第六章水电站厂房设计Word格式.docx

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（5）辅助设备系统。

包括为了安装、检修、维护、运行所必须的各种电气及机械辅助设备，如厂用电系统（厂用变压器、厂用配电装置、直流电系统），油系统、气系统、水系统，起重设备，各种电气和机械修理室、试验室、工具间、通风采暖设备等。

（三）从水电站厂房的结构组成划分

1．水平面上可分为主机室和安装间。

主机室是运行和管理的主要场所，水轮发电机组及辅助设备布置在主机室；

安装间是水电站机电设备卸货、拆箱、组装、检修时使用的场地。

2．垂直面上，根据工程习惯主厂房以发电机层楼板面为界，分为上部结构和下部结构。

（1）上部结构。

与工业厂房相似，基本上是板、梁、柱结构系统。

（2）下部结构。

为大体积混凝土整体结构，主要布置过流系统，是厂房的基础。

图11-1详细表述了水电站厂房的组成及配合关系。

三、水电站厂房的基本类型

水电站厂房型式往往是随不同的地形、地质、水文等自然条件和水电站的开发方式、水能利用条件、下游水位的变化、水利枢纽的总体布置而定。

水电站厂房类型划分方法很多，根据厂房与挡水建筑物的相对位置及其结构特征，可分为三种基本类型：

1．引水式厂房

发电用水来自较长的引水道，厂房远离挡水建筑物，一般位于河岸，其轴线常平行河道。

若将厂房建在地下山体内，则称为地下厂房，如图11-2所示。

图11-1水电站厂房组成图

图11-2　地下厂房剖面图

2．坝后式厂房

厂房位于拦河坝的下游，紧接坝后，在结构上与大坝用永久缝分开，发电用水由坝内高压管道引入厂房，如图11-3所示。

有时为了解决泄水建筑物布置与厂房建筑物布置之间的矛盾，可将厂房布置成以下型式。

图11-3　水电站坝后厂房剖面图

（1）溢流式厂房。

厂房位于坝后，将厂房顶作为溢洪道，成为坝后溢流式厂房，如图11-4所示。

这种益流式厂房通常是承受中、高水头的电站厂房。

图11-4　溢流式厂房剖面

（2）坝内式厂房。

厂房移入溢流坝体空腹内，厂房与大坝全为一体。

如图11-5所示。

图11-5　坝内式厂房剖面

3．河床厂房

厂房位于河床中，成为挡水建筑物的一部分，厂坝结构在河床上衔接为一体，如图11-6所示。

图11-6　　河床式厂房剖面

如按机组主轴的装置方式分，水电站厂房还可分为立式机组厂房和卧式机组厂房。

本章主要介绍立式机组厂房。

第二节水电站厂房设计所需资料和设计程序

一、厂房设计所需资料

水电站厂房布置设计涉及到各种机电设备的布置与其相应的建筑结构布置，在进行其设计之前，应收集有关的原始资料。

（一）河流开发方案及建筑物等级

一条河流要开发，应先进行规划设计，确定修建梯级电站的先后顺序。

故设计之初应有规划报告的批文作为依据。

应根据工程规模、建坝高低、电站装机容量等，确定电站建筑物等级和相应的设计标准。

此外还应了解对厂房的特殊要求。

（二）地形资料

（1）库区及取水枢纽1/2000~1/1000的地形图。

坝址轴线处1/200的地形图。

（2）厂区枢纽处1/500的地形图。

（3）厂房所在处1/200的地形图。

（4）若为引水式电站，还应有1/2000~1/1000引水线路带状地形图。

（三）工程地质和水文地质资料

厂区地质分析报告及图纸，对厂区所属范围的地质情况、岩层走向、倾角、断层走向、条数应有了解。

厂区内有无滑坡体、厂区厂房后坡有无危岩孤石、枢纽及厂区的地震级别有多大，也应有了解。

此外，对厂区的地基覆盖层厚度、下覆基岩深度、土壤及岩石物理力学指标等，均应了解清楚。

对厂区内地下水活动情况应分析清楚，如地下水有无腐蚀性、岩层有无承压水、它的渗透性等。

（四）水文及水能资料

1．站址的多年径流资料，用以进行洪水、枯水、径流等水文计算作依据。

2．水库的调洪方式，包括水库及大坝的各种水文及下泄流量，坝址及厂址处的水位~流量关系由线，尾水相应的校核、设计及最小的各特征水位值。

3．厂区所在河流的泥沙资料、河流冰凌资料以及山洪泥石流等资料。

4．电站的装机容量、机组台数、电站的最大最小和加权平均水头。

5．电站的运行方式、输电方向、电压等级、输电距离等。

（五）施工组织资料

了解施工单位的施工技术水平，包括施工方法及设备，施工材料的运输条件，施工工期、施工单价等资料。

（六）机组与辅助设备资料

1．主机组及总装图（立面和平面）及台数。

2．发电机的尺寸和重量，冷却方式及通风道尺寸。

3．水轮机型号、直径和重量，蜗壳和尾水管的型式和尺寸。

4．变压器的台数、重量和尺寸。

5．机旁盘、各种配电板、发电机引出线接地等装置图；

油开关等的地脚螺栓基础图；

调速器；

高低压空气压缩机、水泵等尺寸及基础图；

吊车的规格及技术资料。

综上所述，要设计厂房，须在地形、地质、水文、气象、施工、机组等基本资料收集齐后，方可进行。

二、水电站厂房的设计程序

水电站厂房设计，根据电站规模和工程难易程度可分为两个阶段或三个阶段设计。

一般大中型电站按两个阶段设计，即初步设计和施工详图设计（或技施设计，即技术设计和施工详图合并进行）。

某些大型电站或比较复杂的厂房，则可按三个阶段设计，即初步设计、技术设计、施工详图。

1．初步设计

初步设计阶段的主要任务是通过技术经济论证，确定厂区总体布置、厂房内部布置等方案，具体包括：

（1）阐述各比较方案的厂房及开关站布置的地形、地质、型式、布置、工程量、施工及运行条件、劳动力及造价等情况。

各比较方案的优缺点和选定方案的论证。

（2）主副厂房的内部布置、结构型式、面积、高程和主要尺寸的选定，厂房结构的稳定计算及工程地质处理措施等。

（3）尾水建筑物的结构型式、控制高程、断面尺寸、长度、尾水闸门及操作平台布置的选定。

尾水建筑物的水力计算以及提出尾水渠和下游河床防护整治措施方案的意见。

（4）开关站和主变压器的位置、场地布置、面积、高程的选定。

2．技术设计

技术设计阶段是在批准初步设计基础上进行各建筑物的详细设计。

包括建筑物的细部布置、结构布置，确定主要结构的计算原则及编写出设计大纲，进行结构及构件的设计和计算。

为施工组织设计和编制工程预算提供更详细的工程量，编制该阶段的设计文件，包括技术设计书、专题报告等。

3．施工详图

施工详图阶段是在技术设计的基础上进行的。

包括各建筑物的基础开挖图，边坡及基础处理图，混凝土浇筑分层分块图，各浇筑层预埋件图，各结构及构件钢筋图，水下结构的止水排水设计图，各建筑物的观测设备埋设图及其它构造详图。

初步设计是关键，技术经济上是否合理主要取决于初步设计阶段，因此必须做到充分论证、精心设计。

第三节水轮发电机

发电机是实现机械能向电能转化的主要电气设备，其型式和布置对主厂房的布置和尺寸影响很大。

一、发电机类型及传力方式

竖轴水轮发电机就其传力方式可分为二大类：

（一）悬挂式发电机

如图11-7所示，推力轴承位于转子上方，支承在上机架上。

悬挂式发电机转动部分（包括发电机转子、水轮机转轮、大轴和作用于转轮上的水压力）的重量，通过推力头和推力轴承传给上机架，上机架传给定子外壳，定子外壳再把力传给机墩，整个机组好象在上机架上挂着一样，因此称为悬挂式。

图11-7悬挂式发电机示意图

下机架的作用是支撑下导轴承和制动闸，下导轴承是防止摆动的。

当机组停机时，需用制动闸将转子顶起，以防烧毁推力头和推力轴承。

制动闸反推力、下导轴承自重等通过下机架传给机墩。

发电机楼板自重和楼板上设备重量通过通风道外壳传到机墩上。

高转速的发电机则多做成悬挂式的，因其转子直径小、高度大、重心高。

从图中可看出，这种发电机的传力方式为：

（二）伞式发电机

如图11-8所示，伞式发电机推力轴承位于转子下方，设在下机架上。

整个发电机象把伞，推力头象伞柄，转子象伞布，故称伞式发电机。

1．普通伞式。

有上下导轴承，见图11-8（a）。

机组转动部分的重量通过推力头和推力轴承传给下机架，下机架再把力传给机墩。

上机架只支撑上导轴承和励磁机定子。

由于利用水轮机和发电机之间的轴安放推力头，上机架的高度可减小，轴长可缩短，因而降低了厂房高度。

发电机的重量比悬挂式要小，发电机转子可单独吊出，不需卸掉推力头，安装检修都比较方便。

伞式发电机转子重心在推力轴承之上，重心较高，运转时容易发生摆动，应用范围受到限制。

对于大容量、低转速的发电机，由于转子直径大、高度小、重心低，多做成伞式。

2．半伞式。

有上导轴承，无下导轴承，见图11-8（b）。

此种形式的发电机通常将上机架埋入发电机层地板以下。

3．全伞式。

无上导轴承，有下导轴承。

见图11-8（c）。

机组转动部分的重量通过推力轴承的支撑结构传到水轮机顶盖上，通过顶盖传给水轮机墩环。

这种发电机的上机架仅仅支撑励磁机定子和上导轴承的重量，结构简单，尺寸小。

下机架只支撑下导轴承和制动闸的反作用力，结构尺寸也较小。

这种传力方式进一步缩短了发电机的轴长，减小了转子的重量，同时也降低了厂房的高度。

图11-8伞式发电机剖面图

水轮发电机主要数据，如定子和转子直径、有效铁蕊高度、轴长和总高度、转子带轴重量和总重量，均由水轮发电机制造厂提供。

二、发电机的励磁系统

励磁系统是向发电机转子供给形成磁场的直流电源。

一般每台发电机都设各自独立的励磁系统。

励磁系统包括励磁机和励磁盘。

（1）励磁机。

实际上是直流发电机，其励磁方式有采用与水轮发电机同轴的励磁机的直接励磁系统。

采用直流发电机，由水银整流器组成的离子励磁系统、半导体整流等非直接励磁系统。

大型水轮发电机多采用静电可控硅励磁方式。

（2）励磁盘。

它是装设水轮发电机励磁回路的控制设备和自动调整装置的配电盘，其作用是控制和调整水轮发电机的励磁电流。

每台发电机一般有3~5块励磁盘。

一般布置在发电机层的上游侧或下游侧。

三、发电机的支承结构（机墩）

机墩是发电机的支承结构，其作用是将发电机支承在预定位置上，并为机组的运行、维护、安装和检修创造条件。

对于立式机组的机墩承受水轮发电机组的全部动、静荷载，这些荷载通过机墩传到水下混凝土。

为保证机组正常运行，要求机墩具有足够的强度和刚度，同时具有良好的抗振性能，一般为钢筋混凝土结构。

常见的机墩形式有：

（1）圆筒式机墩。

如图11-9（a）所示，其结构形式为厚壁钢筋混凝土圆筒，其壁厚在1m以上。

外部形状可是圆形，也可是八角形。

内壁为圆形的水轮机井，其直径一般为~倍的转轮直径。

圆筒式机墩的优点是刚度较大，抗压、抗振、抗扭性能较好，结构简单，施工方便。

我国大中型电站采用较多。

其缺点是水轮机井空间狭小，水轮机的安装、维修、维护不方便。

图11-9　发电机机墩

（2）环形梁立柱式机墩。

如图11-9（c、d）所示，由环形梁和立柱组成，发电机座落在环形梁上，立柱底部固结在蜗壳上部混凝土上，并将荷载传到下部块体结构。

此种机墩的优点是混凝土用量省，水轮机顶盖处宽敞，立柱间净空对设备的布置、机组的出线、安装、维修均比较方便。

缺点是机墩刚度小，抗振、抗扭性能较差，一般用中小型机组。

（3）构架式机墩。

如图11-12（e）所示，机墩是由两个纵向刚架和两根横梁组成。

发电机支承在框架上部的梁系上，并由框架将荷载经蜗壳外围混凝土传至下部块体结构。

其优点是节约材料，施工简单，造价低。

构架下面的空间便于布置管路和辅助设备，机组安装、检修都较方便。

缺点是刚度更小，仅适用于小型机组。

（4）块体机墩。

如图11-12（b）所示。

其刚度较大，抗振性能很好，但混凝土用量大，大型机组特别是大型伞式机组可考虑采用这种形式。

四、发电机的布置方式

发电机的布置方式是按发电机与发电机层楼板的相互位置划分的，常见的有定子外露式、定子埋入式、上机架埋入式三种。

（1）外露布置也叫开敞式，如图11-10（a）所示。

发电机定子完全露出于发电机层地面以上。

此种布置在大型机组中不多见，因其占去发电机层地板很多位置，显得拥挤，同时水轮机层高度小，不便其间布置夹层。

（2）埋入式布置，如图11-10（b）所示。

发电机定子埋入发电机层楼板下机坑内。

此种布置使得发电机层较宽敞，由于提高了发电机层高程而增高了水轮机层高度，可利用增设中间层布置发电机引出线及电气设备。

目前采用较多。

（3）当单机容量在100MW以上的大型机组常采用上机架埋入布置，即发电机定子及上机架全部埋设在发电机层楼板之下，发电机层只留有励磁机。

这样要增加一些厂房的高度，但发电机层较宽敞，检修场地大，利于各种控制设备和辅助设备的布置，有可能减小厂房的宽度。

（a）定子外露式布置（b）定子埋入式布置

图11-10发电机的布置方式

第四节水电站厂房内的辅助设备

辅助设备是保证机组正常运行和安装所必需的，对厂房的布置和尺寸也有一定的影响。

主要有：

调速系统、技术供水系统、排水系统、油压系统、气系统和起重设备。

一、调速系统

每台机组装设一套包括调速器、油压装置等附属设备组成的调速系统，根据电力系统要求自动调整机组的出力，同时使机组保持一定的额定转速。

调速设备一般由下列三部分组成：

调速器柜、作用筒（接力器）、油压装置。

三部分之间用管路联系。

（a）调速柜外形图（b）接力器示意图

图11-11调速设备

1．调速器柜。

单机容量不同，机型不同，调速系统也不一样，调速柜的外形尺寸变化不大，一般为方形，尺寸为800mm×

800mm×

1900mm，如图11-11（a）所示。

它以机械的传动杆和油管与作用筒相联。

因作用筒多布置在机墩的上游侧，所以调速柜也多布置在发电机的上游侧。

2．作用筒（接力器）。

作用筒是个油压活塞，大中型机组都采用两个，用来推转调节环。

调节环带动导水叶来控制水轮机的引用流量，以调节机组的出力。

因蜗壳上游断面尺寸较小，作用筒一般布置在上游侧机墩内，如图11-11（b）所示。

3．油压装置。

油压装置是由压力油罐、储油槽和油泵组成。

油罐内油压为，供推动活塞用。

油压靠压缩空气维持，所以油桶内上部为压缩空气。

工作后的油回到储油槽，罐内油量不足时，由油泵将油槽中的油打入罐内。

油泵一般为两台，一台工作，一台备用。

油压装置示意图为12-12所示。

图11-12油压装置示意图

二、油系统

1．作用及分类

水电站油系统任务有两方面：

一是供给机组轴承的润滑油和操作用的压力油，称为透平油。

其作用是润滑、散热及传递能量；

二是供给变压器、油开关等电气设备的绝缘油，其作用是绝缘、散热及灭弧。

两种油的性质不同，应有两套独立的油系统。

2．油系统的组成及布置

（1）油库。

接受和贮存油地方，油库设有油罐。

透平油的用油设备均在厂内，故透平油库一般布置在厂内，只有在油量很大时才在厂外另设存贮新油的油库。

绝缘油用量大的主变压器和开关站都在厂外，所以绝缘油库常布置在厂外主变压器和开关站附近。

油库要特别注意防火，大于100t时油库应设在厂外。

（2）油处理室。

设有油泵和滤油机，有时还有油再生装置。

油处理室一般设在油库旁。

透平油与绝缘油常合用油处理室。

相邻水电站可合用一套油处理设备。

（3）补给油箱。

设在主厂房的吊车梁下。

当设备中的油有消耗时，补给油罐自流补给新油。

当不设补给油箱时，可利用油泵补给新油。

（4）废油槽。

在每台机组的最低点设废油槽，收集漏出的废油。

（5）事故油槽。

当变压器、油开关、油库发生燃烧事故时迅速将油排走，以免事故扩大。

油可排入事故油槽中或直接排入下游河道。

事故油槽应布置在便于充油设备排油的位置，并便于灭火。

（6）油管。

油的输送设备，一般布置在水轮机层。

三、供水系统和排水系统。

（一）供水系统

1．供水对象及要求

水电站厂房内的供水系统包括技术供水、生活供水、消防供水。

技术供水包括冷却及润滑用水，如发电机的空气冷却器、机组导轴承和推力轴承的油冷却器、水润滑导轴承、空气压缩机气缸冷却器、变压器的冷却设备等。

耗水量最大的是发电机和变压器的冷却用水，可达技术用水的80%左右，要求水质清洁、不含对管道和设备有害的化学成分。

2．供水系统布置及供水方式

一般供水系统是从压力管道取水、上游水库取水、下游水泵取水和地下水源取水。

供水系统由水源、供水设备、水处理设备、管网和测量控制元件组成。

管路应尽可能靠近机组，以缩短管线并减少水头损失。

供水泵房应布置在水轮机层或以下的洞室内。

为保证水质，用水管把水引向过滤设备，经过滤后再分配用水。

（1）水泵供水：

当水电站的水头太低（水压力不够）或太高（需要减压设备）时采用此方式供水。

（2）自流供水：

适用于水头在12~60m之间的水电站，但当水头大于40m时需要减压设备。

坝后式厂房从水库引水，引水式厂房从压力水管引水。

（3）混合式供水：

水电站水头变化较大时采用，高水头用自流方式，低水头时用水泵。

消防用水要求水流能喷射到建筑物的最高部位，水量一般为15L/s。

消防用水可从上游压力管道、下游尾水渠或生活用水的水塔取水，并且应设置两个水源。

生活用水根据工作人员的多少决定。

（二）排水系统

1．排水系统的作用和排水方式

厂房内的生活用水、技术用水、阀门或建筑物及其他设备的渗漏水，均需及时排走。

发电机冷却用水等均自流排往下游。

不能自流排除的用水和渗水，则集中到集水井，再用水泵排到下游，这个系统称为渗漏排水系统。

机组检修时常需要排空蜗壳和尾水管，为此需设检修排水系统。

检修时，将检修机组前蝴蝶阀或进水闸门关闭，将蜗壳及尾水管中的水自流经尾水管排往下游。

当蜗壳和尾水管中的水位等于下游尾水时，关闭尾水闸门，利用检修排水泵将余水排走。

检修排水可采用下列几种方式：

（1）集水井。

各尾水管与集水井之间以管道相连，并设阀门控制，尾水管的积水可自流排入集水井，再用水泵排走。

（2）排水廊道。

在厂房最低处沿纵轴线设一廊道，各尾水管的积水直接排入廊道，再以水泵排走。

由于廊道体积大，尾水管中积水排除迅速，可缩短检修时间。

（3）分段排水。

在每两台机组之间设集水井和水泵，担负两台机组的检修排水。

（4）移动水泵。

需检修某台机组时，临时移动水泵装在该处进行排水。

2．排水系统的布置要求

水泵集中在水泵房内，集水井设在水泵房的下层。

集水井通常布置在安装间下层、厂房一端、尾水管之间或厂房上游侧。

集水井的底部高程要足够低，以便自流集水。

每个集水井至少设两台水泵，一台工作，一台备用。

四、气系统

1．压气系统的用途

压缩空气分为低压压缩空气和高压压缩空气。

（1）低压压缩空气系统。

机组制动；

调相运行压水；

蝶阀关闭时，将压缩空气通入阀上的空气围带，使其膨胀而减少漏水；

检修时清扫设备，供风动工具使用；

通向拦污栅，防冻清污。

额定气压为~。

（2）高压压缩空气系统。

厂房中所有调速器油压装置的压力油箱充气，调速器压力油箱中约有2/3的体积为压缩空气，以保证调速器用油时无过大的压力波动，额定气压为及4MPa。

配电装置如空气断路器的灭弧和操作的用气，以及开关和少油断路器的操作用气，额定气派压为2~5MPa。

2．压气系统的组成及布置

压气系统的组成有空压机、储气罐、输气管、测量控制元件。

用气设备如远离厂房（如高压开关站及进水口），则在该处另设有压气系统，厂房内高低压系统均要设置。

空气压缩机室一般布置在水轮机层，安装间的下面，其噪声很大，要远离中央控制室，并满足防火防爆要求。

五、水电站厂房的起重设备

为了安装和检修机组及其辅助设备，厂房内要装设专门的起重设备。

最常见的起重设备是桥式起重机（桥吊）。

桥吊由横跨厂房的桥吊大梁及其上部的小车组成，桥吊大梁可在吊车梁顶上沿主厂房纵向行驶，桥吊大梁上的小车可沿该大梁在厂房横向移动，如图11-13所示。

起重设备的型式和吊运方式对厂房上部结构和尺寸影响较大，正确选择起重设备和吊运方式，可减小其宽度或高度。

（一）桥吊的起重量和台数

桥吊的最大起重量取决于所吊运的最重部件，一般为发电机转子，悬式发电机的转子需带轴吊运，伞式发电机的转子可带轴吊运，也可不带轴。

对于低水头电站，最重部件也可能是带轴或不带轴的水轮机转轮。

少数情况下，桥吊的起重量决定于主变压器（主变需要在厂内检修时）。

桥式起重机有单小车和双小车两种。

单小车设有主钩和副钩，当起重量不大时一般采用一台双钩桥吊；

双小车是在桥吊大梁上设有两台可以单独或联合运行的小车，每台小车只有一个起重吊钩，起重量大于75t时，可采用双小车桥吊。

与单小车相比，双小车桥吊不仅重量轻、外形尺寸小，而且用平衡梁吊运带轴转子时，大轴可以超出主钩极限位置以上，从而可降低主厂房的高度。

当机组较大而且台数多于6台时，也可考虑采用两台吊车。

两台桥吊可降低厂房高度，运用较灵活。

（二）桥吊跨度与工作范围

桥吊跨度是指桥吊大梁两端轮子的中心距。

选择桥吊跨度时应综合考虑下列因素：

（1）桥吊跨度要与主厂房下部块体结构的尺寸相适应，使主厂房构架直接座落在下部块体结构的一期混凝土上。

（2）满足发电机层及安装间布置要求，使主厂房内主要机电设备均在主副钩工作范围之内，以便安装和检修。

（3）尽量采用起重机制造厂家所规定的标准跨度。

桥式起重机的工作范围是指主钩和副钩所能到达的范围，起重机产品目录上给出的吊钩各方向上的极限位置构成吊车的工作范围。

如图11-14所示。

图11-14起重机工作范围图

第五节主厂房的布置

水电站主厂房是安装水轮发电机组及其辅