设计说明书瀑布沟水电站厂房的初步设计说明

摘要本文首先阐述了瀑布沟水电站厂房项目的概述以与其施工重要性，其次说明了水电站主要设备的选择、厂房的布置设计、电站枢纽布置设计以与引水系统设计，然后详细计算了压力管道的结构计算，最后规划了主厂房部的设备与其布置、副厂房的布置规划。主要针对项目的概况、建设的必要性和作用、设备的选择与布置等几个方面进行了研究和调节保证计算。最后还附上了工程设计图集。笔者花了大量的时间用于计算，这也是笔者工作的重点,使所研究的项目具有实用价值，所设计的具体项目布置方案对实际施工也有很好的参考性。在项目计算和设计过程中，笔者深刻体会到了水电站工程的重要性、优越性以与水电站的修建在社会生活中所起到的重要作用。此外,对于各类水电站设备在具体水电站工程施工里的应用，笔者在设计论述过程中也做了一定的研究。关键词: 水电站；设备选择；布置设计；系统设计；结构计算AbstractThis article first elaborated the Pubugou Hydropower Project Overview and its construction importance, followed by the description of the hydroelectric power station main equipment selection, plant layout, plant layout design and the design of water diversion system in detail, and then calculated the pressure pipeline structure calculation, the final plan of main building interior equipment and layout, deputy workshop layout planning. Mainly for the general situation of the project, the necessity of construction and function, equipment selection and layout and other aspects were studied and the regulation guarantee calculation. The last is also attached to the engineering design. I spent a lot of time for calculation, it is also the focus of the work, the project has practical value, the specific design of the project layout for the actual construction also has a very good reference. In the project design and calculation process, the author deeply realized the importance of hydropower project, the superiority and hydropower station construction in social life, plays a vital role in. In addition, for all types of hydroelectric station equipment in hydropower station construction in the application, the design this paper also do some research. Key words: hydropower station; equipment selection; layout design; system design; structure calculation目录1瀑布沟水电站工程概况11.1概述11.2瀑布沟水电站的作用11.3基本工程资料12水电站主要设备的选择22.1水轮机的选择22.2发电机的选择52.3调速器的选择82.4吊车的选择102.5变压器的选择103厂房的布置设计103.1确定厂房的平面尺103.2确定厂房各高程144电站枢纽布置设计155引水系统设计155.1进水口的设计155.2引水道的设计165.3机组的水击调保计算165.4尾水洞断面尺寸设计235.5调压室的结构尺寸计算235.6无压尾水隧洞的结构尺寸计算265.7尾水洞闸门室与其设备的布置276压力管道的结构计算276.1压力管道钢衬厚度的计算276.2钢衬的抗外压失稳计算286.3防止钢衬受外压失稳的措施287主厂房部的设备与其布置287.1发电机层的布置287.2安装间的布置287.3安装间底层的布置297.4水轮机层的布置297.5蜗壳层的布置297.6伸缩缝布置297.7楼梯的设置297.8吊物孔与吊阀孔的设置298副厂房的布置298.1中央控制室308.2集缆室30参考文献:31致3229 / 321瀑布沟水电站工程概况1.1概述瀑布沟水电站位于长江流域岷江水系的大渡河中游，地处省西部汉源和甘洛两省境。电站采用堤坝式开发，是一座以发电为主，兼有防洪、拦沙等综合利用效益的大型水电工程。瀑布沟电站系从下游算起的第5级，装机规模330万KW，保证出力92.6万KW，多年平均发电量145.8亿KW/h。电站额定水头148m，单机引用流量417m3/s。电站拦河大坝为砾石土直心墙堆石坝，水库正错误！未找到索引项。常蓄水位850.00m，汛期运行限制水位841.00m，死水位790.00m，水库库容53.9亿m3，其中调洪库容10.56亿m3、调节库容38.82亿m3，为季调节水库。1.2瀑布沟水电站的作用1.2.1 综合作用本电站是以发电为主，兼有防洪、拦沙等综合利用任务的工程。由于具有较大库容，可调节流量，拦截泥沙，对下游水电站有较大效益。1.2.2发电本电站装机容量330万KW，保证出力92.6万KW，多年平均发电量145.8亿KW/h。由于水库调节，提高枯水期下泄流量，下游龚嘴和铜街子两电站将增加保证出力21.5万KW，枯水期电量7.8亿KW/h。1.2.3漂木利用河道漂木送木材是大渡河流域木材运输的主要形式。水库形成后，将木材在库收漂，拖运至坝前，从木材联合运输机过坝，年过木量100万m3。1.2.4防洪水库预留一定的防洪库容，通过洪水期水库调节，可削减下泄洪峰流量，使下游市沙湾区40余个江心洲（居民3万多人）的防洪标准从不足2年一遇提高到5年一遇，同时提高了下游2个已建电站的防洪标准。1.2.5拦沙瀑布沟坝址悬移质年输沙量占龚嘴水库年输沙量的85.3%，瀑布沟水库运行50年，泥沙出库率仅12.3%，能有效的解决龚嘴和铜街子两电站因水库泥沙淤积对电站安全运行的影响，缓解龚嘴水库淤积对成昆铁路安全运营的威胁。1.2.6航运大渡河下段沙湾以下为通航河段。瀑布沟水库调节后，汛期下泄流量减少，枯水期下泄流量增加250300 m3/s，改善下游航运条件。1.3基本工程资料1.3.1水库水位校核洪水位851.32 m3/s 设计洪水位847.63 m3/s正常蓄水位850.00 m3/s 汛期限制水位841.00 m3/s死水位790.00 m3/s1.3.2下游尾水位校核洪水尾水位679.84 m3/s 设计洪水尾水位678.90 m3/s正常尾水位669.80 m3/s 最低尾水位667.60 m3/s1.3.3机组工作水头最大工作水头181.70 m3/s 最小工作水头114.30 m3/s额定工作水头148.00 m3/s 2水电站主要设备的选择2.1水轮机的选择2.1.1 水轮机型号的选择由设计资料可以知道，该水轮机最大工作水头Hmax=181.7m，最小工作水头Hmin=114.3m，额定工作水头Hr=148m。混流式水轮机结构简单，运行稳定，效率高，应运广泛，切适用水头在30700m，故优先选择混流式水轮机。查混流式水轮机模型转轮主要参数表，初步选定HL200，HL180两种型号。在最优工况下效率分别为：200=90.7%、180=92.0%；汽蚀系数：200 =0.088、180=0.075。所以选用HL180 水轮机。2.1.2转轮直径的计算其中：水轮机的额定出力，可由发电机的额定出力（即机组容量）求得。即为发电机效率，对于大中型发电机取=9698%。水轮机的单位流量，在水轮机以额定出力工作时，应选用在限制工况下的值进行计算，可以由水轮机模型转轮主要参数表中查得。水轮机的设计水头。原型水轮机在限制工况下的效率，由于转轮直径尚未求得，效率修正值也不能计算，所以得不出确切的值。计算时可根据经验初步假定（一般为限制工况下的增加2%3%），待求得后再作校核。将以上各值代入(2-1)式中便可计算出转轮直径，该直径尚须按规定的系列尺寸选用相近而偏大的标准直径， 选用与之接近而偏大的标准直径D1=6.5m。2.1.3水轮机转速的计算在原型水轮机的最高效率的情况下：考虑到制造工艺水平的情况，取1=1%；由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型基本相似，故认为2=0，则效率修正值：式中 考虑工艺水平影响的效率修正值；考虑异形部件影响的效率修正值。由此便可得出水轮机在限制工况下的效率为（2-3）式中 模型水轮机在限制工况下的效率，可查水轮机模型转轮主要参数表得到。由上式计算出的效率应和前面式2-1假定的效率一样否则应将该值带入计算。为了使水轮机在加权平均水头下有最高的效率，上式中的单位转速应采用最优单位转速；水头应采用加权平均水头。由此可将上式改写为式中 原型水轮机的最优单位转速，同样，计算得的转速亦需按规定选用相近的发电机标准同步转速，并使其略大于计算得的转速，这样可使发电机具有较小的尺寸和重量。最终选用与之接近的标准同步转速2.1.4工作围的验算在选定，的情况下，=0.86m3/s。水轮机的和各种特征水头下相应的值分别由计算得出：则水轮机的最大引用流量Qmax为：对值在各水头下的计算公式如下：按水轮机的最大水头、最小水头，以与所选定的直径、转速计算出单位转速和；按设计水头和所选定的直径计算出水轮机以额定出力工作时的最大单位流量。然后在水轮机主要综合特性曲线图上分别作以、和为常数的直线，这些直线所包括的围即给出了水轮机的相似工作围，若此围包括了主要综合特性曲线的高效率区时并在5%出力限制线以左时，则认为所选定的和是满意的，否则应适当调整或的数值。对值在设计水头=148m时在最大水头Hmax=181.7m时在最小水头Hmin=114.3m时在HL180水轮机的模型综合特性曲线图上，分别画出=820L/min、=60.3、=76.0的直线，在图上我们可以看到这些直线所标出的水轮机相似工作围基本上包括了特性曲线的高效率区，所以对所选定的直径D1=6.5m，n=125还是比较满意的。2.1.5水轮机的吸出高Hs的计算由水轮机的设计工况查HL180水轮机的模型综合特性曲线，查的相应的汽蚀系数=0.08；由设计水头Hr=148m，查汽蚀系数修正曲线图可的=0.018，则可求的水轮机的吸出高Hs为：为水轮机安装处的海拔高程,w为下游最低水位668.68m。则水轮机的安装高程为：2.1.6绘制运转特性曲线，并校核论证机组的工作稳定性水轮机型号： HL180-LJ-650；特征水头： Hmax=181.7m，Hmin=114.3m，Hr=148m；水轮机的额定出力： =56万KW；水轮机安装高程： T=664m。当水头一定时，对应于模型水轮机的为一常数，在相应的主要综合特性曲线上作为常数的平线，它与个等效率曲线相交于许多点，记取各点上的和值,便可求得各点相应的HL180水轮机等效率曲线计算表H=160.0m=64.2=8.3883820.4284.3359.4820.4384.3304.1840.4686.3403.0840.4686.3333.0860.588.3448.2860.588.3370.3880.5390.3485.8880.5590.3416.6900.5892.3543.5900.5892.3449.1910.6293.3587.2910.6293.3485.2910.7993.3748.2910.893.3626.1900.8192.3759.0900.8392.3642.6880.8690.3788.3880.8890.3666.6860.8988.3797.8860.9188.3674.0840.9286.3806.0840.9486.3680.5820.9584.3813.0820.9784.3685.9800.9882.3818.8800.9982.3683.5780.9980.3807.0781.0180.3680.35%出力限制线上的点2.1.7计算设备重量估算水轮机总重：K、b是与水头有关的系数，a是与转轮直径有关的系数，其中K=8.1、b=0.16、，转轮直径D1=6.5m，额定工作水头Hr=148m。转轮重量：金属蜗壳重量：，为一个只与符号有关的系数。以上估算公式都是经验公式，于实际情况还是有很大的出入，故需要多参照类似工程，以得到较为精确的值。2.2发电机的选择2.2.1发电机的技术特征由初始资料可知发电机的额定容量为612000KVA/55万KW，功率因数为0.9，电压等级推荐使用18KW，定额频率为50HZ，额定转速n=125,为间接水击，则末相水击压强最大。.在设计水头下丢弃全负荷，时：水击常数：则得末相水击压强：在设计水头下增加全负荷，时：得末相水击压强：计算蜗壳和尾水管的水击压力：设压力引水管，蜗壳与尾水管的长度、平均流速分别为、，则：压力引水管：519.71m， 5.88m/s ；蜗壳:， =10.7m/s；尾水管：则设，为压力引水管，蜗壳与尾水管的总水击压力变化相对值，则:压力管道末端最大水击压力变化相对值：, 可以得到： 可以得到：得末相水击压强：蜗壳末端最大水击压力变化相对值：, 可以得到： 可以得到：得末相水击压强：尾水管最大水击压力变化相对值：, 可以得到： 可以得到：得末相水击压强：校核尾水管进口处的真空度：所以不会出现水流中断的现象。机组转速变化计算：此处用列宁格勒金属工厂公式来检验机组的转速变化是否满足要求。公式中：导叶关闭至空转的时间，混流式水轮机；机组丢弃负荷前的出力，取额定出力56万kw； G 转动部分的重量，发电机转子，水轮机转轮； D 转动部分的惯性直径，。水击修正系数，当时，查曲线图得当机组丢弃全负荷时：当机组增加全负荷时： 故时机组转速变化满足要求。.在设计水头下丢弃全负荷，时： 水击常数：则得末相水击压强：在设计水头下增加全负荷，时：得末相水击压强：计算蜗壳和尾水管的水击压力：压力管道末端最大水击压力变化相对值：, 可以得到： 可以得到：得末相水击压强：蜗壳末端最大水击压力变化相对值：, 可以得到： 可以得到：得末相水击压强：尾水管最大水击压力变化相对值：, 可以得到： 可以得到：得末相水击压强：校核尾水管进口处的真空度：所以不会出现水流中断的现象。机组转速变化计算：此处用列宁格勒金属工厂公式来检验机组的转速变化是否满足要求。公式中：导叶关闭至空转的时间，混流式水轮机；机组丢弃负荷前的出力，取额定出力56万kw； G 转动部分的重量，发电机转子，水轮机转轮； D 转动部分的惯性直径，。水击修正系数，当时，查曲线图得当机组丢弃全负荷时：当机组增加全负荷时： 故时机组转速变化满足要求。.在设计水头下丢弃全负荷，时： 水击常数：则得末相水击压强：在设计水头下增加全负荷，时：得末相水击压强：计算蜗壳和尾水管的水击压力：压力管道末端最大水击压力变化相对值：, 可以得到： 可以得到：得末相水击压强：蜗壳末端最大水击压力变化相对值：, 可以得到： 可以得到：得末相水击压强：尾水管最大水击压力变化相对值：, 可以得到： 可以得到：得末相水击压强：校核尾水管进口处的真空度：所以不会出现水流中断的现象。机组转速变化计算：此处用列宁格勒金属工厂公式来检验机组的转速变化是否满足要求。公式中：导叶关闭至空转的时间，混流式水轮机；机组丢弃负荷前的出力，取额定出力56万kw； G 转动部分的重量，发电机转子，水轮机转轮； D 转动部分的惯性直径，。水击修正系数，当时，查曲线图得当机组丢弃全负荷时：当机组增加全负荷时： 故时机组转速变化不满足要求。所以本设计中的最佳导叶关闭时间为10s。5.4尾水洞断面尺寸设计尾水洞断面采用圆形断面，根据规取尾水隧洞经济流速为。初步设计时取v4m/s。尾水洞采用三机一洞，对于三机一洞的尾水隧洞其经济直径为：，取d=20m。则其断面积为：5.5调压室的结构尺寸计算由前面的计算可知尾水管前的水头损失为；下面将计算尾水系统的水头损失：尾水调压室闸门局部水头损失（闸门槽） 尾水调压室渐变段局部水头损失 取流速为尾水管到尾水调压室岔管水头损失（岔管），调压室底部的局部水头损失根据工程经验一般取，尾水洞出口的局部水头损失出水口的局部水头损失：闸门的局部水头损失：渐变段的局部水头损失：尾水洞的沿程水头损失由初步设计知尾水洞长度为：660米，糙率查表取为0.011。则总的水头损失为：对于尾水调压室,调压室水位波动稳定的条件是：尾水隧洞的长度，为660m；尾水隧洞的断面积，为；尾水隧洞的阻力系数，计算得；最小静水头；最小工作水头，由初始资料可知为114.3m。按工程经验，一般取则，初步设计取。调压室的涌浪计算a.调压室最低水位计算采用圆筒式调压室，则认为阻抗系数，公式简化为：初步设计1、2、3号机组共用一个调压室，4、5、6号机组共用一个调压室。带入到方程式得：试算得到：m调压室最低涌浪水位为： 。b丢弃全负荷后波动第二振幅计算公式简化为：，将上式得出的代入：-0.0268试算得到：调压室丢弃全负荷后波动第二振幅时最低涌浪水位为： 。c调压室最高水位计算对的圆筒式调压室，按照Vogt公式计算：当增加全负荷时，则公式简化为：，其中带入到方程式得：m由初步设计可以知道，尾水管的底板高程为645.1m，而调压室的底面高程至少在639.02m以下，况且调压室下面还要布置一个管径20m尾水隧洞，说明该水电站不适合设调压室。故修改初步设计，参照类似工程，采用无压尾水隧洞。5.6无压尾水隧洞的结构尺寸计算尾水洞断面采用城门洞形断面，根据规取尾水隧洞经济流速为。初步设计时取v4m/s。尾水洞采用三机一洞，故。下游最高尾水位 ：，尾水隧洞底板高程：则尾水隧洞中的水位高：尾水隧洞的底板宽：初步设计时取，顶拱半径取10m。尺寸如图所示：尾水隧洞剖面图（单位：m）5.7尾水洞闸门室与其设备的布置 尾水洞取圆形断面，则，计算的。门宽取尾水洞直径6.3m，门高H略大于门宽，初步设计时取7m，门厚取1.8m。启闭机安装高度，初步设计取启闭机安装高程为700.8m；闸门室尺寸按初步设计的调压室布置；采用排架柱放置启闭设备。6压力管道的结构计算6.1压力管道钢衬厚度的计算6.1.1压设计水头值根据前面的计算得到压力管道最大水压力，则水的密度，取6.1.2钢衬材料钢衬材料取用16Mn钢，查钢管设计规SD114-85取钢材屈服强度，则允许应力，弹性模量，采用双面焊缝，取焊缝系数6.1.3缝隙取值在承受压前，钢衬于混凝土之间存在的缝隙，初步设计时取。6.1.4钢衬厚度的计算时 取定，压力管道半径根据规要求：考虑钢衬的锈蚀，增加考虑到制造工艺，安装运输等要求取钢衬厚度为。6.2钢衬的抗外压失稳计算6.2.1运用阿氏公式计算钢衬的临界压力由上面两个数值查阿氏公式埋管临界压力曲线图，可以得到：6.2.2运用工程经验公式计算钢衬的临界压力=6.3防止钢衬受外压失稳的措施6.3.1在压力管道附近布置排水廊道或排水孔，降低地下水压力；6.3.2施工时，要保证做好钢衬于混凝土之间的接缝灌浆，减小缝隙，避免发生灌浆超压现象。7主厂房部的设备与其布置7.1发电机层的布置1）发电机布置为上机架埋入式，这样使发电机层宽敞，同时由于提高了发电机层高程而增加了水轮机层高度。2）发电机布置在发电机层中心线上，机组左边布置机旁盘，调速器以与油压装置。3）机旁盘包括机组自动操作盘、机组继电保护盘、机组测温盘、机组动力盘等，每台机组的机旁盘布置为6块。布置在发电机层左边，盘后离墙壁留有2米的检修过道，盘前留有足够大的空地便于运行人员巡视操作。4）发电机层平面布置在吊钩工作围线设供安装检修必需的吊物孔，以沟通上下层之间的运输。这里每台机组设一个吊物孔，这样当一台机组检修时不致影响相邻机组的正常运行。吊物孔布置在发电机层上游面一侧，平时用铁盖板盖住。7.2安装间的布置1）安装间是主厂房的一部分，位置设在主厂房的右端。安装间与对外交通洞相连，交通洞尺寸为：高15米，宽15米。2）安装间除要考虑检修发电机以外，还要考虑检修变压器以与安放平衡梁的位置，安装间宽度与主厂房一样为28.6米，长度确定为55米。7.3安装间底层的布置安装间的下面有一层空间利用可作为辅助生产房间即：油罐室、油处理室、空压机室、气罐室。辅助生产房间的面积取决于电站规模以与电站在系统中的作用。布置应尽量集中紧凑，靠近主机，缩短管道，减少损失，做到系统性强，便于集中操作、管理和维修，并能适应分期安装、分批投产的要求。1）油罐室和油处理室水电站的用油包括主变压器的绝缘油和机组的透平油。油库和油处理室应考虑防火防爆的要求。一个油系统从进油、贮油、用油到废油的回收贮存处理，其设备包括有油泵、油管、压滤机、分离机、补给油罐和污油罐等。这些设备的布置要紧凑，便于管理并安全可靠。油处理室的位置应布置靠近油库与用油对象、尽量缩短距离，并能设计成自流排油方式。根据以上原则油处理室和油罐室布置在一起，尺寸设定为：2024米。2）气罐室和空压机室水电站的压气机室供给的压缩空气主要用于机组制动、空气开关、设备吹扫、风割风焊、风动工具等。主要用气对象距离在250米以，所以压气机室布置在厂。空压机房设有压气机，由于压气机有较大的躁声和振动，空压机房避开怕震的设备和怕噪音的房间。气罐室是用来存放供气所用气罐的，贮气罐应与厂其他设备隔离，与墙壁的间距应不小于0.51.0米。根据以上原则气罐室和空压机室布置在一起，尺寸设定为：2020米。7.4水轮机层的布置发电机机墩是在机组部位支承水轮发电机定子支座的发电机机座，腔称为机坑、定子坑或水轮机井。对于大型机组机墩采用圆筒式机墩，机墩布置接力器坑用来布置接力器。机墩留有进人孔高度为2米，宽度为2米。7.5蜗壳层的布置1）蜗壳层除去蜗壳过水部分外，均为大体积的混凝土，布置较为简单。该水电站采用单机单管供水，所以不须布置闸阀。2）蜗壳层混凝土布置尾水管的进人孔，用以检修尾水管用，尺寸设定为：宽2米，高2米。3）尾水管周围混凝土设置操作廊道和排水廊道，廊道尺寸为2米高3米宽，采用城门洞形。7.6伸缩缝布置水电站厂房为防止地基不均匀沉降，以与减少下部结构受基础约束产生的温度和干缩应力，必须沿厂房长度方向（纵向）设置永久的温度伸缩缝。由于这里厂房基础为岩基，由于基础约束应力较大，这里采用每台机组设一条永久伸缩缝，缝自基础通到厂顶，布置在两台机组之间，永久缝宽取为2厘米。7.7楼梯的设置各层间的楼梯布置一样，单层楼梯长1.2m、宽0.3m、高0.2m，倾角为25o30o之间。7.8吊物孔与吊阀孔的设置对于发电机层每台机组设一个吊物孔，这样当一台机组检修时不致影响相邻机组的正常运行，平时用铁盖板盖住。吊物孔布置在发电机层上游面一侧，尺寸为3.03.0m2；吊阀孔布置在发电机层下游面一侧，尺寸为1.81.8 m2。8副厂房的布置8.1中央控制室中控室是电站的神经中枢，是整个电站运行、控制、监护的中心。中控室布置在副厂房高度定为45米，最终确定为5m。中控室面积作如下估算：大体上等于（2035）m2机组台数，初步设计面积为180m2。中控室要求尽量与发电机层接近以节省电缆，故布置在于发电机同高程的位置。8.2集缆室集缆室就是中控室下层，又称电缆夹层，面积大于或等于中控室面积，直接位于中控室之下，净高等于2.53米，面积初步估计为216 m2。其他用房面积见大图。参考文献:水力机械，水利电力，金钟元主编水电站建筑物，水利水电学院主编水电站机电设计手册（水力机械、电气一次），水电站机电设计手册编写组主编水电站厂房设计，水利电力，顾鹏飞、喻远光主编水电站动力设备设计手册，河海大学骆如蕴主编水轮机设计手册，哈机研主编水电站，黄河水利委员会主编水电站建筑物设计图册，清华大学主编水工建筑物，水利水电学院主编地下厂房设计规，水利水电学院主编水电站工程图集，水利水电学院水电站教研室主编致本设计的完成得到了我的指导老师起来教授的悉心指导和亲切的关怀，从项目的选题，到设计和计算的整个阶段，教授对设计的方向和方法都提出了很多宝贵的意见和建议。他渊博的学识和丰富的经验给了我很多帮助，为我的设计提供了很好的素材。在完成设计期间，他一直都在各个方面对我们高标准、严要求，不仅让我们学到了科学知识，而且还教给了我们许多实践经验和做人的道理，所有这些都会让我在将来的工作和生活中受益无穷。他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。在此，特向教授表达我衷心的感。 在此，也感我们设计小组的所有同学，他们的勤奋和热情给我留下了深刻的印象。在他们的帮助与支持下，我们的设计进展顺利。 感水电系全体老师、领导，感他们多年来对作者的培养、帮助，使作者本人在大学四年里不仅掌握了科学知识，还学会了如何做人。同时，还要感我的同学，感他们在平时的学习和生活中对我的帮助。春芳2012-3-28