兩臺機組總裝機容量為5MW的水電站廠房設計方案目錄TOC\o"1-3"\h\u8119中文摘要（關鍵詞） IVPAGE18摘要本次畢業(yè)設計課題為牛欄江小菜園水電站廠房設計,其水電站為徑流式水電站,主要是用來水力發(fā)電。根據獲得的生產原材料和地質構造條件進行整體設計。核心內容包括廠房設備的選擇、廠房類別、渦輪類型、蝸殼尺寸、加固地基的計算、輔助構筑物的細節(jié)設計、電源設備的合理布置等。并根據特別要求繪制精細相應的原始結構圖和立面圖。該水電站為大中型水電站，以水力發(fā)電為主，同時兼顧下游引水灌溉。本次水電站的額定水頭為69.95m，單機容量為2.5MW，共有兩臺機組，總裝機容量為5MW。關鍵詞：水輪機；發(fā)電機；裝機容量；整體穩(wěn)定性1小菜園水電站廠房設計資料1.1基本資料會澤縣位于云南省東北部，曲靖市西北部。小菜園電廠位于會澤縣北部迤車鎮(zhèn)坪子村。電廠采用牛欄江排水系統發(fā)電。牛欄江現為河流中部和右側的第二條支流。電站位于大壩下游500米處，降雨量與壩區(qū)差小于2%。流域的平均高度是1651米。該地區(qū)側溝較少，河道較單一，河床很陡，切口較深，有的呈“v”字形。小菜園電站裝機功率500萬伏特，設計高度69.95米，設計要求容量為7.81立方米。建成后由兩條10KV輸電線路輸送，其中一條向會澤方向送出，傳輸距離12km。1.2水文氣象資料牛欄江的上坡以降雨為主，中坡以地下排水為主。這條河清澈透明。江底站排污口資料顯示，全年徑流分布不均勻，枯季排污口相對豐度較大?？菟跒槊磕?2月-4月，年排水量為10.1%;6~10月為雨季，全年82.9%的排水系統處于雨季。小菜園水庫的洪水主要來自降雨和地下水。秋天是從六月到九月，降雨和強度也增加了，導致洪水泛濫。區(qū)域洪水的特點是洪峰低，洪量小，洪水過程耗時數小時。年平均氣溫10.3℃，年平均最高氣溫19.0℃，年平均最低氣溫-0.3℃，絕對最高氣溫33.3℃，絕對最低氣溫-15.6℃，年平均溫差19.7℃。每年有130天沒有太陽，2952小時，5月最高，9月最低。1.3設計徑流設計流域無實測水文資料，鄰近水文站集雨面積太大，采用水文比擬法計算設計年徑流成果如下表所示：表1-1小菜園電站徑流計算成果表Q平均（m3/s）CvCs/CvQp（m3/s）P=20%P=50%P=80%1.1530.17921.2161.150.83參照江底站同頻率徑流年內分配，求得小菜園電站年設計徑流年內分配表：表1-2小菜園電站各代表年年內分配單位：m3/s代表年一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月全年豐水年0.370.370.470.741.322.163.072.762.111.750.870.551.36中水年0.360.350.400.521.201.832.182.122.411.560.780.461.15枯水年0.310.310.410.510.560.661.471.561.961.180.620.400.961.4洪水1.4.1設計洪水小菜園電站及壩區(qū)建筑物為五級、五級。根據規(guī)范選取的設計洪水標準為：壩區(qū)設計洪水20年一遇，校核洪水100年一遇；廠房設計洪水為30年一遇，校核洪水為50年一遇。電廠與壩區(qū)雨水收集面積相差不大，直接采用壩區(qū)洪水計算成果。根據1981年云南科技第四期發(fā)表經驗公式，云南河流年平均最大洪峰流量為:qcp=cf0.74p1-OK37由上式求得小菜園電站設計洪水成果如下表：表1-3小菜園電站設計洪水成果表Qm平均（m3/s）CvCs/CvQp（m3/s）P=0.18%P=0.97%P=1.98%P=3.27%P=4.90%P=9.97%P=19.81%29.10.213.552.0745.3744.0141.9840.237.234.01.4.2施工分期洪水中心C的建設期為5年1次，因此中心的建設期可參考峰值流量34.0m3/s。1.4.3水位流量關系為滿足設計要求，本次廠壩細節(jié)設計、對應水位水位等如下表：表1-4小菜園電站設計水位成果表單位：米交接斷面名稱規(guī)劃設計洪水校核洪水重現期水位變化重現期水位變化壩二十年一遇4105.85百年一遇4106.30廠房三十年一遇4026.85五十年一遇4027.001.5泥沙根據實測泥沙資料和周邊地區(qū)平均輸沙模量等高線，選取80t/km2水電站壩址以上平均輸沙模量，估算小菜園中心區(qū)多年平均輸沙量。數量是0.64×104。采用推懸比法計算地基沉降量。推懸比為0.2，動力中心土體總沉降為0.13×10t小菜園電站多年來中心的平均總沉積物量是0.77×10t。1.6工程地質條件1.6.1區(qū)域地質牛欄江干流沿西南方向流入金沙江。該地區(qū)邊溝較少，河道相對簡單，河床較陡，切深，斷面呈“v”字形。河床以砂巖綜合接觸為主，東西寬約數十~150公里，南北長約500公里。由于落基山脈的巨大溫差，物理和地質過程受到排斥、剝蝕和侵蝕的強烈影響。深谷兩邊的梯田不完整，地面很陡。地震、崩塌、泥石流等物理地質過程發(fā)育良好。巖石裂縫的形成主要受區(qū)域構造和裂縫發(fā)育程度的影響和控制。1.6.2壩址區(qū)工程地質條件壩區(qū)河谷狹窄，河道彎道長陡。這條河自東向東南流?？菟诤哟矊挾燃s為6~7m。它由全新世河床沖積層(alq4)組成，巖性為巖石圈。據估計，它的厚度超過5米。左邊是河床上的坡度和地貌。右邊是一個巖石斜坡。山坡上沒有植被覆蓋，巖石清晰可見。巖體較為完整，沖擊坡、斜坡、泥石流等不良構造面上不存在大斷層、溝壑和不良地質構造。1.6.3引水渠道工程地質引水渠總長1206,74米。全線地形受巖質邊坡地形控制。曲面是四分之一邊坡的剩余層，主要由粘土、砂土和孤立礫石組成，厚度為0.5~1m。下伏基巖為上、中石炭統（C2-3）。巖性以砂巖為主，砂巖、泥巖、泥巖為主，砂巖、砂巖為主。巖體較為完整，邊坡上不存在大裂縫、不穩(wěn)定的地質結構組合等不利結構面。1.6.4廠址區(qū)工程地質條件(1)前池遠景區(qū)為石炭紀。巖性以砂巖、板巖為主，混有灰?guī)r和泥巖，以砂巖、板巖為主。巖漿巖較為完整，附近沒有大裂縫、不穩(wěn)定的地質構造組合等不良構造面。(2)壓力管道壓力管道地形為基巖斜坡。梯度是35度到40度，梯度是均勻的。巖體相對完整，沒有其他不利的物理地質現象(地震、泥石流、松塌堆積等)。，內部邊坡穩(wěn)定，工程地質條件良好。(3)廠房及尾水整個地貌是河床上的巖臺。主要是砂巖。巖體較為完整，受力部位附近不存在大斷層等不良構造面和不穩(wěn)定的地質構造組合。1.6.5天然建筑材料項目區(qū)附近分布著許多不同的天然建材，基本可以滿足工程建設的需要。1.7工程規(guī)模1.7.1電站保證出力電廠設計凈化水頭69.95m，輸出系數a=8,0c較高的電廠保證輸出為:例如，AHQ=8×69.95×0.45=251.8(kw).1.7.2裝機容量小菜園電站為無調節(jié)電站，在旱季需要盡可能多的電力，因此在保證電力的1.5倍內建電更為合適。根據供電負荷及各種因素，裝機容量250kw，安裝設備數量1臺。多年來，平均用電量為120萬千瓦，而中心的裝機容量為8400小時。2工程布置及建筑物2.1工程選址本項目是為解決迤車鎮(zhèn)居民基本用電量問題而建的小型電廠，規(guī)模小，電網隔離。為了縮短輸電線路，減少工程投資，降低電力消耗，簡化工程管理，在選擇工程選址時必須考慮河道的自然條件和電力中心與負荷中心的距離。2.2廠區(qū)建筑物（1）廠房工廠的地基建在淡水土壤上，并以“一”的形式沿河岸而存在。車間安裝1臺0.25MW水輪發(fā)電機組。水輪發(fā)電機安裝高度為4029.95，主機室地面高度為4029,50m。（2）主變場主變壓器安裝完成后，車間地面高度為4029.30m。（3）進廠公路項目區(qū)域由一條簡單的道路連接，而進入工廠的道路需要鋪設新的200米長的泥巖才能與鄉(xiāng)村道路相連。（4）尾水渠及防洪堤廠房、升壓站和進廠路都鋪在新鮮完整的巖石上。設備安裝高度大于最大洪水水位。因此工廠整個軸線工程不需要建防洪墻，只需要一定的護坡來保護巖面，砌筑采用M5-OK0水泥砂漿。本工程沒有尾石通道，只需要清洗尾石即可。3水輪機的選擇3.1設計參數水電站設計水頭HR=69.95m，裝機容量5000kW。原設計安裝兩臺機組，即單機容量為2500千瓦。3.2水輪機型號初選根據水電站設計水頭和機組容量，HL220、HL160、HL110型水輪機更適合使用。3.3水輪機參數選擇3.3.1HL220型(1).轉輪直徑D1計算有限條件下的直流電源Q1'=1.15m3/s,效率ηm汽輪機額定功率:Nr=ND1選擇較大的公稱內徑D1(2).轉速n的計算最佳條件下的單位轉速控制n10'=71r/min,基本假設nn=(3).效率及單位參數修正最佳條件的最高效率為ηMmax=91%,為模型直徑ηmax則效率修正值Δη=99%?91%=8%.取ξ=6%，效率修正值η在最佳和有限條件下的效率為2%，則ηmax單位轉速的修正值計算：Δ因為Δn1'n10m(4).工作范圍檢驗水輪機在Nr、Hav下工作時，Q1Q則水輪機的最大引用流量Q設計水頭Hrn與最優(yōu)工況模型下的機組轉速基本一致，所選參數是可行的。（5）.吸出高度Hs根據渦輪的設計參數，空化系數約為0.133。通過查表可以得到空化修正系數，從而得到渦輪的吸聲高度，如下圖所示：HH所以不滿足要求。3.3.2HL160型(1).轉輪直徑D1計算Q1'=0.67m3/s,ηm水輪機的額定出力Nr=ND1選擇較大的標稱直徑D1(2).轉速n的計算最優(yōu)工況下的單位轉速n10'=67r/min,則設nn=選擇偏大的同步轉速n=630r/min(3).效率及單位參數修正最優(yōu)工況下的最高效率為ηMmax=91%,模型的轉輪直徑為ηmax則效率修正值Δη=99%?91%=8%.采取ξ=6%，得效率修正值η在最佳和有限條件下的效率為2%，則ηmax單位轉速的修正值計算：Δ因為Δn1'n10m(4).工作范圍檢驗水輪機在Nr、Hav下工作時，Q1Q則水輪機的最大引用流量Q設計水頭Hrn,與最優(yōu)工況模型下的單位轉速基本吻合，所選定的的參數D1（5）.吸出高度Hs根據渦輪的設計參數n1rHH3.3.3HL110型(1).轉輪直徑D1計算Q1'=0.38m3/s,ηm水輪機的額定出力Nr=ND1選擇較大的標稱直徑D1(2).轉速n的計算最優(yōu)工況下的單位轉速n10'=61.5r/min,則假定nn=選擇偏大的同步轉速n=450r/min(3).效率及單位參數修正ηMmax=90.4%,模型轉輪直徑ηmax則效率修正值Δη=99%?90.4%=8.6%.采取ξ=6%，得效率修正值η=在最佳和有限條件下的效率為2%，則ηmax單位轉速的修正值計算：ΔΔn1'n10m(4).工作范圍檢驗水輪機在Nr、Hav下工作時，Q1Q則水輪機的最大引用流量Q設計水頭Hrn,與最優(yōu)工況模型下的單位轉速基本吻合，所選定的的參數D1（5）.吸出高度Hs由水輪機設計工況參數n1r'=61.5r/min,HH3.4水輪機方案比較序號對比項目方案一：HL160方案二：HL1101水頭范圍的推薦使用值45～12020～1802最優(yōu)單位轉速n6761.53單位流量最優(yōu)值Q5803134在限制工況下的效率值η8986.85氣蝕系數0.0650.0556各水輪機轉輪直徑D0.91.137轉速n(r/min)68.1562.778最高效率η9190.410對應機型的額定出力N2600260010引用流量最大值Q4.134.0511吸出高度H-0.460.241從表中可以看出，方案2的轉輪直徑比方案1更合適，首先確定hl160-lj-450型渦輪。3.5蝸殼計算采用金屬蝸殼，斷面包角f=345°。蝸殼進口出口流量：QQmax蝸殼進口斷面設計流速：V即蝸殼進口斷面面積：F斷面半徑：ρ金屬蝸殼環(huán)座外徑Da=3.4m,則R=對蝸殼任一斷面，QρR蝸殼斷面半徑隨角度的變化：包角f斷面半徑ρR（米）斷面流量Q（立方米）3450.2192.1373.963000.2122.013.442550.2031.892.932100.19071.7132.391650.17811.5691.8891200.1481.4082.179750.1211.230.86300.0971.040.343.6尾水管形式及主要尺寸確定本電站尾水管尺寸參數肘管形式適用范圍h/L/BDhLh標準混凝土肘管混流式D2.64.52.721.350.6751.821.22本電站尾水管尺寸參數參數DhLBDhLh標準2.05.29.05.442.71.353.642.44為了減少轉彎處的分流損失和渦流損失，將彎管出口做成縮徑段，并減小了縮徑段的高度和寬度。高寬比約為0.25，彎管進出口面積比約為1.3。所以，外壁半徑R6=1.0×2.7=2.7m,內壁半徑混凝土彎肘型尾水管示意圖3.7調速器選擇根據《NBT35011-2016水電站設計規(guī)范》選用T-100控制器。機架尺寸為800×800mm，底板尺寸為1200×150mm。4水輪發(fā)電機選型本設計為中小型水電站，采用中小型機組，立式SFW250-10/850型發(fā)電機。表2-2發(fā)電機的主要參數總裝機容量(KW)有功功率額定電流額定容量（KVA）25000.840031504.1水輪機主要尺寸估算1.極距τ：τ=SfP：磁極對數（10）Kj：取2.定子內徑DiD3.定子鐵心長度ItID所以采用懸式水輪發(fā)電機。4.定子鐵芯外徑DaD則取Da4.2外形尺寸估算1.平面尺寸估算（1）.定子機座外徑D1因為n所以D（2）.風罩內徑D2因為S所以D（3）.轉子外徑Dδ:所以D（4）.下機座最大跨度D4D式中D5為水輪機基坑直徑，?。?）.推力軸承外徑D6、勵磁機外徑D7選擇《水輪發(fā)電機設計規(guī)范》D4.3軸向尺寸估算1.定子機座高度h1neh2.上機架高度h2對于懸式承載機架h3.h3、h4、h6h3=1000mm,h4=1500~1800，這里取1700mm，其中機架高500~4.下機架高度h7懸式非承載機架h5.懸式非承載機架h6.h9取h7.轉子磁軌軸向高度h10有風扇時，h8.發(fā)電機主軸高度h11h9.h12h4.4水輪發(fā)電機重量估算1.發(fā)電機總重量Gf(t)GK12.發(fā)電機轉子重量一般按發(fā)電機總重量的一半估算，則G=3.發(fā)電機飛輪力矩CK2DiIt：定子鐵芯長度5廠房尺寸確定5.1主廠房長度的確定5.1.1蝸殼層LLLδ1R1R25.1.2尾水管層LLδ2B55.1.3發(fā)電機層發(fā)電機直徑6.5m，定子高度1.1m，機匣外徑7m，相鄰通道間距2m。，則L0得到了計算結果，并取了除渦輪葉片、抽油管、發(fā)電機定子、定子架外的單元段長度L0安裝間長度L5.1.4主廠房的長度機組段長度L1LL+xL?x主廠房長度為L=2?11+16.5+2+4?2+5.5=54m5.5m為門廳間長度。5.2主廠房寬度的確定5.2.1上游側寬度B式中3.5m為風罩半徑；3.56設備必需距離。5.2.2下游側寬度B式中3.5m為風罩半徑；1.6m為走廊過道寬度。5.2.3主廠房凈寬B=式中B——基礎開挖凈寬；BxBs根據廠房內通信信號設備與復合結構的需要，廠房凈寬定為12.16m。6控制高程的確定6.1水輪機安裝高程的確定?考慮到水力不穩(wěn)定和電廠長期低負荷的可能性，所以將水輪機安裝高程降低至4025m。Hsb06.2尾水管底板高程的確定?h:尾水管高度6.3主廠房基礎開挖高程?h1:尾水管底部澆筑混凝土厚度6.4水輪機層地面高程?R：蝸殼進口斷面半徑h0這里水輪機地面高程取較大值4026.5m。6.5發(fā)電機裝置高程?hjrghjrh6.6發(fā)電機層地面高程?h26.7吊車安裝高程的確定?h3h4h5h6h7吊車安裝高程?6.8屋頂高程的確定?h8h9h10由于沒有實際數據，請參考借鑒類似電站的設置位置。三者之和為2.0m，即轉換生成的檐口高度?所以屋頂高程數據取較大值4041m。7廠房布置設計廠房橫剖面圖廠房平面布置圖7.1發(fā)電機層設備布置（1）機旁盤通過與調速器在同側布置，配合速度控制柜河下層接力器。（2）勵磁盤為控制勵磁機運行而設置，放在機組下游側。（3）蝶閥孔如果安裝了汽輪機用蝶閥，必須在發(fā)電機底板的安裝空間內進行保養(yǎng)，以便維修安裝，因此需要保持發(fā)電機底板及其相關部件上的懸掛孔。在設計過程中，還可以在副樓頂部設置蝶形握把，從而減小主樓的寬度。但是蝶閥的升降需要一套升降設備，操作管理不便。（4）樓梯樓梯凈寬1.2m，考慮空間布局。廣泛應用于單、雙、轉角樓梯。樓梯必須有規(guī)律地布置，每兩個單元有一個樓梯。從發(fā)電機地面到汽輪機地面有兩個樓梯，位于主樓的兩端。對操作人員進行汽輪機地面的檢查、控制和事故的及時處理具有十分重要的意義。（5）交通道不同設備之間的距離為2.0米，以保證操作和維護。（6）水輪發(fā)電機考慮到上游設計最大水位較高，電廠認可的埋地式頂架型式較好。發(fā)電機層平面結構示意圖7.2水輪機層設備布置主要設備布置如下:總督的交流接觸器，處于轉換開關柜下方，此處鋼筋混凝土底板最大。電氣設備布局。所述排氣孔位于所述渦輪層的上方，所述電纜位于所述渦輪層的下方。渦輪葉片潮濕，對電纜不利。在發(fā)電機出口處安裝導軌防護網。主干道寬度不小于1.2m~1.6m，此處設置為1.5m，增壓器墻體必須開孔。約2.0米，也設為1.5米。水輪機層平面結構示意圖7.3蝸殼層布置主閥可安裝固定在廠外，可操作性強、運作管理和安裝固定，但會增加工作面積的寬度。為了便于拆卸，伸縮接頭必須安裝在主閥門的上游。主閥安裝在主閥上，控制設備安裝在附近。底部砌塊結構必須有通向螺殼的門和拉管。它的直徑是60cm，大小是1×1m。電站螺殼下，上下游設有1m的檢查旋轉庫。它既是操作人員進入螺殼拉線檢查的通道，也是位于電廠最底層的通道集水區(qū)。既要適應運行中的泄漏，又要保證設備維護時的水的收集和排放。排水室位于集水區(qū)頂部，樓梯、電梯井與機器相連。發(fā)電廠的水管往下游。7.4廠內交通布置主樓發(fā)電機底板下游側有一條寬2.0米的排水溝。發(fā)電機地面與水輪機地面之間有三層樓梯，其中兩層通往發(fā)電機地面輔助車間二層走廊，一層通往安裝場地與大廳之間輔助車間三層走廊。7.5副廠房的布置設計（1）副廠房的規(guī)模與位置低壓配電板位于主變壓器與發(fā)電機之間，其實際高度在公共設施的建設中與發(fā)電機地板同一水平面。入口通道寬3.0米，位于小房間的下游一側。（2）副廠房的平面布置中控室:內部結構高4.8m，長13.8m，寬6.5m，面積范圍89.7m2。集纜室：位于中控室底部結構，長10米，寬6.5米，面積范圍65平方米。房間里只有通信線纜和鋼支柱，所以區(qū)域布局很簡單。內部格柵高為3.2m。開關室：交流室長10.8m，出線口長1.8m。為了自然通風。8廠房整體穩(wěn)定和應力計算8.1自重這個工廠的總體重量估計在870噸左右。8.2靜水壓力換流站主要承擔下游靜水壓力。根據水利工程和水利工程中的相關公式：廠房結構設計洪水位時的平均深度：h廠房校核洪水位時的平均深度：h（1）設計洪水位時動水壓力P1為：Pγ2：水的標準容重，h1B:一個機組段的橫向長度，m（2）校核洪水位時靜水壓力P2為：P8.3揚壓力一般來說，導流板的上游壓力是下游尾水位的頭部，所以只考慮浮力。計算方法如下：U=U：動水壓力，t；γ2：水的干密度，H2L：廠房基底有效寬度，m；B：一個機組段的縱向間距，m。（1）廠房處于設計洪水位時，U（2）廠房處于校核洪水位時U8.4土壓力主動土壓力的計算按下式：PZ：廠房處基腳埋深，mγ'：土的容重，由資料得KaK根據資料查得φ=29°。則，廠房上游側的主動土壓力為：P廠房下游側的主動土壓力為：P8.5地震慣性力地震慣性力按下式計算：FF2KHCZf：地震慣性力系數，取1.3；W：設備總重，t。8.6地震動水壓力地震動水壓力可按下式計算：Fγ2：水的容重，H1F3（1）廠房處于設計洪水位時，F（2）廠房處于校核洪水位時，F8.7地震土壓力地震土壓力按下式計算：FCeP：靜土壓力，t；F4Φ：土壤的內摩擦角。根據上述計算結果，主動地壓分別為電站潮流側和潮流側：PP帶入計算得上游側動土壓力：F下游側動土壓力：F由于風壓比其他負荷小，可以忽略不計。據資料顯示，年平均最低氣溫為1.9，不滿足冰層的壓力。此外，本設計不考慮溫度負荷。8.8荷載組合不同的穩(wěn)定計算8.8.1正常運行工況此時下游水位按正常水庫容積公式計算，即4029.5m。（1）抗浮穩(wěn)定性驗算：根據公式KKf：抗浮穩(wěn)安全穩(wěn)定性，W1U：滲透流速總和（2）整體抗滑結構計算分析：按下列和公式：K=K：整體抗滑邊坡系數；W2P：荷載斜斬分值，噸；f：接觸應力的抗剪摩擦阻力。根據上述計算可得：WP帶入上式得K=8.8.2非常運行工況此時以校核洪水位計算，即4027m，（1）抗浮穩(wěn)定計算：K（2）整體抗滑穩(wěn)定計算：WP將數據帶入上式：K8.8.3地震情況此時按照正常尾水位計算，并計入水平地震力。（1）抗浮穩(wěn)定計算：根據上述計算可得：K（2）整體抗滑穩(wěn)定計算：WP=22.0?286.89+286.89+631.16?631.16+2.45+2.68=27.13t帶入公式K8.8.4計算結果廠房整體穩(wěn)定計算成果表計算工況抗浮系數抗滑系數KfK正常運行3.2532.01機組檢修3.2524.6