水电站厂房设计 文档

课程设计报告

（理工类）

课 程 名 称: 水电站建筑物课程设计 课 程 代 码: 学院(直属系): 能源与环境学院 年级/专业/班: 2007级/水利水电工程/3班 学 生 姓 名: 黄军 学 号: 312007080801317 实验总成绩: 任 课 教 师: 杨耀 开 课 学 院: 能源与环境学院

目 录

一部分

一课程设计的目的………………………………………………………4 二密云枢纽的概况……………………………………………………4 2.1挡水建筑物……………………………………………………4 2.2泄水建筑物……………………………………………………4 三厂房枢纽位置的选择……………………………………………5 3.1挡水建筑物的选择……………………………………………5 3.2压力引水系统和厂房枢纽布置的选择…………………………5 3.3水电站厂房位置的选择…………………………………………5 3.4主厂房位置的选择………………………………………………5 四电站主接线图………………………………………………………6 五其他资料和设计依据………………………………………………6

二部分 计算

一蜗壳的计算以及单线图的绘制……………………………………9 二尾水管单线图的绘制………………………………………………9 2.1进口直锥段………………………………………………………11 2.2肘管……………………………………………………………12 2.3进口扩散段……………………………………………………12

2.4尾水段高度确定…………………………………………………12 2.5尾水管单线图……………………………………………………12 三流道尺寸………………………………………………………12 四起重设备的选择……………………………………………………13 五主厂房平面设计……………………………………………………14 六主厂房剖面设计……………………………………………………17 七副厂房的布置………………………………………………………19 八电站的输电系统……………………………………………………20 九主厂房的内部设计…………………………………………………21 十结构布置……………………………………………………………21 十 一参考文献…………………………………………………………22 十二枢纽布置选择草图………………………………………………23

第一部分 水电站设计任务书

§1 课程设计的目的

课程设计是以工程实例为题，由学生独立思考，灵活应用有关的布置原则和要点，自己动手布置厂房。从而巩固和加深厂房部分的理论知识，并进一步培养学生的计算、制图和应用技术资料的技能。

§2 枢纽的概况

密云水库库区跨越潮、白两河，地处密云县城北20公里。两条河在密云县城以南约10公里处汇合成潮白河。

潮河和白河的最低分水岭在金沟，高程为130米。潮河水库和白河水库在金沟连通。库水位在130米高程以上合成一个水库即密云水库。河流多年平均流量为50.50m3/s。

密云水库是以防洪及工农业供水为主要任务，兼有发电效益的综合利用水利工程。

水库的特征水位如下：

死水位： 126.0m；正常高水位： 157.5m；设计洪水位： 158.2m；校核洪水位： 159.5m；坝顶高程： 160.0m。

主要建筑物包括： 一、挡水建筑物

有潮河和白河主坝两座及副坝五处，为碾压式粘土斜墙土坝，最大坝高为白河主坝66.4m，潮河主坝56m，各副坝15.7 39m不等。 二、泄洪建筑物

1、溢洪道：有潮河左岸、第二溢洪道。第一溢洪道为正常溢洪道，底坝高程

140m，泄洪超过百年一遇的洪水，为五孔带胸墙式河岸溢洪道。第二溢洪道

为非常溢洪道，与第一溢洪道配合宣泄千年一遇洪水，底坝高程为 148.5m，为五孔开敞式河岸溢洪道。 2、隧洞：

(1) 白河左岸发电隧洞：用作发电供水和下游工农业供水，并在调压井上游设泄水支洞，用以宣泄万年一遇特大洪水。进水塔进口底板高程为 116.0m，洞径6m，洞长416m，底坡i 400。调压室为圆筒式，内径17.14m。调压室后接两根埋藏式压力水管，管径5.5m，管长125m。

(2) 潮河发电泄水隧洞：任务是施工导流、发电、灌溉、供水和泄洪。

(3) 走马庄放空隧洞：只在千年一遇洪水时参加泄洪，平时不用，主要任务是紧急放空。

其枢纽布置图见图1。

3、坝下廊道：为施工期的临时建筑物，施工导流采取潮、白两河分别导流的方式，故设白河导流廊道、潮河导流廊道，可宣泄20年一遇洪水。另有南石骆驼输水廊道，用以泄放3个流量的灌溉带用水。

§3 厂房枢纽位置的选择

3.1 挡水建筑物主坝的选择

经比较，潮河地面高程高于白河坝址地面高程，故建白河电站比建潮河电站多出10m水头，每年可多发电400万度。所以，电站设在白河，装机容量为4台单机15MW，共60MW，白河电站发电泄水可灌溉密云县以下耕地。

3.2 压力引水系统和厂房枢纽布置的选择

经对左右岸两个方案从地形、地质、施工条件和运行管理等几个方面进行分析和比较后认为，右岸方案洞线较短（427m），有合适布置调压室的位置，出口地形较低，电站尾水渠较短，调压室可布置在白色石英岩上，且接近对外铁路，爆破时附近村庄不受干扰。而左岸方案洞线相对较长，岩石破碎，铁路进厂要跨越河流，且尾水渠、厂房开挖量大，右岸方案优点明显较多，故取右岸方案。

3.3 电站厂房位置的选择

有以下两个方案比较：一是放在右岸下游小山沟上游地；二是放在泄洪支洞口。

厂房若布置在泄洪支洞处，优点是引水隧洞和高压输水管道较短，厂房位于白色石英岩基上，有可能取消调压室。缺点是岸壁很陡，平行与河岸的裂缝较发育，岩石削坡后有崩塌的危险。厂房距坝太近，施工干扰大。另外，大约少利用5m的落差，尾水渠亦较长，下游反调节池的修建要做较高的堤坝。

厂房若是布置在下游小山沟附近，其缺点是引水道较长（约510m），必须设调压室。优点是小山沟上游坡地地形较为平缓，地质条件好，修建厂房和调压室都是安全的，距坝较远，干扰小。为了保证安全和多利用5m水头，所以最后考虑将厂房建在右岸下游小山沟上游地，此方案中，厂房附近地形开敞，利用厂房枢纽的布置，而施工支洞处改为泄洪支洞，洞口发生过岩石崩塌现象。

3.4 主厂房位置的选择

主厂房左右位置的确定，是考虑到向右移动时，主厂房地基将遇到强烈风化的石灰岩，向左移动削坡工程显著，据此确定了主厂房的左右位置。

厂房地区为辉绿岩地带，处于半风化状态，厂房后山头表面岩石风化强烈，

在这样的岩体中开挖6根岔管将严重削弱山体。故将岔管放在山体外，做成明的，这样厂房随之外移，据此确定了主厂房的前后位置。

§4 电站主接线图

密云白河水电站的主接线采用扩大单元接线，4台1.5万KW水轮发电机组。用两台主变接成两个扩大单元。发电机出线电压为10.5KV。引出后进低压配电装置，经断路器和隔离开关连成10.5KV发电机电压母线，然后送主变升压，升压后的电流送110KV开关站。110KV高压侧采用单断路器双母线制，进出线为二进二出。

GNSN4图二:主结线图

§5 其它基本资料和设计依据

1、有关密云水电站工程概况的简要说明如前。 2、坝址地形图一张，如前。

3、坝型为斜墙土坝，依据发电量和装机容量，厂房按Ⅱ级建筑物设计。 4、电站下游尾水位：

最高尾水位： 94.6m；正常尾水位： 93.5m；

单机满负荷出力时尾水位： 91.84m；最低尾水位： 91.5m。 5、水电站装机容量6万KW，共四台机，厂房布置在右岸。 6、电站设计水头Hp 46.2m。 7、水轮机型号：HL211—LJ—225； 转轮重量：14T； 轴向水推力：78T；

气蚀系数： 0.165, 0.027。

8、蜗壳尾水管尺寸：单位参数见表1，尺寸标注如图三：

表1. 蜗壳尾水管尺寸

图三 尾水管单位参数示意图

9、发电机

5

型号：TS550/79—28 (SF15-28/550)； 风道直径：8.4m；定子半径：6.5m； 转子直径：4.90m；转子带轴总重：82.6T。 查得其尺寸如下图：（单位为：mm）

h1 5600,h2 1655,h3 2120,h4 900,h5 7258,h6 5020,h7 1350,h8 2400

h9 1194,D1 6470,D2 8400,D3 4900,D4 3920,D5 3350

10、蝶阀尺寸：3400cm。

11、电气主接线：输电电压110KV；主变压器型号：SFL—40500/110。 12、主压开关站面积：长 宽=70 60 m2。 13、辅助设备：

(1)调速器：T—100，尺寸：120.0 150.0 190.0 cm； (2)油压装置：MHY—1.7，尺寸： 100cm；高 241.2cm。 (3)机旁盘：每台机4块，每块80 40 240cm； (4)励磁盘：每台机5块，每块80 90 190cm。 14、对外交通：右岸公路。

第二部分 设计计算书

1 蜗壳的计算及单线图的绘制

依据《水力机械》第二版P98知圆断面金属蜗壳的进口断面的包角 0 345；蜗壳进口断面的流量Qc 36m

3

，设计水头=46.2m,

故蜗壳的进口断面平均流速Vc查《水力机械》第二版P99图4—30(a)曲线

得Vc 4.17m/s。

依据水轮机的型号HL211—LJ—225知《水力机械》第二版P162的附表五得：

当水轮机的标称直径D1=2250mm时，金属蜗壳的座环外径为1.925m，座环内径为

1.625m

可以由以下公式求得

ri

ai ri

取每隔45度计算一个断面。所以总共计算8个断面

a3450

1.625 3.39m

a3000 1.625 3.22m

1.625 3.15m

a2100 1.625 2.92m

a2550

a1650

1.625 2.87m

a1200 1.625 2.68m

1.625 2.4m

a300 1.625 1.86m

a750

蜗壳单线图

2 尾水管单线图的绘制

根据前面已知的资料，结合水轮机的型号HL211—LJ—225，参考《水力机械》第二版可知：选用水轮机的标称直径为D1 2.25m，当水轮机的出口直径

D2 D1的混流式水轮机，由《水力机械》第二版表4-17知：

当D1 2.25m时，

为了减少尾水管的开挖深度，采用弯肘形尾水管，弯肘形尾水管由进口直段、肘管和出口扩散段三部分组成。

3 进口直锥段：

查《水电站机电设计手册》——水力机械分册，h1 h2 0.192D1 0.432m 进口锥管高度：h3 h h1 h2 h4 2.38m；

对混流式水轮机，锥管的单边扩散角 值可取7-9°。（根据图4） 出口直径D4 3.038m，则锥管的单边扩散角 arctg

D4 D3

8.10。 2h3

进口锥管上下直径：D3 转轮出口直径D2 1.05 2.25 2.363m,。 2、肘管：

肘管是一90 变截面弯管，其进口为圆断面，出口为矩形断面，水流在肘管中由于转弯受到离心力的作用，使得压力和流速的分布很不均匀，而在转弯后流向水平段时又形成了扩散，因而在肘管中产生了较大的水力损失。影响这种损失的最主要的因素是转弯的曲率半径和肘管的断面变化规律，曲率半径越小则产生的离心率越大，一般推荐使用的合理半径R (0.6 1.0)D4 (0.6 1.0) 2，外壁R6用上限，内壁R7用下限。由《水力机械》标准混凝土肘管可得，

R6 1 3.038 3.038m,R7 0.6 2 0.6 3.038 1.8228m。

3、出口扩散段：

出口扩散段是一水平放置断面为矩形的扩散段，其出口宽度一般与肘管出口宽度相等，其顶板向上倾斜， arctg

h5 h6

11.50,L1 3.161m, L2

顶板长度L2 6.041m

（）D1 4.5

m,

L L1 L2 9.202m D1 7.875m。

说明：因为算出的B5=6.12m<10m,所以尾水管出口扩散段之间不设中墩。 4、尾水段的高度

总高度h是由导叶底环平面到尾水管之间的垂直高度。对于HL水轮机由于直锥管环相连接，可取D3 D2 2.507m D1 2.25m。

因为D1 D2，所以属于高比速混流式水轮机。

增大尾水管的高度h，对减小水力损失和提高h 是有利的，特别是对大流量的轴流式水轮机更为显著。但对混流式水轮机尾水管中产生的真空涡带在严重的情况下不仅影响机组的运行而且还会延伸到尾水管地板引起机组和厂房的振动。为了改善这一情况，常采取增大尾水管高度的办法，但将会增大开挖量，经过试验，比较对于高比速h 2.6D1。

当h 6.593m 2.6D1 5.85m，故满足要求。 5、尾水管单线图

根据以上的数据绘制单线图（内、外半径分别与直锥管相切）。

图 尾水管单线图

3 拟定转轮流道尺寸

根据《水电站机电设计手册》——水力机械分册，已知D1' 1.0m时，HL230型的尺寸可以求出D1 2.25m时的转轮流道尺寸。如图

4 起重设备选择

由于考虑到最重的发电机转子带轴重82.6T,吊运构件中最重的为发电机转子带轴重为82.6T 100T，且机组台数n 4。故选1台单小车桥式起重机，型号为100T/20T。 其具体数据如下：

因为机组安装需求宽度16米，再加上吊钩限制线4.6米故选择： 取跨度：L 20m； 起重机最大轮压：35.9T； 起重机总重：77.3T； 小车轨距：LT 4400mm； 小车轮距：KT 2900mm； 大车轮距；K 6250mm；

大梁底面至轨道面距离：F 130mm； 起重机最大宽度：B 8616mm； 轨道中心至起重机外端距离：B1 400mm； 轨道中心至起重机顶端距离：H 3692mm； 主钩至轨面距离：h 1474mm；

吊钩至轨道中心距离（主）：L1 2480mm,L2 1470mm； 副吊钩至轨道中心距离：L3 1300mm,L2 2800mm； 大车轨道型号：QU100。

5.主厂房平面设计

1.水轮机吸出高度Hs的计算。

Hs = 10— /900—（σ +Δσ）H-1 公式中 为电站尾水渠的高程为93.5m。

σ 为水轮机的汽蚀系数为0.165。

Δσ 为水轮机的汽蚀系数修正值为0.027。 H-------设计水头46.2m。

130

Hs=10.0 （0.165 0.027） 46.2 1=0.02

900 2.水轮机安装高程▽T

在水电站厂房设计中，水轮机安装高程是一个控制性高程，它取决于水轮机的机型，允许吸出高度和电站建成厂房下游最低水位的数值。

安装高程可用下式求得：

b

T 下min HS 0

2

下min 水电站厂房建成后下游设计最低水位（m)，当全厂有4台机组时取1台机组流量相应的尾水位。

b0 导水叶的高度（查表得0.250m）。

D1 转轮直径2.25m

以下将对其求解：

下min=91.84m

所以 T 下min HS

3.主厂房长度的确定

b00.250=91.84+0.02+=92m 22

主厂房的平面布置时要将厂房的上部结构和下部结构结合考虑，主厂房的长度和宽度尺寸要取决于水轮机发电定子及风罩墙、水轮机蜗壳、尾水管、调速设备系统的布置，以及主要设备的装卸方法和安装、检修、运行管理的要求，同时考虑结构布置和立面的艺术处理。

主厂房长度包括有机组段长度、端机组长度和装配场长度。其长度值L主厂房取决于机组段长度、机组台数和装配场长度，并由下列公式计算： L主厂房=nL1+L2+ L 式中：L1——机组段长度， L2——装配场的长度， L——端机组长度， n ——机组台数， d ——主厂房两侧墙体厚度，

4. 机组段长度的确定

机组段长度L1也就是机组的中心距离。它随水电站类型和机型的不同而不同，主要由蜗壳、尾水管、发电机风罩在x方向（厂房纵向）的尺寸来定，并考虑机组附属设备及主要交通道、吊运通道、阀孔的布置等所需的尺寸。机组段长度L1可按下列公式计算：

L1 L x L x

式中：L x——机组段 +x 方向的最大长度 L x——机组段 -x 方向的最大长度

机组段长度L1计算主要由蜗壳层、尾水管层、发电机层三者比较确定，取三者长度最大值。

由资料已知，水轮机转轮直径D=2.25m，发电机的风罩内径 3=8.4m，尾水管的宽度B=1.8D=1.8 2.25=4.05m；蜗壳进水管进口处的直径等于岔管支管直径，D蜗壳进口=D支=Q/V 4 36/3.14 5 3.01m ,V是经济流速一般4～6m ，经计算为4.16。

D12Q为渠道的设计流量Q Q1

Hr 1.042 2.252

46.2 36m3s

则： 1 ——蜗壳外部混凝土厚度 1=（1.2~1.5）m，取 1=1.2m L x=R1+ 1=3.9+1.5=5.4m

2——蜗壳外部混凝土厚度 2=（1.2~1.5）m，取 2=1.2m L x=R2+ 2=1.9+1.5=3.4m

所以，蜗壳层的长度L蜗由公式得：L蜗=L x L x=3.4+5.4=8.8m

按尾水管：L1=B+2 2=9.16其中尾水管混凝土边墩厚度取1.5m 按发电机：L1=φ3+ 3+b=8的风罩外壁间距取2m。 所以可以取机组段长度L1=11.8m

3=11.8其中发电机风罩厚度取0.4m。两台机组之间

5. 装配场的长度确定

装配场又称安装间，它是组装、检修设备的场所。装配场与主机室宽度相等，确定装配场尺寸主要在于确定长度，一般约为机组段L1的1~1.5倍。对于混流式水轮机和悬式水轮发电机采用偏小值，而对于轴流式水轮机和伞式水轮发电机，贯流式机组采用偏大值。电站采用混流式水轮机，取机组段L1的1.2倍，则

L2=1.2L1所以：在装配场的长度：

L2=1.2L1=1.2 11.8=14.2m

6. 端机组段附加长度确定

端机组是指在与装配场不同一端的机组段。端机组附加长度 L是指与装配场不同一端的机组段的附加长度 L=（0.1~1.0）D，取 L=0.5D=0.5 2.25=1.13m， 取 L=1.2m。

代入公式得： L主厂房=nL1+L2+ L=4 11.8+14.2+2.25= 63.6 m 所以主厂房的长度为：L主厂房= 65m

7.主厂房宽度的计算

以机组中心线为界，厂房宽度B为上游侧宽度B上与下游侧宽度B下两部分之和，即：

B=B上+B下 厂房上游侧的宽度由以下公式计算： B上=

3

3+A 2

式中： 3——发电机风罩内径， 3=8m；

3——发电机风罩壁厚 3=（0.3~0.4）m，取 3=0.4m；

A——风罩外壁至上游墙内侧的净距A=（2~3m），取A=2.5m；

3

3+A=8.4/2+0.4+2.5=7.1m 2

下游考虑吊装构建要求 故加宽一米8.1m

B上=

B净宽=B上 B下=7.1+8.1=15.2m

所以，主厂房的宽度为：B=B净宽=15.2m。但是没有考虑起重机的桥机安装和牛腿梁的建造，所以在确定最后尺寸时还要依据起重设备再确定。 根据起重机设备可知桥机的跨度为L=16m。如下图：

牛腿以上：

牛腿以下：B L 2(e hb)

其中：b1—桥机端与轨道中心线的距离，查桥机的有关规定取0.5m b2—桥机端部与上柱内面间距，一般取0.3—0.6m，取0.6m h'b—牛腿上部立柱截面高度，一般取0.6—1.2m，取1.0m

hb—牛腿下部立柱截面高度，一般取1.0—2.5m，取1.5m

e—偏心距，一般取0—0.25m，取0.25m

所以，牛腿以上：B lk 2(b1 b2 h'b) 16 2(0.5 0.4 1) 20m

牛腿以下：B lk 2(e hb) 16 2(0.25 1.5) 19.5m

此条件同时满足吊钩限制线的要求。 综上所述，取主厂房的宽度B为20m.

6.主厂房的剖面设计

主厂房的剖面设计又称竖向设计，主要解决垂直方向空间处理上的有关问题。主厂房的剖面设计主要计算个部分高程，包括：水轮机安装高程▽T ，主厂房基础开挖高程▽F，水轮机层地面高程▽1，发电装置高程机▽G，发电机层楼板高程▽2，起重机的安装高程▽C，屋顶高程▽R，装配场的楼板高程等。

已知水轮机直径D=2.25m, 下游最大水位94.6m, 导叶的相对高度b0=0.25m 尾水管底板混凝土的厚度h1=1m, 尾水管出口净高度h2=1.3D=1.3

2.25=2.93m,

尾水管出口顶面到机组安装高程的距离

h3=0.9D=0.9 2.25=2.03m 水轮机吸出高度hs=1.026m,发电机定子到上机架的高度h7=0.7m， 吊运部件与固定的机组间的垂直净距h8=0.5m, 最大吊运部件的高度h9=3.55×2.25=8m, 吊运部件与吊钩的垂直净距h10=1m，主钩最高位置到轨顶面距离h11=0.92m,吊车上的移动小车的高度加预留检修高度h12=2m。

1 主厂房基础开挖高程▽F

▽F=▽T－（h3+h2+h1）

式中： ▽T————水轮机安装高程为，▽T=92m: h1————尾水管底板混凝土的厚度，h1=1m： h2————尾水管出口净高度，

h3————尾水管出口顶面到机组安装高程的距离 则主厂房基础开挖高程为：

▽F=▽T-（h3+h2+h1）=92-3.92=88m 2 水轮机层地面高程▽1

▽1=▽T+h4

式中： ▽T————水轮机安装高程，▽T=88m

h4————蜗壳半径和蜗壳顶部混凝土保护层厚度，h4=R 蜗+h保

蜗壳顶部混凝土保护层厚度一般不小于1m，取h保=1.5m。

所以： h4=R蜗+ h保=1.75+1.5=3.25m 所以水轮机的地面高程为：

▽1=▽T+h4=92+3.25=95.25m

取▽1 =98.7m。

3 发电装置高程机▽G

▽G=▽1+h5+h6 式中： ▽1————水轮机层地面高程，▽1=95.25m；

h5————发电机机墩进人孔高度，一般为1.8～2.0m，取h5=2.0m； h6=进人孔顶部厚度，取h6=1m； 发电装置高程机为：

▽G=▽1+h5+h6=98.7+2+1=98.25m 取99 4发电机层楼板高程▽2

为保证以下各层高度和设备布置及运行上需求。水轮机层的净高度不少于3.5～4.0m。取水轮机净高度4.0m，为保证下游最高水位不淹没厂房，一般情况下发电机层的楼板面与装配场楼板面高程齐平，并且设在下游最高洪水位以上0.5～1.0m，取0.5m。

▽2= max{▽max+0.5m，▽1 +4.0} 式中： ▽max————下游最高水位，▽max=94.6m； ▽1————水轮机层地面高程，▽1=95.25m。 所以发电机层楼板高程为：

▽2= max{▽max+0.5m，▽1 +4.0}= max{95.1，99.25}=99.25 取为

100m

5起重机的安装高程▽C

起重机的安装高程是指吊车轨顶高程，他是确定主厂房上部结构高度的重要因素。

▽C=▽2+h7+h8+h9+h10+h11

式中： ▽2 ————发电机层楼板高程，▽2 =100m ;

H7 ————发电机定子到上机架的高度, H7=1.22m; H8 ————吊运部件与固定的机组间的垂直净距; H9 ————最大吊运部件的高度，H9=7m; h10 ————吊运部件与吊钩的垂直净距，h10=1m; h11 ————钩最高位置到轨顶面距离，;

所以起重机安装高程：

▽C=▽2+h7+h8+h9+h10+h11=100+1.22+0.5+7+1+2.5=112.2m 6屋顶高程▽R

当吊车轨高程确定后，根据已知轨顶至吊车上小车高度，

▽R=▽c+h12 + h13 式中： ▽c————起重机的安装高程，▽c=112.2m;

h12 ————吊车上的移动小车的高度加预留检修高度，h12=2m; h13--------检修吊车需在小车上留有的高度 ，取h13=0.5m

所以屋顶高程为：

▽R=▽C+h12+ h13 =112.2+2+0.5=113.7m

7装配场的楼板高程

装配场的楼板高程主要取决于对外交通道路高程程和发电层楼板高程。最理想的情况是装配场与对外交通道路及发电机层楼板高程齐平，而且高于下游设计水位。所以装配场高程取100m。装配场共分为两层，第一层为检修间，在此设置有变压器检修孔，发电机检修孔等。下层为油处理室和水处理室。具体布置详见发电机层布置图。

7 副厂房的布置

水电站厂房除了装设运行必需的水轮机、调速设备和厂房外，还需要设置电

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