水电站厂房

水电站厂房设计
基本资料
1 流域资料
老灌河全长254Km，流域面积4219Km2，总落差1340m，河床平均比降约5.2%，坝址位于老灌河中游，距西峡县城约10Km。

坝址以上控制流域面积约2580Km2，多年平均降雨量6.635亿m3.坝址下游约1.8Km处有小电站，装机600KW。

在小和之间的小水库库容约100万m3，有效库容60万m3.
2 交通条件
在枢纽左岸有一条简易公路沿河向下游大约3Km处和通向县城的主干公路相交;枢纽右岸山的另一边距坝址约2Km处有一条通向县城的主干公路。

3 气候条件
⑴气温：该地区年平均气温15.1℃，最高气温42℃，最低气温-14.2℃。

⑵降水：多年平均降水量约900㎜，降水量在时间和空间上分布很不均匀，一般是
深山多于浅山和丘陵区，降水量的61.8%集中于6～9月，其中7～8月占年降雨量的
41.5%。

⑶风向和风速：多年平均最大风速为7.63m/s，相应风向为北东向。

4 水能规划资料
⑴水库特征水位及相应库容如下表：
⑵
大坝主要采用坝顶溢流泄洪，溢流坝净长度为143m，溢流坝坝顶高程为288m。

5年一遇洪水下泄流量为1500m3/s，20年一遇洪水下泄流量为3050m3/s，50年一遇洪水下泄流量为4100m3/s，500年一遇洪水下泄流量为7700m3/s。

水库下游河道与流量关系见下表：
电站装机容量拟在9000kW左右，主要作调峰运行。

5 地形地质条件
⑴地形
老灌河在坝址区为北东流向，该处河谷狭窄，主要为中高山区，相对高度多在100～200 m，最高可达700m，山坡较陡峻，基岩裸露，河谷呈“V”字型，河谷宽度一般在80～180m，坝址处约为140m，河床底高243～246m。

山坡坡度左岸40～45°，右岸约为30°。

⑵地层岩性
坝址周围为太古界太华群及海西期侵入岩体，基岩裸露，第四系沉积很薄，残坡积也不发育，太华群岩性主要为云母石英片岩及石英片岩，多为中薄层，层间结合较好，坚硬，风化较轻。

海西期侵入岩体主要为混合花岗片麻岩，角闪片麻岩等，岩石坚硬，完整密实。

河床冲积层为近代漂砾、卵石、粗砂组成，厚约1～5m。

总体上讲，工程地质条件比较简单，没有明显不利的工程地质问题。

厂房设计说明书
1厂区布置
1.1 考虑因素
站址选择要考虑：厂房形式的选择、交通条件、开挖方量、施工场地的选择、泄洪产生的影响、生活区和管理区位置的协调、及对其他工程的协调影响。

⑴厂房形式：根据已知资料，电站正常蓄水位为288米，下游河道最低水位为246米。

所以最大水头差约为42米。

属中水头厂房范围30-100米。

若考虑采用河床式厂房或坝内式厂房，则由各方面资料可知，对于小型水电站来说，这两种型式都过于复杂，需要考虑的因素太多，而且也不经济，所以不予采用，应考虑采用坝后式厂房。

⑵交通条件：由资料知，在枢纽的左岸有一条简易公路沿河向下游大约3千米处和通往县城的主干相交；枢纽右岸山的另一边，距坝址约2千米处有一条通向县城的主干公路。

若将厂房设在大坝的右岸，就需要修建一条盘山公路与2千米外的通向县城的主干公路相衔接，工程量较大。

若不修路而改架桥通向左岸的简易公路，这样又不太经济，所以
应考虑将厂房设在大坝左岸，那么，那条简易公路可修建为进站公路。

⑶开挖方量：考虑开挖马房沟一地建厂房，直接打一条引水隧洞由大坝处引水。

这样大约可以形成7到8米的水头差，这对电站来说是很有利的，但考虑到马房沟的开挖量大约在30万立方以上，开挖量过大，经济成本高，而且本项工程是起调峰电站的作用，如此设计，则下游的小电站将关闭，那他对本项工程的反调节作用也就没有了，而且对下游的诸多电站也都会造成影响。

若厂房紧贴坝后，太靠近岸边，会受到挑流影响，靠岸里侧一些，则进水口需要加宽，增大了山体开挖量。

暴雨季节，山体滑坡，进水口会逐渐淤死。

若设冲沙闸于厂房下部，又使大坝的结构、管道布置等问题过于复杂。

在左岸从坝轴线向下游100米左右，山体坡度较缓，开挖方量小，不易引起滑坡，而且护坡较为方便。

若直接在大坝下游紧靠大坝建电站，则由于山体坡度较大，而开挖方量较大，再者，由于厂房与坝上游进水口的距离短，则有压进水管不宜采用分叉式，用独立式布置投资又较大。

所以考虑将厂房布置在距离大坝约100米处的凹向左岸的山窝处，初步估计最远挑距为120米，厂房稳定性可不受影响。

但是会有水雾现象，若再将距离拉远一些，引水距离又显得过长了。

⑷施工场地的选择：在左岸由于坝下游400米左右处的地形较为平缓，易于布置施工设备，进行厂房施工备料。

⑸泄洪产生的影响：站址确定在下游左岸，距坝轴线的距离应适当，否则泄洪产生的水雾可能会影响发电机组的正常运转，厂房应面对下游布置，可以避免大坝泄洪时的水流不稳定、水位不稳定，及对尾水位的影响。

⑹生活区和管理区位置的协调：在坝下游左右岸地形条件相比，左岸的袁家庄地形很平缓，到施工场地的距离也合适，适宜建设生活区和管理区。

⑺对其他工程的协调影响：在水库大坝的下游有已建的小电站，为保证小电站能正常运行，发电尾水必须汇入原河道，所以电站应靠近下游河道修建。

1.2 方案比较
方案一：厂房布置在距坝轴线下游100米的左岸。

1）山体坡度较缓，开挖方量小。

2）有压进水管可采用联合式，水头损失小，不考虑水击问题，投资少。

3）水流挑射对厂房的影响小。

4）交通便利，可利用已有的交通条件，减少工程投资。

5）便于进行施工总体布置
方案二：厂房紧靠坝布置。

1）施工干扰大。

2）左岸靠近坝处，山体坡度大，开挖方量较大。

3）有压进水管不宜采用联合式，用单元式会增大投资。

4）下泄水流的水汽对厂房内的设备有影响。

5）损失小，不考虑水击问题。

方案三：在马房沟一地开挖，修建引水式电站。

1）须埋设的压力引水管道较长，增大投资。

2）发电尾水没有汇入原河道，影响下游已建工程的运行。

3）泄洪对尾水无影响，可提高电站运行效率。

4）水头损失大，水击压力大。

综合以上分析，选第一方案最优。

电站厂房布置在左岸距坝轴线下游100米处。

2 水轮机型号的选择
2.1 水头计算
由于该电站为调峰电站，为了增加供电可靠性，拟选三台发电机，则每台的装机容量为9000/3=3000kW ，可适当增加容量保证可靠性，查《小型水电站发电设备手册》发电机标准系列，选单机容量为N d =3200kW ，相应水轮机出力N=3400Kw 。

由原始资料知，上游最高水位为288m ，最低水位为271.8m 。

假定开一台机组运行时下游水深约为1m ，引水系统水力损失约为0.8m 。

开三台机组运行时下游水深约为2m ，引水系统水力损失约为1.5m ，则
水电站最大水头
max H 28824610.840.2m =---=
水电站最小水头
min H 271.824621.522.3m =---=
算术平均水头
max min H H H )/2(40.222.3)/231.25m =+=+=平均（
该电站为坝后式，水电站设计水头
r av H 0.95H = （1）
式中：
H av —水电站加权平均水头，应比算术平均水头大，初拟为32m ，则
r H 0.953230.4m =⨯=
2.2 水轮机主要参数的确定
⑴ 确定水轮机转轮直径
取水轮机工作范围为22～41m ，在反击式水轮机系列型谱中查得HL240型水轮机比较适用于这一水头范围。

2 1.5
d r d 1
1r d N =9.81Q H =9.81Q D H ηηηη´ （2） 式中：N d —发电机单机容量
Q r —水轮机设计流量
Q 1́—单位最大流量 D 1—水轮机转轮 ηd —发电机效率
η—水轮机效率
H r —水轮机设计水头 初拟ηd =94%，η=92%。

则
1D 1.35m ===
查水轮机转轮标准系列取D 1
=1.4m
2311Q Q D 1.24 1.413.4m /s ==⨯=´
⑵ 效率修正值的计算
查《小型水电站发电设备手册》图1-15HL240型水轮机转轮综合特性曲线，HL240型水轮机在最优工况下的最高效率ηMmax =92.0%，模型转轮直径D 1M =0.46m 。

则原型水轮机的最高效率
max Mmax 111(193.6%ηη=--=--=( （3） 考虑制造水平的差异，根据水轮机的直径凭经验取ε=1.0%，原型水轮机所采用的蜗
壳和尾水管与模型水轮机的相似故取‵
ε=0。

则效率修正值由下式计算
max =0.9360.920.010=0.006------ˋ
Mmax △η=ηηεε （4）
水轮机在限制工况处的效率为
M =+ =0.904+0.006=0.91ηηη△
⑶ 确定水轮机转速
由水轮机相似定律
'
'11M n n =
== （5）
11
n n D =
在上式中原型水轮机的单位转速应取最大单位转速即
10n '
'
'
+1△n 10M =n （6）
HL240模型水轮机的最优单位转速1072n '
=， 同时由于
110110.0090.03M n n =-=-=<△´ 可不予修正，因此，原型水轮机的最优单位转速和模型机的相同，即1010M n n '=´=72。

11722911.4
n n D ===
查《水电站》表4-7选与之接近而偏大的发电机标准同步转速，取n e =300r/min 。

⑷ 反算水轮机设计水头
2 1.5119.81r N D Q H η=´ （7）
232
11()9.81r N H D Q 'η
==2
323400()29.249.81 1.4 1.240.91m =⨯⨯⨯
Q r =11Q D '= 21.24 1.4⨯=13.14 m 3/s
Q 总=3Q r =3×13.14=39.42 m 3/s
故所选水轮机为HL240—LJ —140，设计流量为13.14 m 3/s ，设计水头为29.24m 。

查《小型水电站发电机设备手册》表1－14选与之相应的发电机为TSL325/36—20，与之配套的调速器为CT40，油压装置为YZ —1。

3 尾水渠设计
取尾水渠底宽b=8m ，为梯形断面，边坡坡率m=0.25，底坡i=0.001，尾水渠为新开挖基岩，糙率n=0.018，初步设计尾水渠长100米，则尾水渠上下游高差△h=0.1m 尾水渠水深计算迭代公式
0.6
0.4
1(2/()j j h b h b mh +=++ （8） 开一台机组时Q=13.14 m 3/s ，经计算h=1.02m 开三台机组时Q=39.42 m 3/s ，经计算h=2.07m
则下游最低水深h min =1.02+0.1=1.12m ，高程247.12m 下游最高水深h max =2.07+0.1=2.17m ，高程248.17m 下游平均水深 h=1.65m ，平均水位为247.65m
4 压力管道直径及蝶阀的确定
按经济流速确定压力管道直径，压力管道经济流速V e 一般为4—6m ，取为4m/s 管道直径计算公式：
（9）
管道内流速：
V=
2
43.14Q
D
（10） 对于主管，Q=39.42 m 3/s
1 3.5m D ==主
2
413.14
m=4.18m/s 3.142ν⨯=
⨯支
对于支管，Q=13.14 m 3/s
1 2.0m D ==支
2
413.14
=4.18m/s 3.142ν⨯=
⨯支
查《水电站建筑物设计参考资料》，蝶阀选型为DF200-150，卧轴，名义直径两米。

5 损失计算
以下损失计算过程中，所有系数来源于天津大学水利系主编的《小型水电站》 5.1 沿程损失
1.9
4.9
Q m L 0.631D
h α=沿△ （11）
式中：D —钢管内径
Q —管中流量 L —管长
α—考虑管道结构形式对沿程损失系数的影响,取为0.000826 m —考虑钢管使用年限的系数，取为1.02
1.9
4.9
39.420.000826 1.02100=0.25m 0.631 3.5
h =⨯⨯⨯沿△ 5.2 局部损失
局部水头损失由下式计算：
2
h 2νξ=局局
△g
（12）
式中：
△h 局 —局部水头损失
ξ局—局部水头损失系数 ν—计算断面平均流速 g —重力加速度，9.80 ⑴ 拦污栅损失
拦污栅水头损失系数
4/3s ()K sin b
ξβα=拦 （13）
式中：
β—与拦污栅条断面形状有关的系数，圆形，1.79
s —栅条直径，1㎝
b —栅条净距，5㎝
α—拦污栅与水平面夹角，70°
K —考虑拦污栅上附着污物对水头损失系数的影响，1.5
4/31
1.79()1.5sin 700.35
ξ=⨯⨯⨯︒=拦
过栅流速ν—1m/s
2
1.0h 0.30.015m 29.8
==⨯拦△
考虑堵塞取为0.1m
⑵ 进口局部损失
进口为喇叭形进口，局部损失系数为0.1 断面平均流速为1.5m/s
2
1.5h 0.10.01m 29.8
==⨯进△
⑶ 渐变段损失
渐变段长度一般为遂洞直径的1.5—2倍，侧面扩散角以6°—8°为宜。

取损失系数为0.1
断面平均流速
2
Q 39.42 3.22m/s A 3.5ν===
2
3.22h 0.10.05m 29.8
==⨯渐△
⑷ 闸门槽损失
取损失系数为0.1
2
3.22h 0.10.05m 29.8
==⨯闸△
⑸ 水管转弯局部损失
弯道转角约为25°，损失系数约为0.15
2
4.18h 0.150.13m 29.8
=⨯=⨯弯△
⑹ 岔管损失
岔管偏角约为25°，流经岔管后的流速接近，取损失系数约为0.19
2
4.18h 0.190.1729.8
m =⨯=⨯△
有两条岔管，故损失为2×0.17=0.34 m
⑺ 阀门损失
蝶阀损失系数约为0.11
2
4.18h 0.110.1m 29.8
=⨯=⨯阀△
总水头损失为
h 0.250.10.010.050.050.130.340.1=1.03m =+=+++++++∑局沿△△h △h
6 蜗壳尺寸的确定
图1 混流式水轮机蜗壳平面图
对蜗壳任一断面
i max
i 360Q Q ϕ︒
=
（14）
max i
i i
Q 360ϕρ︒
=
νπ （15） i a i R r 2ρ=+ （16）
式中：
Q i —该断面流量 ρi —该断面半径 Q max —水轮机最大流量 νc —进口断面流速
c r K H 129.24 5.4m/s ===ν
K —流速系数，取为1
i a i R r 125m ϕ---主轴中心到该断面的距离
水轮机座环固定导叶的外半径,.自涡壳鼻端算起至计算断面的角度
蜗壳进口断面
3c max
c 34513.14
12.6m /s 360360Q Q ϕ︒⨯=
=
=︒
︒
式中：
c 13.143450.86m 360 5.4ρπ
⨯︒
=
=︒⨯⨯
+X c R =R 1.25+20.86=2.97m =⨯
对于255°包角断面
3c max
25525513.14
9.3m /s 360360Q Q ϕ︒⨯=
=
=︒
︒
25513.142550.74m 360 5.4ρπ
⨯︒
=
=︒⨯⨯
Y 255R =R 1.25+20.74=2.73m =⨯-
对于165°包角断面
3c max
16516513.14
6m /s 360360Q Q ϕ︒⨯=
=
=︒
︒
16513.141650.60m 360 5.4ρπ
⨯︒
=
=︒⨯⨯
X 165R =R 1.25+20.60=2.45m =⨯-
对于75°包角断面
3c max
757513.14
2.74m /s 360360Q Q ϕ︒⨯=
=
=︒
︒
7513.14750.40m 360 5.4ρπ
⨯︒
=
=︒⨯⨯
+Y c R =R 1.25+20.40=2.05m =⨯
7 尾水管尺寸计算
图2 混流式水轮机尾水管
水电站所用尾水管为弯肘型，查《水电站机电设计手册》及《水电站》，图中相应尺寸如下：
13445615D 1.4m,D 1.5m,D 1.893m
h 3.5m,h 1.893m,h 1.834m,h 0.938m L 6.72m,L 2.45m B 3.836m
==========
8 水电站厂房尺寸设计
8.1 主厂房高程的确定 ⑴ 水轮机安装高程▽T ：
T W s H X =++▽▽ （17）
式中：
▽W —水电站正常运行时可能出现的最低下游水位，一般取一台机组的过流量相应的尾水位。

H s —水轮机允许吸出高
s H 10)H 900
σσ=+▽
-(△- （18） s 24765
H 100190.04)29.24 3.0m 900
=+=.-(.- 导叶高度b 0=0.511m
水轮机实际允许吸出高s H ´：
0s s b 0.511H H 3 3.256m 22
=+
=+=´ σ—气蚀系数，由水轮机特性曲线决定 △σ—气蚀系数修正值，由水轮机厂家提供 H —计算水头
▽—水电站厂房所在地点的海拔高程，初步设计时可采用下游平均水位高程 X —水轮机压力最低点与安装高程之间的差值，对于混流式水轮机
X = b 0 / 2
在尾水渠设计时已算得下游平均水位为247.65m ，开一台机时，下游水深为247.12m 。

247.12 3.2560.511/2250.63m =++=T ▽
⑵ 尾水管底板高程▽尾
b 250.632
=尾▽--h （19） 式中：
h —尾水管高度
0.511
250.6335=246.87m 2
=尾▽-
-. ⑶ 主厂房基础开挖高程▽F
F 1h =尾▽▽- （20）
式中：
1h —尾水管底部浇注混凝土厚度，1m
F 246.871245.87m =-=▽
⑷ 水轮机机层地面高程▽1
1T c 4h ρ=++▽▽ （21）
式中：
ρc —蜗壳进口断面半径
h 4—蜗壳混凝土保护厚度，1m
1250.630.861.0=252.5m =++▽
⑸ 发电机装置高程▽G
G 156h h =++▽▽ （22）
式中：
h 5—发电机机墩进人孔高度，1.8—2.0m
h 6—发电机机墩进人孔顶部厚度，1m
G 252.5 1.81255.3m =++=▽
⑹ 发电机层地面高程▽2
2G 3h =+▽▽ （23）
式中:
h 3—发电机转子基坑深度
2255.3 1.18256.48m =+=▽
⑺ 吊车安装高程▽C
C 27891011h h h h h =+++++▽▽ （24）
式中：
h 7—发电机上机架高度
h 8—吊运部件与固定的机组或设备间的垂直净距 h 9—最大吊运部件高度
h 10—吊运部件吊钩之间的距离
h 11—主钩最高位置至轨道顶面的距离，可从起重机主要参数表查出
C 256.480.50.3310.552261.83=+++++=▽m
⑻ 屋顶高程▽R
R 121314C h h h =+++▽▽ （25）
式中：
h 12—轨顶到吊车小车距离，可从起重机主要参数表查出 h 13—吊车检修预留空间，0.5m h 14—屋面板厚度
R 261.83 2.340.50.5265.17m =+++=▽
8.2 主厂房长度L 的确定
0L=nL +L +L 安△ （26）
式中：
L —主厂房长度 n —机组台数 L 0—机组段长度 L 安—安装间长度 △L —边机组段加长 ⑴ 机组段长度L 0的确定
0+L L L =+X X - （27）
① 对于蜗壳层
+X +X 110L = R + = 2.97+1.2 = 4.17m L = R + = 2.45+1.2 = 3.65m L = 4.17+3.65 = 7.81m
δδX X -- ②对于尾水管层
+X 2X 20B 3.836L =
+ = +1.2 = 3.118m 22B 3.836
L + = +1.2 = 3.118m 22
L 3.118 3.118 6.236m δδ==+=-
③对于发电机层，机组段间距由发电机定子外径控制
0L = D d +风 （28）
式中：
D 风—发电机风罩外缘直径 d —两相邻风罩通道间的距离
0L =5.527.5m +=
L 0取三者中的大值，7.81m
⑵ 边机组段加长△L=（0.1～1）D 0=1×1.4=1.4m ⑶ 安装间长度L 安=（1～1.5）L 0=1.2×7.81=9.37m
取安装间长度为10米，则主厂房长度
37.8110 1.434.83L m =⨯++=
取主厂房长度为35米
8.3 主厂房宽度确定
x s B=B +B （29）
式中：
B —主厂房净宽 B x —下游侧宽度 B s —上游侧宽度
⑴ 水下部分净宽的确定
①上游侧宽度
s B =1.25+1.0+0.8+4.0=7.05m
式中：
1.25—座环半径
1.0—混凝土保护层厚度 0.8—蜗壳上游侧断面直径 4.0—蝶阀坑宽度 ②下游侧宽度
x B =1.25+1.0+1.74+1.5=5.49m
式中：
1.25—座环半径
1.0—混凝土保护层厚度 1.74—蜗壳下游侧断面直径 2—走道宽度
则，主厂房净宽
7.05 5.4912.54s x B B B m =+=+=
⑵ 水上部分净宽的确定
①上游侧宽度
s B =2.75+5=7.75m
式中：
2 .75—发电机风罩半径
5—布置调速器，油压设备及机旁屏必需的距离 ②下游侧宽度
x B =2.75+2.5=5.25m
式中：
2.75—发电机风罩半径 2.5—下游走道宽度
则，主厂房净宽
7.75 5.2513s x B B B m =+=+=
取两者中的大值，主厂房的宽度为13m
9 起重机选择
起重机的型式和台数取决于水电站的厂房类型、最大起重量和机组台数等条件。

具有上部结构的厂房一般选用桥式起重机。

起重机额定起重量应根据最重吊运件的重量（一般为发电机转子）加起吊工具的重量并参照起重量系列确定。

发电机转子重量约为发电机总重量的一半，先计算发电机的重量G f 。

2
31()d f e
N G K n = （30）
2
332009()53.6300
f G t =⨯=
则发电机转子重量为G f /2=26.8t
参照起重量系列，参照起重量系列起重机额定起重量为32.5/5t ，跨度为12.5m 。

主钩起吊范围：l 1=2.05m ，l 2=1.72m 副钩起吊范围：l 3=1.035m ，l 4=2.715m。