东江水电站引水发电系统设计

#东江水电站引水发电系统设计说明书学生：指导教师：摘要：本设计主要包括引水和发电两个系统的设计。对引水系统，先利用美国垦务局等经验公式对引水管道经济直径进行分析，相应调保计算成果满足要求；对于坝后背管，采用将钢筋与混凝土折算成等强度钢管的原理进行分析，确定坝后背管管壁、混凝土厚度和钢筋用量，以节约钢材用量，节省造价。对厂房，先通过机组选型和厂内布置，确定厂房三维尺寸和厂内布置修改，然后对机墩进行结构计算分析。最终将设计成果绘制成图，为电站安全运行提供可靠的依据。Abstract：Thedesignincludestwosystems,waterandpowergeneration.Forwatersystem,first,usetheEmpiricalformulatowaterpipediameterofeconomicanalysis.Thecorrespondingadjustmentcalculationresultsmeettherequirements.Forthebehindthedamofpipes,usingwillconvertrebarandconcretestrengthofsteel,etctoanalysis.Determinethepenstockwall,concretethicknessanddosageofsteel,forsavesteelconsumption.Forpowerplant,Firstusetheunitselectionandfactorylayouttodeterminethedimensionalsizeandfactorylayoutchanges,andthenselectmachinebaseenclosureswindtostructurecalculationandanalysis.Finallyrenderingmappingofdesignachievements,toprovidereliablebasisforsafeoperationofthepowerstation.关键词：东江水电站建筑物设计枢纽布置Keywords:powerstationofDongjiangconstructiondesignstructurelayout■>■前言东江水电站位于湖南资兴县东江镇，地处东经113°10'〜113°50',北纬25°30'〜25°55'。峡谷两岸山高大于500米，岸坡45。〜50°,两岸呈对称“V”型河谷。河谷宽高比约为2：1,基岩坚硬完整，地形、地质条件较优越。坝址区气候温和，多年平均气温17.3°C。最高气温42C，最低气温-10C。坝址以上多年平均降雨量1607毫米，雨量多集中在春夏之交，历年平均风速为20米/秒，历年最大风速为25米/秒。流域面积11905平方公里，坝址以上4719平方公里，多年平均年径流量45.4亿立方米。该电站是一座以发电为主，兼有防洪、航运、供水等综合效益的大I型水电站，在系统中起着电力补偿调节作用。主要组成建筑物有：混凝土双曲拱坝，溢洪道，坝后背管引水压力管道，地面式厂房。水库正常高水位285米，总库容81.2亿立方米；设计洪水位289.58，校核洪水位291.15有效库容，56.7亿立方米；死水位237米，死库容24.5亿立方米；库容系数高达1.3，调节性能好。装机容量50万千瓦，年平均发电量13.2亿度，以充分发挥本电站与其他电站联合运行的补偿效益。电站装机四台，单机容量12.5万千瓦。电站1978年复工兴建，1987年竣工投产，是80年代湖南省内最大的水电站。本设计主要通过对电站基本资料的分析，依据有关规范、规程，同时参照已建工程经验，进行引水发电系统的设计研究。对枢纽布置方案进行了方案比选定性比较，确定了坝后背管地面引水式厂房。对引水系统设计，利用美国垦务局等经验公式对引水管道经济直径进行了分析，在确定了进水口型式及尺寸后，在设计水头和最大水头两种工况下，相应调保计算成果为：蜗壳末端水锤压力升高值gmaxV30%，转速变化值BmaxV55%，满足设计规范要求；对于坝后背管，采用将钢筋与混凝土折算成等强度钢管的原理进行分析，确定坝后背管管壁、混凝土厚度和钢筋用量，以节约钢材用量，节省造价。在厂房设计中，首先进行机组选型，确定机组、蜗壳、尾水管、坐环等相关部件尺寸，然后进行厂房内部布置，确定厂房三维尺寸，最终确定厂房布置，最后选择机墩风罩进行结构计算分析。在上述计算分析的基础上，将相应设计成果采用AutoCAD绘制了厂区布置图、引水发电系统纵剖面结构图、厂房纵横剖面图、厂内布置图以及机墩配筋图，为电站安全运行提供可靠的依据。基本资料自然条件及工程流域概况及枢纽布置区的地理位置东江水电站位于湖南资兴县东江镇上游^一公里的方石峡谷。地理坐标：东经113°10'〜113°50',北纬25°30'〜25°55'。峡谷两岸山高大于500米，岸坡45°〜50°,两岸对称，呈典型“V”型河谷，高程度285米以下。河谷宽高比约为2：1,基岩坚硬完整，地形地质条件较优越。常水位时水面宽20〜40米，水深1〜3米，水下覆盖有砂卵石夹块石，厚2.5〜4.65米，岸坡基石裸露，冲沟发育，岩石受节理裂隙割切。崩落岩石形成险滩急流。水文气象坝址区气候温和，多年平均气温17.3°C。最高气温42°C，最低气温-10°C。坝址以上多年平均降雨量1607毫米，雨量多集中在春夏之交，历年平均风速为2米/秒，历年最大风速为25米/秒。对外交通坝址上游为中高山峡谷区，盛产木材，坝址中下游属低山丘陵和丘陵盆地区，是湖南产粮区之一，有我国南北交通大动脉京广铁路通过，主要城镇有衡阳、长沙等市。本电站距郴州市约45公里，有公路相接，坝址右岸有新修铁路15公里与京广铁路的许一一三支线木根桥车站通接，对外交通方便，坝址以下17公里有鲤鱼江火电厂，现在装机22.4万千瓦，是本电站施工的主要电源。工程地质概况坝址基岩为寒武、震旦系浅变质岩和中晚侏罗纪花岗岩。两者接触胶结好，变质岩为浅变质细纱岩、角岩、硅质岩和板岩，分布在300米高程以上；花岗岩为燕山早期侵入体大致可分为中细粒斑状花岗岩和粗粒花岗岩，分布在300米高程以下，花岗岩岩性致密坚硬均一，新鲜岩石饱和极限抗压强度1500公斤/平方厘米，摩檫系数：岩石与岩石为0.65〜0.75，岩石与混凝土为0.75〜0.85，变形模量为30〜40X104千克/平方厘米。坝址区受新华夏构造系控制，主要构造有两组：一组走向北东60〜70度，倾向东南,倾角70〜80度，如K〜K等裂隙和F、F等断层；破碎带一般为0.2〜0.8米，另一组走41223向北西340°〜350,倾向北东，倾角70°〜85°。两组裂隙构成盘格式构造。岩石风化不严重，两岸卸荷裂隙较发育，深有10〜14米，裂隙面较粗糙，多具风化现象，个别有夹泥地区地下水以裂隙水为主，大气降雨补给受季节影响很大。左岸在坝址下游900余米有一河湾（镰刀湾），从坝址到镰刀湾所经过的区域，除地表局部段为硅质岩及硅质板岩外，外部均为细粒斑状花岗岩，岩石新鲜完整，具有建造引水隧洞，地下洞室，调压井，地面厂房等建筑物的优良地质条件。坝址处于构造相对稳定地段，经广州地震大队鉴定，地震基本烈度为6度，故引水建筑物及厂房设防烈度按6度考虑。枢纽效益及主要的建筑物枢纽效益东江水电站的开发任务系以发电为主，兼有防洪、航运、工业用水等综合效益，电站在系统中的作用是进行电力补偿调节，提高枯水期出力及系统的可靠性，东江水电站正常高水位为285米高程，相应的库容为81.2亿立方米，有效库容56.7亿立方米，库容系数高达1.3，调节性能极好。为充分发挥本电站与其他电站联合运行的补偿效益，装机容量定为50万千瓦，年平均发电量13.2亿度。电站装机四台，单机容量12.5万千瓦。电站采用220千伏一级电压，出线三回，一回与鲤鱼江电厂相联，一回送耒阳,一回送衡阳.挡水建筑物坝型为变圆心半径混凝土双曲拱坝，体型及坝体参数见附图及附表。大坝设计标准为一级建筑物，按千年一遇洪水设计，可能最大洪水保坝，拱冠断面由两条光滑曲线组成，底部高程137米，坝顶高程294米，坝高157米，底厚35米，厚高比0.22，坝顶宽7米。泄水建筑物坝身两岸潜孔滑雪式溢洪道，左右岸各布置两孔，潜孔进口底板高程256米，孔口尺寸为18X7.5米（宽X高），滑雪槽沿其走向尽量按接近地形表面布置，挑流鼻坎与大坝分离，布置原则是使溢洪道既有充裕的泄洪能力，又将能量大速度高的水流送到远离枢纽建筑物的下游，右岸右孔总长143.0米，右岸左孔总长113.02米，左岸右孔总长122.775米，左岸左孔总长152.775米，在正常高水位285米，水舌挑距165米或170米。为加大汛期泄洪量，并考虑人防和对大坝维修检修，设置了两条放空洞，均布置在右岸，分别称为一级放空洞和二级放空洞。一级放空洞：进口底板高程为222.0米，兼作泄洪洞，当库水位达289.52米时参加泄洪。二级放空洞：进口高程为170米，用于水库放空，后期导流及导流洞关闭后供水，大坝维护检修时，可利用上游围堰将库水位降到175.3米高程以下，围堰与大坝之间的基坑可以抽水。木材过坝设施设计年过坝量30万立方米，永久过木建筑为右岸纵向原木传送机过坝，坝下设置集材场，利用现在施工铁路装车外运。工程特征表枢纽水文特征表1-1枢纽水文特性表序号名称数量单位备注1流域面积11905平方公里坝址以上4719平方公里2利用水文系列年限34年3多年平均年径流量45.4亿立方米4代表性流量施工期导流流量1790立方米/秒设计洪水流量P=0.1%13900立方米/秒校核洪水流量P=0.01%18600立方米/秒

保坝洪水最大流量31100立方米/秒实测最大流量5310立方米/秒1961年8月27日调查历史最大流量8400立方米/秒1971年8月11日5泥沙实测最大悬移质含沙量4.7公斤/立方米1967年7月1日多年平均输沙率32.0公斤/秒34年统计多年平均输沙量101万吨枢纽下泄流量及下游相应水位表1-2枢纽下泄流量及下游相应水位序号频率P%上游库水位（米）总泄量（立方米/秒）下游尾水位（米）方石镰刀湾10.1289.525490162.0156.321288.053500158.0153.2320285.901500152.8149.14正常285.00300147.6145.25最低237.00发保证出力145.5143.6注：发电量均按300立方米/秒计入总泄量水库特性表1-3水库特性表序号名称数量单位备注1水库正常高水位285米水位设计洪水位289.58米

校核洪水位291.15米保坝洪水位293.75米死水位237米淤沙高程170米2水库面积200平方公里3水库库容总库容81.2亿立方米正常水位以下有效库容56.7亿立方米死库容24.5亿立方米4库容系数1.35调节特性多年调节6径流利用系数0.99电站水头及装机容量表1-4电站水头及装机容量序号名称数量单位备注1最大水头139米2最小水头80米3设计水头118.5米4装机容量58万千瓦5装机台数4台6电站保证出力123000千瓦电站单独运行保证出力7年平均发电量13.3亿度8年利用小时2640小时基本资料表水轮机表1-5水轮机主要参数表

序号名称数量单位备注1水轮机型号HL160—LJ—4102单机容量127600千瓦3机组设计流量123立方米/秒4机组转速n166.7转/分5飞逸速度n365转/分发电机表1-6发电机主要参数表序号名称数量单位备注1发电机型号SF125—36/8902单机容量125000千瓦3电压13800伏4风罩外径1300厘米5转子直径812.2厘米6转子轴长837厘米7转子重460吨8主轴直径110厘米9定子外径厘米10励磁机高度160厘米11励磁机直径265厘米12上机架1030厘米13转动惯量17500吨米开关站主变型号：SSP7—150000/220主变钟罩吊装高度：9.97米变压器外型尺寸：8.59米X4.2米X7.ll米(长X宽X高)开关站型式：220伏SF6全封闭组合器一组开关站面积：750输电线电压：220千伏主要副厂房参考面积表l-7主要副厂房参考面积表达式序号名称数量单位备注1机旁盘7块2发电机母线洞2.6X1.4米长X宽3发电机中性点2.0X2.2米4厂用低压配电室60平方米干式变压器三台5近区开关柜室90平方米油浸变压器二台6励磁变压器室140平方米油浸式四台(3.3X1.8)长X宽7发电机出线电压配电装置室600平方米占一层8高压试验室80平方米9中控室100平方米10继电保护室19X8平方米11蓄电池室、酸室15X9平方米12压气机室140平方米13通风机室140平方米14管通间150平方米15油油库及油处理室250平方米

16排水泵室45平方米17尾水闸门式启闭机2X30吨轨宽3.6米坝体附图见图1-1I¥¥¥图-■-:I¥¥¥图-■-:拱坝示意图//\水平拱圈连线图1-1拱坝示意图：（A点坐标：X=1000.000,Y=1000.000）AA¥、¥——坝轴线至上、下游坝面的距离（米）；上下T——拱冠厚度（米）△T——拱端加厚厚度（米）；O水平拱圈圆心坐标；R——拱圈内半径（米）；DV――拱圈半圆心角（度、分、秒）；r拱座小半径（米）a——拱座下游圆弧小中心角（度、分、秒）。2.枢纽布置2.1开发方式及厂房类型东江水电站枢纽布置是在坝工设计己知的条件下，进行厂房类型、引水系统、厂区等方面的布置。枢纽布置是在这些方面进行方案比较，选出最优方案。枢纽布置的总原则如下：1）、坝址，坝型选择和枢纽布置应与施工导流,施工方法和施工期限等结合考虑，要在较顺利的条件下缩短工期。2）、枢纽布置应满足个建筑物在布置上的要求,保证各个建筑物在任何工作条件下都能正常工作。3）、在满足建筑物强度和稳定的条件下，降低枢纽总造价和年运转费用。4）、枢纽中个建筑物布置紧凑，尽量将同一工种的建筑物布置在一起,以减少联结建筑。5）、尽可能使部分建筑物早期投产，提前发挥效益（如提前蓄水,早期发电或灌溉）。6）、枢纽的外观应与周围的环境协调，在可能条件下注意美观。水电站厂房类型有河床式、坝后式和引水式等。在选择厂房类型时，需要综合考虑地形、地质、水文等各方面的条件的影响。对东江水电站，有如下几个方案可选择：2.1.1坝后式厂房采用坝后式厂房，将厂房布置在大坝后面，厂房紧靠大坝，在结构上与大坝分开，不承受上游库水压力，厂房顶部不过洪水。坝后式厂房一般适用于高、中水头的地面厂房。采用坝后式厂房具有以下一些特点：（1）厂房横跨并占满全部河床的布置，并且可利用厂坝之间的空间建成的平台，布置变压器、升压开关站及副厂房，这样大大减少开挖量，降低造价；（2）厂房与大坝完全分开，避免大坝变形对厂房的影响；（3）东江水电站为多年调节水库，水库泄洪机会少，是厂房布置在坝后的条件之一（4）坝后式厂房结合了具体施工条件，可减少开挖量，加快建筑速度。同时，采用坝后式厂房也有一系列的不足之处。首先，坝后厂房布置虽然十分紧凑，但是由于发电引水钢管穿过坝体，使坝体结合复杂化，影响坝体混凝土浇筑的上升速度，坝体混凝土浇筑至引水管道部位时，其上升速度将受到引水钢管安装的制约；其次，坝后式厂房开始的施工时间，其主要工作都必须在河床截流以后才能进行，而往往截流以后的第一、二年，又必须把重点放在坝体本身的施工上，所以，坝后式厂房一般都在截流以后的第二年甚至更晚些才能大规模施工；另外，左右岸进厂公路的安全与正常运行的矛盾较大。引水式厂房引水式地面厂房多用于混合式开发方式中，厂房通常位于引水系统的末端的岸边。引水式水电站比较适合用于坡降大的河段，或河道转弯引水和跨流域引水，这样，可以取得较大水头，而不需修建高坝，造价较低。就厂房本身的布置和结构形式来说，引水式和坝后式地面厂房差别并不大，引水式厂房通常也是承受中、高水头的电站厂房。对东江水电站，下游有一镰刀弯，在左岸可以采用引水式厂房，具有以下的优点：（1）厂房地基较好，位于坚硬的花岗岩上；（2）调压井的地质条件较好，布置及施工都很有利；（3）引水隧洞与花岗岩的裂隙走向交错；（4）厂房建在下游距大坝800m处，施工的相互影响比较少。引水式厂房的缺点：厂房的基础开挖量大，需设置引水隧洞和调压井，增加了工程的开挖量及施工量。地下式厂房地下式厂房位于地下，可布置在引水道的首部、中部、或尾部，另外随工程地质和水文地质条件、水利枢纽布置的开发方式、对交通条件以及施工总布置等条件的不同地下厂房的布置也有区别。东江水电站左岸的地势较陡，有利于布置地下厂房。地下厂房的布置有如下的优点：（1）可减少厂房与泄洪建筑物在布置上的矛盾；（2）相对于坝后式厂房来说，可免受泄洪挑流、雾化气浪的影响；（3）可不受下游高水位的影响；（4）有利于施工导流的布置；（5）可减少厂房与其他建筑物在施工上的干扰。方案确定由以上优点得出，东江水电站如果采用地下厂房，有相对于坝后式、引水式厂房的独特的优势：左岸的地势较陡，有利于施工导流的布置；可减少由于压力管道穿过坝体而对坝体的应力的影响。同时，地下式厂房也有它的不足之处：由于要开挖右岸的岩体，对拱坝的坝肩的稳定有一定的影响；施工量比较大。从上述三个方案的比较可看出，从技术上考虑，三个方案都是可行的。但考虑到经济条件、施工条件、地形地质条件等因素，就有各自的优越性。东江水电站坝址的地形地质条件良好。东江水电站位于湖南省耒水上游“V”河谷的峡谷地区，两岸山高在500米以上，两岸对称，岸坡坡角45°〜50°,河谷宽高比为2：1，基岩坚硬完整，基岩大多为燕山期花岗岩，强度高，致密均一。基础断裂不甚发育，破裂带不宽，断裂面内填充物大都为碎石，无夹泥，岸坡卸荷载裂缝与高倾角裂隙组合控制岩体稳定。地下水类型主要是裂隙水和承压水，水头低，流量小，漏水量不大。一般来说，在地质、地形条件较好的峡谷河床建电站，采用厂房、大坝分散布置方案，对缩短工期是有利的。因而，从地形、地质、工程效益及施工难度方面考虑，在技术上都可行的条件下，选用工期短、效应高的开发方式是最有利的。因而选用坝后式厂房作为东江水电站的厂房布置方式。2.2压力钢管的供水方式压力管道向多台机组供水的方式有单元供水、分组供水、联合供水三种。这三种供水比较如下：表2-1压力管道供水方式的技术经济比较供水方式单元供水分组供水联合供水运行灵活差较好

阀门设置一般可省去机组前的快速闸门机组前设快速闸门机组前设快速闸门管道结构尺寸小、易于制作，无分岔管单管规模大、多分岔管单管规模适中、少分岔管布置管道在平面上所占尺寸大，管道布置和与前池、调压室的连接较困难布置较容易介于两者之间施工安装可分期安装，分期投资一次投资介于两者之间经济性相同条件下，造价较咼相同水头损失下，造价较低介于两者之间适用情况混凝土坝身管道；单管流量很大或长度较短的地下埋管或明管。广泛用于地下埋管和明管，机组数较少时，单机流量较小，引水道较长时广泛用于地下埋管和明管，机组数多，单机流量不大，引水道较长时对于东江水电站压力钢管的供水方式，需要综合考虑管道的长度、洞径及技术经济性等各方面的影响。东江水电站共有四台机组，对于坝后式厂房，考虑其的经济性及压力管道的长度等因素，采用单元供水。对于这种供水方式的洞径，由几个计算公式参考确定：彭德舒公式：D=5.03m；比尔公式：D=5.20m；沙卡里亚公式D=3.63m；美国垦务局公式：D=5.10m；中南院经验公式：D=4.90m。由上计算，考虑供水的经济性等各方面的原因，东江坝后式水电站采用管径D=5.2m。厂区位置选择厂区布置的目的是确定厂房与厂区其他建筑物的相对位置，使厂房与进水管道、尾水渠之间衔接好。确定副厂房、变电站的位置，厂区交通与对外交通的连接等，还须结合当地地形、地质和泄流条件考虑运行方便。在东江水电站大坝下游处，河谷狭窄。滑雪式溢洪道和一、二级放空没下泄的水流能量大。厂房位置的选择，坝体的布置、对厂房的安全稳定、左右岸进厂公路施工、基础开挖等有较大影响。厂房的布置必须综合分析并考虑以上这些问题和矛盾。由地质资料可知，在坝址的下游除地表局部段为硅质岩及硅质板岩外，大部分都为细粒斑状花岗岩，岩石新鲜完整，而且具有建造厂房的各项技术条件及地质条件。若在此建造厂房，开挖量将大大地减小。最终确定主厂房的位置布置大坝的下游到滑雪式溢洪道的出口以内。具体的布置见厂区布置图。3.引水系统布置设计进水口设计进水口设计的要求进水口是水电站水流的进口，其功能是按负荷要求引进发电用水量。为保证进水口的功能正常发挥，进水口设计应满足以下要求：（1）要有足够的进水能力，在各种工况之下，进水口有良好的水力条件，流态平顺，无突变和旋涡，进流匀称，水头损失要小，流量可按要求控制，能够适应电站负荷变化；（2）要符合水质要求，不允许有害的泥沙、冰块及各种污物进入进水口。为此，除了合理安排进水建筑物的位置及高程以外，还要设置必须的拦污、防冰、拦沙、沉沙及冲沙设备，防止大量污物汇集在进水口前缘，堵塞拦污栅；（3）要妥善处理结冰、淤积及污塞等问题，防止淤泥淤堵进水口，在进水口前缘水域尽量避免回流发生，更不能出现漏斗漩涡；（4）为安全需要及方便检修，可随时中断水流，进水建筑物须设必要的闸门，必要时紧急事故关闭，避免事故扩大。用于控制水流的闸门及启闭机，应灵活可靠，便于操作、充水、通气，交通设施应畅通无阻；（5）要满足水工建筑物的一般要求，进水建筑物要有足够的强度、刚度和稳定性，结构简单，造型美观，造价低廉，便于运行、检修和维护。进水口位置、型式、高程及轮廓尺寸的确定进水口的型式进水口按水流条件可分为无压进水口和有压进水口。前者供水进入无压水道，如明渠和沉沙池等；后者供水进入压力水道，如压力管道、压力隧洞、蜗室等。其中，有压进水口有坝式、岸式、塔式几种。1、坝式进水口坝式进水口位于混凝土坝或河床式水电站厂房的上游坝体内，成为统一整体。通常每台机组有单独的进水口。为了不削弱坝体，进水口或其栏污栅可设在伸出坝面的悬臂平台上，适用于坝后式水电站。2、岸式进水口岸式进水口位于河岸上，用于连接隧动，有竖井式（洞式）和岸墙式等。竖井式的进口段和闸门段位于山体中，拦污栅设在洞口。在隧洞口地质条件良好处采用，比较经济。岸墙式的进口段和闸门段位于岸坡岩体外而又紧靠岩坡成为整体，承受水压力和可能的山岩压力，在隧洞进口地质条件较差时采用。3、塔式进水口塔式进水口的进口段和闸门段位于水库中形成一塔形结构，从一边或四周进水，用工作桥与岸边相连，要求要有足够的刚度和稳定性。在隧洞进口地质条件较差时或在隧洞进口地质条件较差时采用。塔式进水口使用于以下的情况：（1）水电站厂房布置在河床坝后，拦河坝采用当地的材料坝；（2）水库岸边地质条件较差，不利于在岸边修建进水口；（3）如果来流中含有大量的泥沙，为了保证水质，避免泥沙的淤积影响，要求从表面水层取水，采用圆形塔式进水口有利于在不同高程上设置进口取水。东江电站来采用坝后式厂房，如果采用竖井式进水口，则会增加压力管道的长度，而且弯管比较多，水头损失较大，影响发电。当采用坝后式或坝内式厂房时，压力管道埋设在坝体内部，只有采用坝式进水口，坝式进水口缩短管道的长度，弯管较少。而且进水口或其拦污栅可设在伸出坝面的悬臂平台上，不会削弱坝体；拦污栅在平面上可以用直线或折线布置，多数进水口成竖井布置，也可沿坝面成倾斜式，所以采用坝式进水口。进水口的位置及高程的确定进水口在枢纽的设置，应尽量使进入进水口的水流平顺、对称，不发生回流和旋涡，不出现淤积，不聚集污物，泄洪时仍能正常进水。进水口前面如有回流区，则漂浮的污物将大量聚集，影响进水，而且污物很难清除。水流不平顺，则容易出现旋涡，故进水口须避开回流区。进水隧洞的进水口则应与隧洞路线的选择协调一致，布置在地形地质及水流条件均合适的地点。进水口的设置，涉及到水流流态、三防要求、地质因素、施工条件和工程造价等各个方面，应与水利枢纽总体布置同时进行。进水口应具备以下五个方面的功能：（1）要有必要的进水能力；（2）按照电站机组需要向引水道供水；（3）防止泥沙和污物，不使其带入进水口，水质符合发电要求；（4）能够中断水流；（5）水头损失要小。考虑到水头损失及避免不稳定流影响和工程造价问题，采用直接从上游水库引水的措施，无须设置引水渠。考虑防沙问题应充分利用河流弯道的环流作用。东江水电站的多年平均输沙量为101万吨，多年平均输沙率为32.0kg/s，泥沙问题较严重，从防沙角度来看，引水道进水口应设在凹岸，但考虑到防污问题，不应将进水口设在回流区，因为在回流区容易聚集大量污物，对进水口的流态也非常不利，这与防沙要求是相矛盾的。从东江电站水流水质情况来看，防沙是首要的。所以，进水口设置在凹岸及上游左岸。从施工条件来看，进水口的位置不仅影响工期，也影响工程造价，甚至会影响到工程的总体计划，控制发电日期。综合考虑各方面的因素，进行技术经济分析，确定进水口位置布置于大坝中心线左右两侧，每侧各两个进水口。进水口高程有上限，也有下限。进水口的上限应能保证能引进所需的流量，孔口底板高程应置于最低运行水位以下。位于最低运行水位以下多少，既有技术经济问题，也有与闸门尺寸配套有关。有压进水口设置高程的上限是满足淹没深度的要求，保证水流的有压状态，避免进水口前缘水域发生贯通式的漏斗漩涡。进水口高程的下限，应考虑河流泥沙运动特征，水库淤积状态和有无排沙设施，即下限要求进水口应布设在淤沙高程以上，以避免泥沙堵塞进水口。有压进水口应底于运行这可能出现的最底水位，并有一定的淹没深度。淹没深度应以不产生漏斗状吸气旋涡为原则。漏斗状吸气旋涡不仅会带入空气，而且回吸入漂浮物，引起噪音和振动，减少流量，影响水电站的正常发电。不出现漏斗状吸气旋涡的临界淹没深度可按经验公式计算：SCV^d式中d闸门净高（m）；V闸门断面的流速（m/s）；S闸门门顶低于最底水位的淹没深度（m）；C-―经验系数，C=0.55〜0.73。对称进水的进口取最小值，侧向进水的进口取最大值。由以上的分析决定，又根据高顿公式计算的最小淹没深度，确定进水口的底板高程。进水口的轮廓尺寸的确定水电站进水口的流速一般不大，选择好的轮廓尺寸可以减小水头损失，降低工程造价和设备费用。1、进口段进口段的作用是连接拦污栅和闸门段。一般是根据水电站进水口的布置方式以及引用流量来考虑进口段的形状。为了使水流平顺的进入引水道，减少水头损失，进口流速不宜太大，一般控制在1.5m/s左右。为适应水流的运动规律，进口段做成喇叭形，其作用是使水流平稳，流速均匀增加，不发生涡流，减小水头损失。坝式进水口为了适应坝体结构的要求，长度要缩短，进水口常与闸门段结合在一起，一般做成矩形喇叭口形状。喇叭口设计为接近流线的椭圆曲线，其方程式为：TOC\o"1-5"\h\zx2y2+二1622.522、闸门段闸门段是引水道和进口段的连接段，其体形主要根据所采用的闸门、门槽型式以及结构的受力条件而决定。闸门孔口一般用矩形。考虑引水管道的直径和进口段的尺寸，宽度小于或等于压力管道直径D,高度一般等于或稍大于压力管道直径D。采用《钢闸门设计规范》推荐的尺寸，即高X宽=6.5mX5.2m。两道闸门间距为4.0米，闸门段长度考虑到检修通道的要求,取4米。门槽其宽深比为W=1.6〜1.8,参考图集中的工程，取W=0.7m。D=0.4m。D3、渐变段渐变段是由矩形闸门段到圆形隧洞的过渡段，通常采用圆角过渡。由于引水道的进水断面为圆形，而进水口因安装闸门的需要，孔口断面为矩形，为了从矩形断面闸门孔口缓地过渡到管道圆形断面,需在两断面间设置渐变段连接。渐变段断面面积和流速应逐渐变化，使水流不产生涡流并尽量减少水头损失。为了从矩形闸门孔口缓和地过度到圆形断面，渐变段的长度采用1.5〜2倍的洞径，取2倍洞径，即10.4米。为施工考虑，渐变段由矩形变为圆形可采用直线规律，其参数方程为：a=—(L-x)=-6:^(10.4-x)=5(10.4-x)TOC\o"1-5"\h\zL10.48-ryVC-1b=—(L—x)=—^(10.4—x)=1(10.4—x)L10.42r=—(L—x)=52(10.4—x)=-(10.4—x)2L2x10.44式中a——渐变段的断面高度，m；b――表示渐变段的断面宽度，m；r渐变段圆角的圆弧半径，m；B——矩形断面的起始宽度，B=5.2m；H——矩形断面的起始高度，H=6.5m；D――圆形断面终端直径，D=5.2m；L——渐变段的长度，L=2D=10.4m；x——渐变段长度变化参数，m图3-1进水口渐变段形式进水口的主要设备拦污栅拦污栅又由若干块栅片组成，插入支撑结构的栅槽中。拦污栅的布置形式决定于进水口的型式和电站引用流量的大小、气候条件、水库水位变化范围、拦污栅拦阻污物的最小尺寸和清污方法等。拦污栅垂直布置，支撑在混凝土框架上并高于正常水位，顶部用顶板封闭，采用直线平面形拦污栅，其结构简单，清污方便，可以为水电站所有进水口共用。栅条间距根据水轮机型号和尺寸选定，对于混流式净距取转轮直径的1/30。本设计采用的水轮机型号为HL160—LJ—410。里013.67cm，根据工程经验取为10cm。30拦污栅又若干块栅片组成，插入支撑结构的栅槽中。每块栅片宽不超过2.5米，取2m,高不超过4米，取3m。栅片结构为四边形钢焊接的框架，中间为扁钢做成的栅条，栅条厚8〜12mm,取10mm，宽100mm〜200mm，取150mm。每块栅片之间设置栅墩，共设4个中墩，3根横梁。中墩宽度为0.7m，间距为2.4m，边墩宽度取0.9m，栅槽尺寸取60mmX250mm。闸门及启闭设备为了保证电站安全运行及突然事故时能及时截断水流，或为了检修引水道的需要，在闸门段设置工作门和检修门。工作闸门的作用是调节孔口流量，要求工作闸门能在动水中快速关闭，静水中开启。检修闸门用于引水建筑物及其设备政党检修时挡水之用，只要求在静水中启闭。常用的起闭机有卷扬机，螺杆式和液压式三种。从经济的角度考虑，决定将检修闸门和事故闸门合为一道闸门，即在进水口设两个闸门，均为平板闸门。两个闸门间距为4.0m。门槽宽深比为W=1.6〜1.8，则取W=0.7米，D=0.4米。D闸门孔口的尺寸确定，考虑到引水道中的水流速度及闸门的流速。对有压进水口，可参照其后接近引水近道的流速值来确定孔口面积，同时考虑到渐变段的影响，确定孔口的宽度和高度为：高X宽=7.4mX5.2m。相应的闸门孔口流速：v=Q/A=123/6.5X5.2max=3.64m/s<4.89m/s,满足要求。东江水电站，启闭机采用卷扬机。在每个进水口设一套固定式卷扬机，闸门平时停在闸门孔口上方，随时处于戒备状态。闸门的操作采用自动控制。通气孔通气孔紧接闸门后设置，其作用是在引水管道进行充水或放空过程中，闸门后的排气和补气。通气孔布置原则：要有利于安全操作和正常工作；顶端应在上游最高水位之上，与启闭机室分开，以免在冲气和排气时影响安全操作,外口还要有防护罩；内口应尽量靠近闸门下游侧并力求设在门后管道顶板最高位置，以便在任何工况下均能充分通气，有效的减少负压；通气孔体形应力求平顺，避免突变，在必须转弯处，应适当加大弯道半径，以减少气流阻力；有条件时可将通气孔与检查井或闸门井结合共用。按照经验，通气孔的面积取A通=（5%〜7%）A,式中A为管道断面积。另外，通气孔兼做进人孔。综合考虑，通气孔的面积选为A通=2.70m2,通气孔的直径为①=1.8m。引水管道设计压力管道是指从水库，压力前池或调压室向水轮机输送水量的管道。其一般特点是坡度陡，内水压力大，承受水击的动水压力，而且靠近厂房。坝体压力管道是依附在混凝土坝身，即埋设在坝体或固定在坝面上，并与坝体成为一体的压力输水管道。对于混凝土坝坝式水电站，采用坝体压力管道输水和坝后式厂房，往往是经济合理的布置方式。这种方式与河岸引水的岸边厂房的布置相比，进水口设于坝体，结构紧凑简单；引水长度最短，水头损失小，机组调节保证条件好；造价低；运行集中方便。坝体压力管道按布置方式可分为三种：1、坝内埋管：其特点是管道全部埋在坝体内；2、坝上游面管道：其特点是管道的大部分位于上游坝面坝体外，仅厂房前较短的一段穿过坝体；3、坝下游面管道：即坝后背管，其特点是除进水口后的一小段管道穿国坝体外，主要部分沿坝下游面铺设。其中，坝后背管与坝内埋管相比，突出的优点有：（1）便于布置。对于较薄的混凝土高坝，如果将大直径管道布置在坝体内，往往需要将进水口放低，并将管道布置在坝体下部，这就增加了进水口设施的困难，采用坝后背管可以将进水口尽量抬高。由于管道的主要部分在下游坝面上，维护方便；（2）减少管道空腔对坝体的削弱，有利于坝体的安全；（3）坝体施工不受管道施工与安装的干扰，可以提高坝体施工质量，并加快进度、提前发电；（4）管道可以随机组的投产先后分期施工，有利于合理按排施工进度，减少投资积压，机组台数较多时，效益更显著。坝后背管的缺点有：由于上弯段以上的坝内埋管段加长，斜管段向下游平移，使厂房向下游移动，增加了厂坝轴线的距离，增加工程量。另外，下游坝面常常要布置施工栈桥及施工机械，与管道施工会有一定的干扰。东江水电站采用的是坝后式厂房，如果采用坝上游面管或坝内埋管，则会大大影响坝体的稳定性。采用坝下游面管，可以克服以上的缺点，并且便于布置，减少管道对坝体稳定性的削弱，确保大坝的安全；使坝体施工不受管道的施工和安装的影响，加快进度；管道可随机组的投产先后分期施工，有利合理安排施工进度，提高效益。管道经济断面计算，根据以下公式：彭德舒公式：D=5.03m比尔公式:D=5.20m沙卡里亚公式D=3.63m美国垦务局公式：D=5.10m中南院经验公式:D=4.90m由上计算，考虑供水的经济性等各方面的原因，东江坝后式水电站采用管径D=5.2m。具体布置如图：图3-2引水系统压力管道布置图引水道水力计算引水道的水力计算主要是进行水头损失计算。引水道水头损失包括水头损失和沿程水头损失两个部分。引水系统的局部水头损失通常包括进水口、拦污栅、门槽和渐变段及弯管、锥管段等各部分的局部水头损失。引水道的水头损失即为引水道的沿程水头损失和弯段的沿程水头损失之和。本设计中，为了减小重复的计算，在计算水头损失时，将流速用流量和断面面积的关

系来表示。在后面的调保计算中，计算各种工况下的水头损失时，只需将流量Q代入关系式中计算即可。进水口水头损失：v22g=0.2(0.0109Q)22x9.81=1.211x10-6Q2进水口水头损失：v22g=0.2(0.0109Q)22x9.81=1.211x10-6Q2拦污栅水头损失：h=匚22(QYv2(90丿a=3.1548xv90丿=1.9851x10-5Q22g2x9.81沿程水头损失：v2l(0.0471Q)2x175.5=—1—=3C2R80.362x1.3二4.6376x10-5Q2门槽水头损失：忙4釜=0.2民=°2x^|磐=8・931x10-6Q2渐变段局部损失：忽略不计上转弯管水头损失下转弯管水头损失2(-^0-)2h壬匸二0.128x1/4xKd2二1.45x10-5Q2662g2x9.81Q(—-—)2L氐=0J37x^49di-=1-55510-5Q2水头总损失为：h=h+h+h+h+h+h+h损1234567=(0.1211+1.9851+4.6376+0.8931+1.45+1.55)x10-5Q2二10.6369x10-5Q24.机电设备及附属设备布置4.1水轮机型号及吸出高度4.1.1水轮机型号由设计基本资料可知，设计水头Hr=118.5m，发电机额定出力Nf=12.5万KW,查《水力机械》附表，可选HL160型水轮机；又水轮机额疋出力N=—f,取］=0.98,得N=—f=―=12.76万KW;r耳fr耳0.98ff由《水力机械》查HL160型水轮机得：单位流量Q=670L/S=0.67m3/s,效率沪89%,则水轮机转轮直径D竹，=4.im用HL160-LJ-410，其中座环外径Da=6450mm,r\9.81Q'H32nr座环内径Db=5450mm,机组转速n=166.7转/分。4.1.2水轮机吸出高度Hs水轮机吸出高度是从转轮叶片上压力最低点到最下游水面的垂直高度。为了保证水轮机在运行中不发生汽蚀，应对各种特征工况的吸出高Hs进行验算，并取其中的最小值，当计算得的Hs为负值时，说明需要将上述规定的位置装置在下游水面下，使转轮出口不再出静力真空而产生了正压，以抵消由于过大的动力真空所形成的危险的压力降低。根据公式H=10.3-E-KH-1，计算特征工况(设计水头，最大水头，最小水头)s900吸出高度，取最小值；Hs=-2.52m。蜗壳设计蜗壳型式对于大中型反击式水轮机，为了使由压力水管引来的水流能够以较小的水头损失、均匀而呈轴对称的进入导水机构，所以在水管末端和座环之间设置蜗壳。东江水电站，水轮机的最大工作水头为139m(>40m)，因此采用金属蜗壳。蜗壳断面形式金属蜗壳的断面形状均采用圆形断面，在蜗壳的末端由于其端面过小而不能和蝶形边相接，因此米用椭圆形断面，当P<s时米用椭圆断面。蜗壳包角蜗壳的末端通常和一个座环的固定导叶连接在一起，称为蜗壳的鼻端。从鼻端到蜗壳的进水断面之间的中心角称为蜗壳的包角，用申°表示。对圆断面的金属蜗壳，由于过流量较小，蜗壳的外形尺寸对水电站厂房的尺寸和造价影响不大。为了获得良好的水力性能一般米用申=340。〜350。，工厂大多米用申=345。。00东江水电站米用*=345。。0蜗壳的进口流速一般均希望将蜗壳进口断面的平均流速选得大一些，这样可以得到较小的蜗壳尺寸，但这使水力损失增大，因此需要选择合理的进口平均流速。根据已运行的水轮机资料统计，推荐使用蜗壳进口断面平均流速曲线（《水力机械》图4-30）。东江水电站的水轮机的设计水头H=118.5m，查H-V曲线可得蜗壳的进口平均流速V=8.0m/s。rrcc蜗壳外形尺寸的确定参考《水电站机电设计手册-水力机械部分》，米用解析法计算金属蜗壳的外形尺寸。金属蜗壳的水力计算根据蜗壳与座环的连接方式不同而分别计算。解析法是在假定V二V二C，由设计水头H最大引用流量Q，导叶高度b，座环尺ucrmax0寸及蜗壳断面形式，最大包角、进口平均流速的条件下计算的。经计算可知：进口断面流量：Q=117.875m3/s0进口断面半径：p=2.166m0进口断面中心距：二5.422m进口断面外半径：R=7.561m蝶形边至导水机构水平中心线高度：h=0.62m圆形断面尺寸计算过程：（金属蜗壳圆形断面计算结果见计算书）蜗壳系数C=2a—、：a2—p2ill计算公式如下：

X=2-：2R貲—h2C0Cp=\X2+h2ia=R+Xi0R=a+piii椭圆形断面尺寸计算过程：（金属蜗壳椭圆形断面计算结果见计算书）2椭圆形断面短半径pp=11.045A+0.81L2-1.345L椭圆形断面短半径p2A=兀p2+d2tga9(m2)i1申pi=亦卡+、;(epi=亦卡+、;(e)2ctga+叱座环蝶形边锥角，a=550p——圆形断面半径;id=R-r=0.56maa椭圆断面长半径：p=L+p(1-cota)12椭圆断面中心距：a=r+1.22p(m)ia2椭圆断面外半径：R=a+p(m)图4-2金属蜗壳单线图ii1图4-2金属蜗壳单线图尾水管设计尾水管是反击式水轮机过流通道的最后部分，其型式和尺寸对转轮出口动能的恢复有很大的影响，而且在很大程度上还影响着厂房基础的开挖和下部块体混凝土的尺寸。增大尾水管的尺寸可以提高水轮机的效率，但是水电站的投资和工程量增大，因此合理的选择尾水管的形式和尺寸在水电站设计中有很大的意义。对大中型水轮机，为了减少尾水管的开挖深度，均都采用弯肘形尾水管。弯肘形尾水管由进口直锥段、肘管和出口扩散段三部分组成，具体设计尺寸见计算书。发电机设计垂直方向的主要尺寸定子机座高度：h=3700mm1上机架高度：h=1223mm2推力轴承高度：h=1350mm3励磁机高度：h=1600mm4副励磁机咼度：h=800mm5永磁机及转速继电器高度：h二707mm6下机架高度：h=1500mm7定子支承面至下机架支承面距离：h=1915mm8下机架支承面至法兰底面距离：h=1165mm9转子磁轭轴向高度：h=2680mm10发电机主轴高度：h=2560+1870+3940=8370mm11定子水平中心线至法兰底面距离：h=4780mm12法兰底面至发电机顶部高度：H=11100mm定子支承面至发电机层地板高度：h=4120mm水平方向上的主要尺寸机座外径：D=10300mm1风罩外径：D=13000mm2转子直径：D=8122mm3下机架最大跨度：D=7540mm4水轮机机坑直径：D=6000mm5推力轴承装置外径：D=4200mm6励磁机外径：D=2650mm7发电机的尺寸示意图图4-3发电机外形尺寸示意图座环设计座环位于导叶的外围，是由上下蝶形和中间若干立柱组成的整体铸钢件。座环外缘与蜗壳焊接，内缘与顶盖和底环相固定。在机组安装完毕后，座环顶部承受发电机混凝土机墩及其传来的荷载，在整个水轮机中起着骨架作用，并把所承受的荷载传递到下部基础上。东江水电站座环的形式采用带蝶形边座环，其锥角0取55。。座环的尺寸查《水电站机电设计手册-水力机械》表2-16金属蜗壳座环尺寸系列：转轮直径：D=4100mm（东江水电站设计水头H=118.5m<170m）1r转轮内径：D=5450mmb转轮外径：D=6450mma主厂房的起重设备选择主厂房起重机的型式和台数，直接影响起重机设备投资，厂房上部建筑物的尺寸以及电站的机组安装，检修的进度。从选定的水轮机和发电机的参数可知，最大吊件的重量G=4601，机组台数为四组，固而可选用一台双小车起重机或一台单小车桥式起重机。双小车桥式起重机和单小车桥式起重机相比较，前者具有耗钢量少，能降低厂房上部结构的高度，此外还容易满足设备翻身、倒置等要求。综合比较双小车桥式起重机和单小车桥式起重机的优缺点，最终确定选取用双小车桥式起重机。起重机型号选用2x250t的双小车桥式起重机。主变及开关站由基本资料可知：主变型号：SSP7-150000/220主变钟罩吊装高度：9.97m变压器外型尺寸：8.59mx4.2mx7.11m（长x宽x高）开关站型式：220伏SF6全封闭组合器一组开关站面积：750m2输电线电压：220千伏调速器及油压装置调速器的功用水轮机调速器的基本功用是使水轮发电机组稳定地以额定转速运行，在机组负荷变化

和其它外扰作用下，保证机组的转速变化不超过一定的范围，并能迅速的稳定于新的工况，从而保证发电机输出的交流电频率满足用电设备的要求。调速器的型号选择调速器的型号必须满足以下要求：1、当电站容量较大、在系统中承担调频任务，或有单机带孤立负荷的运行式且对电能品质要求较高，或系统中有较大的冲击负荷时，应选用调节品质好，自动化程度高的电气液压调速器。2、选择调速器时应考虑到调速器基本些环节对电站其它设备的要求和影响，如影响到永磁机的使用和调速器的布置。调速功的计算已知H=139m，额定出力N=127600kw，则此时流量为：max1276009.81x139x0.902=1276009.81x139x0.902=103.74m3/s9.81H耳maxA=(200〜250)QDmax1=(200〜250)x103.74x,.139x4.1=(4.95~6.19)x105>30000N-m式中：A调速功，N・m；H最大水头，m；maxQ最大水头下额定出力时的流量，ms/s；D――水轮机的标称直径，m。1属于大型调速器，则接力器、调速柜和油压装置应该分别计算选择。接力器的选择接力器直径的计算：采用两个接力器来操作水轮机的导叶机构，选用额定油压2.5MPa,则每个接力器直径可按下列公式计算：d=九D0H(m)s1.DmaxY1

式中：入——计算系数，可由《水力机械》表5-3查取;b导叶高度，m。0已知导叶数目17，导叶的相对高度：为标准正曲率导叶，由《水力机械》设计手册表5-3选取入-0.03,b万二0.224，1则d=0.03x4.1xJ0.224X139=0.686msd过大，采用油压4.0MPa，则d'=0.81d=556mm由此，在表中选择与之接近而偏大的sssd=600mm。s接力器最大行程的计算：S=（1.4〜1.8）a式中，a式中，a况点（n'1r-66.7r/min，Q'-675L/s）在模型综合特性曲线查得a-25mm，1max0MmaxD-0.4600M，Z=17，贝Ua-25x-4117=223mm0M0max0.46X170maxDZ导叶最大开度，可由公式a=aoom求得，a由设计工0max0MmaxDZoMmaxoMo选取计算系数为1.8，则S=1.8X223=401mm=0.401mmax兀兀③接力器容积计算：V二一d2S二X0.6002X0.401二0.23m3s2smax23）调速器的选择大型调速器的型号是以主配压阀的直径来表征的，主配压阀的直径d：■V1Tvsm选取导叶从全开到全关的直线关闭时间Ts=6s，管内油的流速v=5m/s，m~；023则d=1.13—=1.13，―=0.098m=98mmTv6x5sm由此在表中选择与之接近而偏大的DST—100型大型电气液压双调节型调速器。4）油压装置的选择此处油压装置不考虑空放阀和进水阀的用油，则对混流式水轮机，压力油罐的总容积：V=（18〜20）Vs二（18〜20）X0.23=4