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1、若水电站枢纽工程下坝线水电站厂房设计河海工程学院 水电01-2班 姚小燕指导老师：兰芙蓉 摘要：本次毕业设计在分析若水电站枢纽工程、工程概况的基础上，进行了下坝线水电站厂房的设计，包括厂内机电设备的选择、水电站厂房的布置、主副厂房结构设计、厂区枢纽布置等，最终结合同组成员关于上坝线水电站厂房设计进行工程量的比较和方案比选，确定了水电站厂房的设计最终方案，结合设计组中其他成员关于引水隧洞和大坝的设计完成了由水电站厂房、引水隧洞和重力式挡水坝三大建筑物组成的若水电站枢纽工程的设计。关键词：若水电站厂房设计；机电设备选择；厂房布置；结构设计1 若水电站基本资料1.1 工程概况若水电站位于沅水一级支流
2、巫水下游峡谷河段，下距会同县若水乡镇2km，距洪江市15km。坝址下游2km有洪江绥宁省级公路从若水乡镇经过，交通较为便利。 该工程原规划拟定正常蓄水位245m，由于水库兴建库区淹没损失大，且淹没省级重点保护单位高椅古民居。为避免库区高椅古民居淹没，早日实现中级电气化县目标，2002年5月对若水河段规划进行了重新复核，使原一级开发改为二级开发，并经省厅审查通过。复核后本工程初拟正常蓄水位192m，迥水至高椅坝址，库容0.0738亿m3，装机16Mw，是一座以发电为主，兼有防洪、旅游等综合效益的水电工程，枢纽建筑物由溢流闸坝、重力式挡水坝、右岸引水发电隧洞和引水式厂房组成。永久性建筑物闸坝、电站
3、厂房等属4级建筑物，临时建筑物属5级。1.2 水文地质条件工程区地震基本烈度小于度，不考虑地震荷载。下坝址坝区除少部分为第四系松散堆积物覆盖外，基岩大部分裸露，出露的主要岩性有绢云母板岩夹中薄层长石砂岩。坝区岩石风化主要受岩性所控制，坝基及坝肩大部分为绢云母板岩，其抗风化能力较弱，两岸肩强风化相对较深。据钻孔地下水位观测资料，左坝肩地下水位埋深9.540m （高程225m 以上），右坝肩地下水位埋深3 23m（高程226m 以上），远高于蓄水位。据钻孔压水试验资料表明，基岩的透水性与岩体风化程度密切相关，强风化带及弱风化带上部岩体节理裂隙较发育，岩体完整性较差，透水性较强，为中等透水带，弱风化
4、带中下部和微风化岩体透水性较差，基本为弱透水或微透水带。坝基防渗帷幕下限（q5lu）埋深，左岸1028m，河床210m，右岸620m。下坝址厂房位于河弯下游9#冲沟出口的冲积堆积级阶地一带，阶地宽1012m，阶面高程183184m，后山坡坡角45，基岩裸露。2 机电设备选择水电站的机电设备主要有：水轮机、发电机、调速系统、起重设备等。2.1 水轮机选型水电站设计水头为11.5米，因此水轮机机型有两种方案，分别为混流式310型水轮机和转桨式560型水轮机。根据设计要求，本设计中选用混流式310型水轮机。水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量，考虑机组台数与机电设备制造
5、的关系、机组台数与水电站投资的关系、机组台数与水电站运行效率的关系、机组台数与水电站运行维护工作的关系，可以拟定机组台数为两台，单装机容量为8000千瓦。通过水轮机主要参数的计算，定出水轮机的转轮直径、转速、吸出高、安装高程等，查出水轮机的重量和水轮机转轮的重量。根据这些已知参数，对水轮机的结构和外型尺寸进行估算，即对蜗壳和尾水管的结构和外型尺寸进行估算。由于设计水头小于40米，本电站采用混凝土蜗壳，为使水头损失和平面尺寸较小，同时又便于施工，蜗壳断面采用梯形断面。根据蜗壳的水力计算，定出蜗壳的外型尺寸，并绘出蜗壳断面单线图。为了减小尾水管的开挖深度，采用弯肘型尾水管，弯肘形尾水管是由进口直锥
6、段、肘管和出口扩散段三部分组成。根据尾水管标准系列与实际值的比较计算，确定尾水管的基本尺寸，绘出尾水管的外形尺寸图和尾水管型线图。2.2 调速系统的选择水轮机调速系统的基本任务是：使水轮发电机组稳定地以额定转速运行，在机组负荷变化工其他外扰作用下，保证机组的转速变化不超过一定的范围，并能迅速地稳定于新的工况，从而保证发电机输出的交流电频率满足用电设备的要求。水轮机调节是通过调速系统根据机组转速的变化不断地改变水轮机过流量来实现的。调速系统的主要设备有：调速器、油压装置和漏油装置。大型调速器以主配压阀的直径为表征组成系列的，因此算出主配压阀的直径即可定出调速器的型式为DT-100。油压装置的选择
7、计算主要是确定油压装置的台数和容量（工作能力）。为了满足机组调节和安全运行的要求，通常每台水轮机装设一台油压装置。油压装置的工作能力是以压力油箱的总容积和额定油压为表征的。同理，算出压力油箱的总容积，即可定出油压装置的型式为HYZ-1.6。2.3 发电机的选择根据计算，本设计中选用的发电机为伞式发电机，采用立式布置。发电机型号为SF10-42/940，通风方式采用密闭式空气循环冷却。2.4 起重设备的选择本设计中最重吊运件的重量为105吨，且机组台数小于4台，故可选用一台单小车桥式起重机。参照机电设计手册（水力机械）相关部分，即可确定起重设备的主要工作参数。3 水电站厂房的布置主厂房由机组段（
8、包括端机组段）和安装场组成，所以主厂房布置和尺寸的确定，主要就是机组段和安装场的布置和尺寸的确定。而机组段尺寸主要取决于水轮机蜗壳、尾水管、发电机等设备的外形尺寸。3.1 反击式机组的布置机组的布置主要包括尾水管层的布置、蜗壳层的布置、水轮机层的布置、发电机层的布置。图1 水轮机层平面图 图2 发电机层平面图3.2 机组附属设备的布置考虑到厂房内蜗壳的结构以及蜗壳进水口与调压室的连接，本次设计中不对进水阀进行设计，故机组附属设备的布置主要是对调速设备的布置。3.3 主厂房的尺寸的确定主厂房的尺寸的确定，即主厂房总长、总高和宽度的确定。主厂房的总长度包括机组段的长度（机组中心间距），端机组段的长
9、度和安装场的长度，并考虑必要的水工结构分缝要求的尺寸。机组段的长度主要由蜗壳、尾水管、发电机等设备在轴方向的尺寸确定，取其中的最大值。因此机组段长度为16米，端机组段的长度为19米，主厂房的总长度为55米。以机组中心线为界，厂房宽度可分为上游侧宽度和下游侧宽度两部分。根据水工设计手册第七册和机电设计手册（水力机械）相关部分，算出厂房水上部分总宽度为25米，水下部分总宽度为34米。厂房各层的高程，主要有尾水管底板高程、机组安装高程、水轮机层地面高程、发电机层地面高程、吊车轨道顶的高程、厂房顶的高程等。根据水电站建筑物相关部分，算出各程的高程，得出厂房的总高度为40.337米，由此可绘出厂房横剖面
10、图和纵剖面图。 图3 厂房横剖面图 图4 厂房纵剖面图3.4 安装场的布置及尺寸的确定安装场是为设备的到货卸车、拆箱清扫、组合、预装或解体大修而设置的。安装场位于主厂房左端，并与对外交通道同侧，以方便交通运输。安装场的高程与发电机层楼板高程相同，以充分利用场地，便于安装、检修、及运行维护管理。因此安装场的高程为182.83。安装场与主厂房同宽，以便于利用起重机沿主厂房纵向运行，即安装场的宽度为34米。安装场的长度为20米。3.5 副厂房的布置副厂房的位置布置有三个方案。即副厂房设在主厂房的上游侧、副厂房设在主厂房的下游侧、副厂房设在主厂房靠对外交通的一端。通过三个方案的综合分析，最终副厂房布置
11、在主厂房的上游侧，使得工程量少，主副厂房布置紧凑，联系方便，厂区布置合理，虽有一些不足之处，但比其它方案仍然是利多弊少。副厂房的平面布置主要包括中央控制室、集缆室、继电保护盘室、开关室、通讯室及远动装置室、电气试验室等的布置。3.6 厂房的通风、空调、采暖与采光水电站厂房发电机层，夏季温度可达40C以上，使运行人员感到头晕、疲倦。高程低于水面的房间严重潮湿，运行和检修人员易患关节炎。在中央控制室、载波和微机室、发电机层等电气和自动化仪表较集中的房间，高温将使电气元件可靠性差，故障率高；低温会使电缺陷设备绝缘层脆化断裂，设备元件寿命短；相对湿度过高，会使元件发霉，绝缘下降，过低又会发生误动作。为
12、保证运行人员有新鲜的空气、良好的采光、技术的保安和延长设备元件的寿命，必需对空气的温度、相对湿度、清洁度和气流速度加以调节。通风、空调、采暖正是解决“四度”的技术措施。4 厂房结构布置4.1 厂内主要结构布置水电站厂房为现浇的钢筋混凝土结构型式。厂房水上围护结构采用砖墙。办公副厂房采用混合结构型式。水电站厂房的结构布置应与厂房内部布置结合一起考虑，主要包括伸缩缝的布置、厂房水下结构布置、厂房水上结构布置、副厂房结构布置和变电站的布置。4.2 蜗壳结构计算根据设计任务书的要求，本设计还单独对蜗壳进行了结构计算和配筋计算。通过结构计算，对蜗壳的顶板、边墙、蜗壳进水口和尾水锥体进行了配筋，绘出了蜗壳
13、结构钢筋图。此外，还参照现有的其它电站的基本资料，绘制了发电机层楼板结构图。 a 顶板上层配筋图 b 1-1剖面图 图5蜗壳结构钢筋图5 枢纽总体布置本电站枢纽布置包含大坝、厂房、引水建筑物三大部分，大坝为混凝土低堰闸坝，厂房为引水式地面厂房，引水建筑物为有压引水隧洞。本人负责厂房的布置设计。5.1 坝址的确定5.1.1坝址比较综合分析基本资料中上坝址和下坝址的地形地质条件，对两坝址的地形、岩性等水文地质条件进行比较，可知下坝址的水文地质条件相对较好。5.1.2工程型式及建筑物布置进行厂房的布置设计首先要确定厂房的型式。根据若水工程地形、地质情况，有三种参考方案可供选择，分别为河床式、引水式、
14、岸边式。因为坝轴线处河床高程182183.5，河床宽202m，当正常蓄水位时河谷宽232m，这个距离相对较短，如果建造河床式电站则会使得布置紧张。又因为在坝轴线处两岸边坡较陡峻，另外两岸肩强风化相对较深，这些问题都会增加工程开挖量，加大投资，采用岸边式同样不合理。而引水式厂房则可消除上述两种方案的不足，故综合考虑本电站采用引水式发电厂房。 厂区枢纽是水电站主厂房、副厂房、引水道、尾水道、主变压器场、高压开关站、交通道路和行政及生活区建筑物等的组合体。厂区布置的目的是确定厂房和厂区其他建筑物的相对位置，使厂房与上游的进水口和下游的尾水道之间衔接好，水流顺畅；确定副厂房、主变压器场和高压开关站的位
15、置和对外交通的连接等，也就是要使各建筑物间配合协调，发挥各自的功能，满足运行安全可靠。5.1.3上、下坝址厂房工程量的计算厂房型式和厂区枢纽布置方案确定之后，就可以开始对厂址的确定。对下坝址，拟定两个布置方案，通过工程量的计算，经综合考虑，选用了开挖方比较小，地下部分面积较小的方案。这是因为工程开挖量大的方案厂房大部处于地下，地下岩石开挖工程量大，对地质条件要求高，投资大，施工条件差。投产后，运行条件较差，如果通风、防潮措施要做好，则电器元件容易失灵，机电设备和技术结构易生锈，对运行人体的健康也有不得影响。从而确定了下坝线厂址的布置位置。结合上坝线厂址的布置位置进行综合分析，由于上坝线与下坝线厂区的工程量相差不多，但下坝线的地形地质条件明显优于上坝线，故最终采用了下坝线的布置方案，完成的本次设计任务。5.2 枢纽布置5.2.1 厂房位置拟定下坝址位于上坝址下游660m，基本为“U”型横向谷，河流流向2650，河床大部分为冲积砂砾石覆盖，河床高程1
