探讨水电站发电引水系统的设计

探讨水电站发电引水系统的设计
1引水隧洞洞径的确定
根据该工程资料，设计水电站最大引水发电流量为31m3/s，故该引水隧洞需满足31m3/s的过流能力。

该工程采用深式进水口的有压引水隧洞，隧洞断面采用圆形断面，因为圆形断面的水流条件和受力条件都较为有利。

在装机流量一定的情况下，隧洞断面尺寸取决于洞内流速，流速越大所需要断面尺寸愈小，但水头损失愈大，而且流速越大，对工程地质要求也越高。

该工程为小（1）型工程，对于确定隧洞断面尺寸，采用经济流速法，目前我国水电站有压隧洞的经济流速一般为2.5～4.0m/s。

经计算得出，该工程有压隧洞的洞径为3.5m。

1.1进水口设计
1.1.1进水口高程的确定
该工程采用深式进水口，为避免河床淤沙进入隧洞，进水口底板高程须比河床的淤沙高程高出0.5～1m，该工程的淤沙高程为867.4m。

另外，为使引水隧洞形成稳定的有压流，避免出现漏斗状吸气漩涡，进水口需要一定的淹没深度，以闸门断面为计算断面（闸门采用矩形断面，宽、高均与隧洞洞经相等）。

经计算得出临界水深s为2.53m。

进水口除了要避免出现漩涡和吸气漏斗，尚应保证沿线不出现负压，对于后者，计算时可以简化取沿线洞顶处的水压力有不小于2.0m的水头。

经计算得，进水口闸门段顶部高程應在873.08m（875.61-2.53﹦873.08m）以下，进水口底部高程应在867.4m以上；而进水口位置越低，电站在正常运行时隧洞内水压力越大，但电站可利用库容也越大；综合考虑以上因素，取进水口底部高程为868.0m，则闸门顶部高程为871.5m。

则水库允许的最低水面高程h 为：h=871.5+2.53=874.03m。

1.1.2进水口进口段设计
该隧洞进水口均匀断面为矩形断面，且采用宽高相等，均等于隧洞直径的尺寸。

那么，该进水口采用顶板及左右三面收缩的矩形断面，三面的收缩曲线为相同的1/4椭圆曲线，收缩断面方程式见公式（1）。

（1）
为了使水流平顺地流入引水道，减少进口处水头损失，进口段的流速一般不宜太大，一般控制在1.50m/s左右。

进口面积计算见公式（2），建议不小于计算值为14.79 。

（2）
式中：——引水隧洞断面面积；θ——引水隧洞中心线与水平面之间的夹角，角度很小，近似取0°；C——收缩系数，一般取C﹦0.6～0.7，该处取0.65。

经计算，进水口实际面积为27.27 ，进水口处水流流速为1.14m/s，均满足要求。

1.1.3进水口闸门段设计
闸门段是引水道和进水口段的连接段，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。

该工程中，闸门断面的宽、高均等于隧洞洞径。

根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95），进水口操作平台安全超高标准为，对于4、5级进水口建筑，设计/校核水位时超高分别为30cm、20cm；拦污栅与闸门或闸门与闸门之间的最小净距一般不得小于 1.5m；启闭机与机房墙面净距不小于800mm；各台启闭机之间净距不小于600mm；闸门检修室或检修平台，在闸门检修时四边净距均不小于800mm；此外尚应有栏杆、盖板。

根据该工程实际情况，考虑波浪爬高、风壅高度，该设计中操作平台安全超高取1.46m，即操作平台高程为891m；经计算，该工程设计闸门门槽宽度为0.5m；闸门操作室内面积为5*6m2。

1.1.4通气孔设计
在有压管道进行充水或放空过程中，闸门后需要排气和补气，特别是在动水中下门时，问题更为突出，否则会引起压力管道局部真空而经受负压有时并导致管道和门叶震动，为此必须紧接闸门后设置通气孔，通气孔的下口应紧靠闸门后的水道顶部，其上口应和闸门操作室分开，通向室外，以保障发生通气事故喷水时人员和机器设备的安全。

另外，通气孔顶端应该在上游最高水位以上，以免风浪卷入杂物堵塞通气孔。

1.1.5进水口渐变段设计
渐变段是由闸门段（矩形断面）到压力引水道（圆形断面）的过渡段，其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。

渐变段将矩形断面过渡到圆形断面，一般是收缩型的，采用圆角过渡，即在方形断面的四角
上，采用圆弧曲线，该四个圆弧的半径逐渐增大，以致使四个圆弧最终连成一个圆。

为施工方便，圆弧半径按直线规律变化。

在宽度方向上，平面收缩角为零，即闸门宽度应与管道直径相等；立面上的收缩角一般取60～80，以70为最优。

渐变段不宜太长，因其应力状态要比圆形差；也不能太短，需要满足平顺水流的条件，对于岸式进水口，长度可取1.5～2.0倍的引水道宽度或洞径。

对于该工程，闸门段截面宽高均与洞径相等，故渐变段不存在收缩角，并且选定该工程渐变段长度为1.6倍洞径，算得渐变段长度为5.6m。

1.2引水隧洞衬砌的设计
该工程引水系统所处位置的地层位二叠系茅口组中厚灰岩，局部块状灰岩、白云质灰岩和含燧石灰岩。

岩层走向与隧洞走向基本平行，为二类围岩，成洞条件好，仅在局部地段有溶蚀现象和小溶洞存在的可能，但处理工作量不大。

对隧洞进行衬砌主要是用于承受内水压力，防治渗漏，减小洞壁糙率，在该工程中，选择混凝土衬砌，为方便施工取衬砌厚度为20cm。

1.3压力管道直径的确定
压力管道直径的选定是一个经济比较问题。

直径选得大，造价就高，但流速可以低些，水头损失，也就是运行时电能损失可以小些。

反之，直径定的小，造价可以低些，但运行时电能损失就大些。

从一般经验上来看，水头高的电站，压力管道内流速可选得大些，电站水头在200m以上的，压力管道内流速可高达6～7 m/s，甚至在大一点。

水头在50～150m的，压力管道内的流速常选为4～6m/s。

该工程设计水头为63.5m，经经济比较，压力管道流速选为5m/s。

经计算，压力管道直径为2.8m。

1.4调压室设计
设置调压室是减少水锤压力在引水道中传递的有效方法之一。

设置调压室后，利用调压室扩大的断面积和自由水面，水锤波就会在调压室反射到下游去。

这就相当于把引水系统分为两段，调压室以前这段引水道，基本上可以避免水锤压力的影响；调压室以后这段压力管道，由于缩短了水锤波的传递过程，从而减小了压力管道中的水锤值，改善了机组运行条件和供电质量。

根据调压室的功用，它应满足下列要求：①尽可能充分反射由压力管道传来的水锤波，以减少压力管道中水锤压力，并使传至引水道中的水锤值控制在合理范围内；②应能保证调压室中发生的一切水位波动都具有逐渐衰减的性质，并且
衰减得愈快愈好；③负荷变化时，引起的波动振幅小，频率低，这样就可以减小调压室的高度，并有利于机组的稳定运行；④在正常运行中，水流经过调压室与引水道连接处的水头损失应尽量小；⑤调压室顶部，应满足水库最高设计水位当电站在瞬时丢弃全部负荷时，水涌入调压室所需的容积和高度；调压室的底部高程应保证最低设计水位当电站急增负荷，调压室水位下降时，压力管道内无空气进入；⑥结构安全可靠、施工简单方便、造价经济合理。

2压力管道的设计
经过前面计算得出，该电站压力管道直径为2.8m，管内流速为5m/s，管长78m。

根据《水电站压力钢管设计规范》（SL281-2003），为方便出渣（该工程采用自下而上的开挖出渣方式），该电站压力管道布置分为上游坡率为2%的管段、中间倾角为450的斜井段和下游水平段；段间由圆弧段连接，两个圆弧段的半径分别为13.5m、18.6m。

压力管道的水力计算包括水头损失计算及水锤计算。

该电站压力管道的實际水头损失为1m。

2.1压力管道的水锤计算
水锤计算的主要目的是为了推求管道中的最低和最高内水压强，管道中的内水压力是静水压力和水锤压强的代数和。

前者取决与电站的上下游水位；后者则与初始水头及流量变化的数值，历时和规律有关。

根据《水电站压力钢管设计规范》（SL281-2003），水锤计算工况应根据电站在电力系统的运行情况确定，初步计算可按下列工况进行：
①特殊工况最高压力计算（相应于水库水位为最高发电水位，有钢管供水的全部机组突然全丢负荷）；②正常工况最高压力计算（相应于水库正常蓄水位，由钢管供水的全部机组突然全丢负荷）；③最低压力计算（相应于水库水位为最低发电水位，由钢管供水的全部机组除一台外都在满发，未带负荷的一台由空转增荷至满发）。

2.2 压力钢管的强度及抗外压稳定计算
根据压力钢管的受力特征和钢材的特性，该电站压力钢管设计材料采用碳素结构钢Q235-Z（GB700-65），屈服强度；根据《水工设计手册（第七卷水电站建筑物）》，在基本荷载组合时容许应力取0.67 （157.45 ），特殊荷载组合0.9 （211.5 ）。

初步设计阶段的计算均按钢管为光面管计算。

3 电站厂房设计
3.1 水电站厂房的作用及基本要求
水电站厂房是将水能转化为电能的主要建筑物，应能容纳主机设备和各种附属、辅助设备。

后者也可另设车间。

对厂房的基本要求是：①安全、耐久、实用，在可能条件下注意美观；②对外交通便利，对内联系方便，便于安装、检修和巡视；③力求工程量最少，投资节省，工期最短；④有良好的通风、采光、照明、隔热、保温等条件；具有清静、明快的环境；提供运行、检修和观测等人员必要而适宜的工作条件；⑤技术先进，符合现代化要求。

3.2 水电站厂房的组成
从设备布置、运行要求的空间划分：①主厂房，布置着水电站的主要动力设备（水轮发电机组）和各种辅助设备的主机室（主机间），及组装、检修设备的装配场（安装间），是水电站的主要组成部；②副厂房。

布置着控制设备、电器设备和辅助设备，是水电站的运行、控制、监视、通讯、试验、管理和运行人员工作的房间；③主变压器场。

装设主变压器的地方。

电能经过主变压器升高到规定的电压后引到开关站；④开关站（户外高压配电设置）。

装设高压开关、高压母线和保护措施等高压电器设备的场所，高压输电线由此将电能输往用户，要求占地面积较大。

3.3 水电站厂房平面布置的相关计算
主厂房的长度、宽度尺寸，主要取决于水轮发电机定子及风罩墙、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，同时还要考虑到结构布置和立面艺术处理。

4 结论
电站建成后，水库蓄水，加以利用，可充分开发水能，将水能这一无污染资源转换为电能，供人类使用，对工程周边的区域发展有促进作用。

另外，灌溉农田，可改善土壤水文状况及高原土壤不良性质，改变了灌区空气的湿度和温度，使农田小气候更适宜各种农作物的生长，可明显提高各种农作物产量，这样工程的建设可促进区域农业种植结构的调整，对实现区域农业生态环境的良性循环，实现农业的可持续发展具有重要意义，工程具有明显的环境效益、经济效益和社会效益。

参考文献
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