外露。便于悬式发电机组的推力轴承