水电站设计毕业论文 水电站设计说明书
前言
本次水电站设计的主要目的是让同学们能熟悉水电站设计的基本步骤、方法。让我们对以前所学的水工建筑物课程中水电站做一个整体的了解，并能将以前所学的理论知识运用的实际工作中，由于本设计作者水平有限，所以设计中难免有不妥之处，请老师指出以便纠正和改进。
编者
2011/12/23
目录
前言 (1)
目录 (2)
基本资料 (4)
一、电站工程概况 (4)
二、流域概况 (4)
三、厂区地质 (4)
四、电站电器主线图见图2 (5)
五、JS电站水轮机选用机型： (5)
第一章、蜗壳、尾水管及主要机电设备选择 (6)
一、蜗壳 (6)
二、尾水管设计 (8)
三、水轮发电机组 (9)
四、调速器选择 (9)
五、起重设备的选择 (10)
六、主阀选择 (15)
第二章、压力前池 (16)
一、压力前池的作用 (16)
二、压力前池的布置形式及布置原则 (16)
三、压力前池的主要设备 (16)
四、压力前池布置设计 (17)
第三章、压力水管及机组调节保证计算 (19)
一、压力水管的作用于要求 (19)
二、压力水管的路线和布置形式选择及供水方式 (19)
三、压力水管的经济直径 (20)
四、附件 (21)
五、支撑结构 (21)
第四章、厂区及厂房布置设计 (26)
一、水电站厂房的功用 (26)
二、水电站厂房和厂区的组成 (26)
三、主厂房布置 (27)
四、副厂房的布置 (27)
五、变压器场和开关站的布置 (28)
六、尾水渠、交通线的布置及厂区防洪排水 (29)
第五章、厂房布置设计 (30)
一、立式机组地面厂房的设备布置 (30)
二、主厂房内附属设备和辅助设备的布置 (32)
三、安装间布置 (34)
四、厂内交通 (34)
五、厂房的采光、取暖、通风、防潮、生活卫生及保安与防火等问题 (34)
六、厂房各层高度和主要高程的确定 (35)
七、厂房长度的确定 (37)
八、主厂房宽度确定 (37)
第六章、水电站厂房施工 (39)
一、水电站厂房混凝土浇筑的分层分块 (39)
二、水电站厂房施工程序 (40)
三、厂房混凝土施工方案 (40)
四．施工质量控制方法和措施 (41)
总结 (44)
参考文献 (45)
基本资料
一、电站工程概况
JS水电站位于×省西部地区JS村西北，只是在L河上修建的第三级引水式水电站，该电站规划装机容量1300KW，最大水头为62m，最小水头36m，设计水头51m。引水渠全长约17.2Km，电站引水口位于长水，为谁泄入渡洋河，尾水渠长3.2Km，渡洋河供水不大，不影响电站尾水泄流。尾水渠为浆砌块石衬砌，比降为1/3000，始端渠底高程为283.96m，横断面尺寸见图1，初步估计当电站最大流量为32.8m3/s时，按均匀流计算得出正常水深为H=3.00m，则电站最高尾水位为283.96+3.00=286.96m。电站建成后，投入地方电力网运行，但在电力系统中所占比重不大。
JS水电站的前池水位为339.9m。
图1
二、流域概况
L河在长水以上属深山区，两岸基岩大部裸露，为震旦纪海底旦纪海底喷发火山岩系，长水以下为丘陵区，岩石出露减少，两岸有明显的海漫滩地及一、二级阶地，宽2～3Km。大部分为水浇地，是粮食产量较高地区之一。
三、厂区地质
电站厂房建在L河北岸一级阶地上，根据地质勘探资料，表层黄土层厚18～
22m，细微泥卵石厚5～8m，再下为砂砾石，岩石高程为277.35m地下水位为298.0m。
前池进水室和压力管道的地基均为粉质沙壤土，尾水渠地下水位较高，一般为287.0～288.0m，开挖较为费工。
四、电站电器主线图见图2
五、JS电站水轮机选用机型：
HL2200-LJ-140主要性能参数见表1.
表1 HL—220-LJ-140型水轮机设备主要参数
第一章、 蜗壳、尾水管及主要机电设备选择 一、蜗壳
1、蜗壳型式、作用
蜗壳分为金属蜗壳和混凝土蜗壳。
金属蜗壳由铸铁、铸钢或钢板焊成，适用于较高水头（H>40m ）的水电站和小型卧式机组。
混凝土蜗壳一般适用于水头在40m 以下的大流量水电站，因水头较大时，只用混凝土材料不满足抗渗要求，需要在混凝土中加钢板衬砌防渗，同时为满足强度要求还需在混凝土中布置大量钢筋，则造价高，不经济。此外，由于流量大，若采用金属蜗壳，由于蜗壳平面尺寸较大，可能会增加厂房尺寸，从而增加厂房投资，但混凝土蜗壳过水流条件比金属蜗壳稍差。 该水电站的设计水头Hp=51m>40m,故选用金属蜗壳。 2、蜗壳参数及尺寸的确定
蜗壳主要参数有：蜗壳包角、蜗壳断面形状和蜗壳进口断面流速。
（1）蜗壳包角e ?。以蜗壳鼻端（尾段）断面为起点到蜗壳进口断面（垂直于压力管道轴线的断面）之间的夹角e ?称为蜗壳的包角。
金属蜗壳由于过流量较小，蜗壳的外形尺寸对水电站厂房的尺寸和造价影响不大，故为了获得良好的水力性能，包角常采用345°。
（2）蜗壳的断面形状及其变化规律。金属蜗壳断面形状均为圆形。
（3）蜗壳进口断面平均流速Ve 。蜗壳进口断面平均流速Ve 是蜗壳水力计算中需要确定的一个重要参数，同流量下，流速大，断面尺寸小，但蜗壳中的水力损失大；流速小，断面尺寸大，电站投资增加，但其水力损失小。故应合理确定蜗壳进口断面平均流速。金属蜗壳进口断面平均流速Ve 可按下列经验公式确定。
p e e H K V = （1—1）
式中 Hp —水电站设计水头
Ke —流速系数，按图1-1查取。
图1—1
Hp （m ）
由表1—1可知Ke=0.95，故m/s)91
.65195.0V e （≈?=。 3、绘制蜗壳单线图 （1）求进口断面半径
e
e
0e V 360Q π?ρ =
（1—2）
式中 Q 0—水轮机设计流量； e ?--蜗壳包角；
Ve —进口断面流速。
/s m 134.15
.504.18.15H D H Q Q 32D
21=?=
=
设设‘
所以水轮机在设计水头下的实际流量为
/s m 87.15514.1134.1HP D Q Q 3
22110=??==‘
所以）
（m 84.091
.614.336034587.15V 360Q e e 0e =???== π?ρ （2）求C
JS 水电站所选水轮机型号为HL220型，D1=1.4m ，查表1得D a =241cm 所以r a =1.205m 则
191784.02205.1205.184.0205.1345
e 2ra ra e ra e
C =?+?-+=+-+=
）
（）（ρρ?
Ke
（3）求任意断面 由公式C
i
ra
2C
i
i ??ρ+=
，i 2ra ri ρ+=可得表1.1
二、尾水管设计
尾水管是反击型水轮机的重要组成部分，尾水管性能好坏直接影响水轮机的效率及其能量利用情况。
1、尾水管的作用
水能进攻转轮变为机械能后，从转轮流出排向下游的水体仍有一定的动能，此能量占水体总能量（进入转轮时）的比重因不同水轮机而异，高水头（H>100m ）水轮机小于10%，低水头水轮机能达到40%～50%。为了尽量利用这部分能量，而在水轮机转轮下部装一尾水管。尾水管作用如下： （1） 将通过水轮机的水流泄向下游；
（2） 转轮装置在下游水位之上时，能利用转轮出口与下游水位之间的势能； （3） 回收利用转轮出口的大部分动能。
一般地，以动能利用系数ηd 来表示尾水管利用转轮出口动能的相对数，又称为尾水管效率，它反映了尾水管性能的好坏，尾水管型式不同，其动能利用系数不同，差别比较大，一般为0.4～0.85。 2、尾水管的形式和尺寸
尾水管的型式有直锥型、弯管直锥型、弯曲型三种。 根据基本资料，可确定选用弯曲型尾水管。
此型式尾水管由锥管段、弯管段、水平扩散段三部分组成。此型式多用于大、中型水轮机。
根据转速：额定n N =375r/min ，飞逸n r =750r/min 可选取发电机型号为SF34-16/410，主要性能参数见下表。
1、机组台数与机型选择
设选用两台机组，发电机效率；η电=96%，则水轮机单机出力为
）（电KW 674396
.0213000
m Ny N =?==
η 计算效率修正值
对混流式水轮机H<150m.时，采用下式计算；ηmax ，其中D 1m =0.46m ， ηmmax =90%，。
51
1m
mmax max D D 11）
（ηη--= 所以%924
.146
.090.011D D 11511m mmax max =?--=--
=）（）（ηη 采用工艺修正值ΔηI =1%，则效率修正值为
Δη=ηmax-ηmmax-ΔηI =92%-90%-1%=1% Δη与原假设相符，ηmax=ηmmax+Δη=91%。 Q=N/9.81Hmax ηmax=6743/9.81/62/0.91=12.18m 3/s 反击型水轮机的调速功经验公式为
）（）（m N D H Q 250~200A 1max ?=
故 ）（m N 37.226951.46218.12200A ?=???=
式中 Hmax —水轮机的最大工作水头，m ；
Q —最大工作水头下水轮发电机出额定出力时的流量，m 3/s ；
D1—水轮机转轮的直径，m。
200～500—系数，高水头取200，低水头取250.
综上，调速功在10000～30000N·m，调速器为中型。
五、起重设备的选择
桥吊的起重量决定与厂房内设备的最重部件。中、高水头的水电站厂房内最重部件一般是带轴的发电机转子，低水头河床式水电站中有时可能是带轴的水轮机转轮；当主变压器需在场内检修时，主变压器也可能是控制性最重部件。桥吊主钩起重量应该起吊最重部件。副钩主要用于安装和检修一些下而轻的设备与部件。
由最重部件的型号选择。查《水电站动了设备手册》得出下列表。
表1--11
六、主阀选择 1、作用
主阀的作用是停机时减少机组漏水和缩短重新启动时间。 2、阀门的类型
主阀的型式有：闸阀、蝴蝶阀、球阀。
闸阀：由框架和面板构成的闸板，装在阀壳内成整体结构，闸板支撑于两侧的门槽中，用操作杆使其上下移动启闭。只适用于直径较小的压力钢管。
蝴蝶阀：简称蝶阀，由阀壳、支承在旋转轴上的阀盘及其他附件组成。优点是启闭力小，动作迅速，体积小，重量轻；缺点是水头损失较大，止水不宜严密。适用于管径较大、水头不很高的水电站。
球阀：外壳呈球形，与水管直径相同的管状活门和球面形挡水板构成了可旋转的阀体。优点是强度高，止水效果好，开启是无水头损失；缺点是结果复杂，体积大，造价高。
此次设计采用蝴蝶阀。
选蝶阀需要知道经济管径，经济管径的计算公式 可采用经济流速的数据选择管径，即
e
p
V Q 4D π=
式中 Qp —压力水管的设计流量； Ve —经济流速，明钢管和地下埋管为4～6m/s ，钢筋混凝土管为2～4m/s ，对坝内埋管，当设计水头为30～70m 时为3～6m/s ，设计水头为70～100m 时为5～7m/s 。
m/s 25
14.387
.154V Q 4D e
p
≈??==
π
当D=2m 时，Ve=4Q/3.14/D 2=4×15.87÷3.14÷22=5.05m/s 在4～6m/s 之间。所以符合要求。
蝶阀的具体参数见表1—12
第二章、压力前池
在引水渠到未满，将渠底加深，将渠道平面尺寸扩大，形成一水池，以便平稳水流和布置压力管道的进水口，此水池成为压力前池。
一、压力前池的作用
1、分配水量。将引水渠道中的流量均匀地分配给各压力水管，并设置闸门控制入压力水管的流量。
2、保证水质。再次拦截和清除水中的污物、泥沙、浮冰等，防止其进入压力水管。
3、限制水位升高，保证下游用水，宣泄多余水量。当下游有其他用水要求时，在电站停止运行的情况下，可以通过泄水建筑物向下游供水。
4、稳定水头，提高机组运行稳定性。压力前池有一定容积，当机组负荷变化引起蓄水量变化时，起一定的调节流量和反射水锤波的作用。
二、压力前池的布置形式及布置原则
压力前池有正向进水、侧向进水、斜向进水三种布置形式。
正向进水的特点是渠道、压力前池、压力水管的轴线相一致，这样水流平顺，水量分配均匀，水头损失小。但这种布置方式容易受到地形地质条件的限制，可能有较大的挖方，并且泄水道通常采用侧堰型式，因此只能在地形条件许可或在渠道跌水式电站中采用。
侧向进水的特点是渠道轴线垂直于压力管轴线，这时压力前池中水流偏向一侧，易于引起涡流，加大了水头损失，且转角处还可能形成死水区而使泥沙淤积。但可以适应地形条件，使渠线与等高线平行，而压力水管轴线与等高线垂直，减小开挖量。此时泄水道可做成正堰，对排水、排冰、排污均有利，且泄水道远离厂房，不影响厂房安全。
斜向进水是渠线与压力水管轴线斜交，这种布置在工程实践中采用较多，因为它比较能适应地形、地质条件，而水流开挖量、排污、排冰等条件都介于前述两者之间。
此处选择斜向进水。
三、压力前池的主要设备
压力前池的主要设备有拦污栅、检修闸门、工作闸门、通气孔、旁通孔、启
闭设备和清污机等。
1、拦污栅
压力前池的拦污栅的构造、作用等于潜没式进水口的拦污栅相同。拦污栅设置在进水室入口处的栅槽中，下端支承于防护梁上，防护梁与工作桥相连。拦污栅一般与水平面成70°～80°倾斜放置。可采用人工清污或机械清污，有时为吊出栅片清污或检修，又不影响电站的正常运行，可采取双层拦污栅。
2、检修闸门和工作闸门
检修闸门位于工作闸门之前，但可能位于拦污栅之前或之后，供检修拦污栅、工作闸门和进水室时堵水之用，一般为叠梁式或平板式闸门。
工作闸门的作用是压力水管，水轮机阀门或机组发生事故或检修时，用来关闭压力水管进口。另外，当电站长时间停机是，为了防止水轮机阀门漏水，也常关闭工作阀门。工作闸门一般采用平面定轮闸门，对于较重要的电站，长做成快速闸门，用电动螺杆或电动卷扬式启闭机操作。
3、通气孔和旁通管
通气孔应布置在仅靠工作闸门的下游面，其作用和截面面积的确定与潜没式进水口相同。其主要作用是在关闭闸门时向引水道补气，一填补流走水量形成的空间，从而防止引水道产生有害气体。其面积不宜小于引水道断面面积的5%。
旁通管布置在进水室的边墙和隔墩内，一般用闸阀控制旁通管可谓铸铁管，钢管或钢筋混凝土管。
4、启闭机
拦污栅和检修闸门可采用移动式启闭机，工作闸门则应每个进水室采用一台固定启闭机。为了将拦污栅和闸门吊出检修，需设置启闭机架和工作桥。
5、排沙设施
排沙孔应在前室的最低处设置，其进水口方向与管道的进水方向相同，两者分上下层排列，也可布置在前室最低处的一侧。
四、压力前池布置设计
1、前室（扩大加深段）
前室是引水渠道末端与进水室之间的扩大加深部分。主要作用是将渠道断面过渡至进水室所需的宽度和深度。应有一定的容积和水深，满足沉沙的要求，前室在平面上以β=10°的扩散角逐渐加宽。在立面上前室以1:3～1:5的坡度向下延伸，（此处取1:4），直至所需要的宽度和深度。为了沉沙、排沙，防止有害泥沙进
入进水室，前室末端底板高程应低于进水室底板高程0.5m 以上，当水中含沙量较大时，宜适当加大此高度。此处取0.5m 。
压力前池的宽度B 为进水室宽度B 进的1.0～1.5倍，其长度L=（2.5～3.0）B 。 2、进水室
进水室是压力前池的最主要组成部分，上游与前室相接，下游为埋设压力水管进口的压力墙。当布置两根以上的压力水管时，应以隔墩分成若干独立的进水室。且每一进水室都应设有拦污栅、检修闸门、工作闸门、通气孔、旁通管、工作桥 和启闭设备等。
（1）进水室最高水位Z max 。
Z 进=339.9m ，Z max =堰顶高程+最大溢流水深=339.9+0.05+1=340.95m （2）进水室最Z min 。
Δ渠底=336.4m Z min =引水渠渠底高程＋0.5m =336.4+0.5=336.9m 。 （3）进水室各部分高程确定5.2296.26.0D CV d 0=??==m 式中 D —压力水管直径，m ；
C —经验系数，取值在0.55～0.73之间，此处取0.6。 管顶高程=Z min -d 0=336.9-2.5=334.4m
进水管底板高程= Z min -d 0-D/cos α=336.9-2.5-2/cos0°=332.4m 压力前池围墙顶部高程=Z max +δ=340.95+0.8=342.2m b 进=（1.5～1.8）D=1.5×2=3m
B 进=nb 进+（n-1）d=2×3+（2-1）×0.5=6.5m 式中 d —隔墩厚度，m ，对于混凝土隔墩取0.5m ； n —压力水管根数，此处为两根。
（4）进水室的长度主要决定于拦污栅、检修闸门、工作闸门、通气孔、工作桥和启闭设备等的布置需要。对于小型电站，进水室的长度一般为3～5m 。此处取5m 。
综上，对于进水前池
宽度：B=1×6.5=6.5m ， 长度：L=3×6.5=19.5m
第三章、压力水管及机组调节保证计算
一、压力水管的作用于要求
压力水管是指从水库或水电站平水建筑物（压力前池或调压室）向水轮机输送水量的管道。它是水电站的重要组成部分，其特点是坡度陡，内水压力大，靠近厂房，且承受水击的动水压力，故又称为高压管道或高压水管。
压力水管的工用是输送水能。由于内水压力大，运行中可能爆裂，承受外压时则可能失稳。管道失事将危及厂房，因此压力水管的布置应适应所处地形地质条件，尽量缩短长度，降低水击压力，减小水头损失，与水库、前池、调压室及厂房应妥善连接，提高水电站运行的经济性。
二、压力水管的路线和布置形式选择及供水方式
1、压力水管路线的选择
（1）管线尽量短而直。这样不仅可节省工程量和钢材，较少投资，而且也减少水头损失和水击压力，有利于电站的稳定运行。
（2）管路沿线地质条件好。沿线应无活动地质构造，岩石力求坚硬完整，明管的镇支墩必须布置在坚实的基础上，避开可能产生滑坡或崩坍的地段，以防止因沉陷、滑动而造成管道破裂。地下埋管宜穿越岩质良好的岩层，避开山岩压力大、地下水位高和涌水量大的地段。
（3）明管路线应尽量避开山坡起伏大和其他危及管道安全的地段。应布置在山脊上，不应布置在山水集中的谷地，以免基础遭冲刷侵蚀而破坏。
（4）避免管道内产生局部真空。管顶应位于最低压力线以下至少2m；地下埋管应有足够的埋深，一般不宜小于0.4倍水头及3倍洞泾。坝体压力管道路线应考虑孔洞对坝体稳定和应力的影响，平面上应位于坝段中央，直径不宜大于坝段宽度的1/3。同时，应减少与大坝施工的干扰。
（5）管线倾角合适。明管路线倾角应满足施工安装要求；地下埋管倾角过大对施工不便，过小则出渣困难；此外应考虑施工支洞的不知方便。
2、压力水管的布置形式
压力水管向水轮机供水的方式可分为以下三种。
（1）单独供水
一根压力管只向一台机组供水，及单管单机供水。这种供水方式结果简单，水流顺畅，水头损失小，运行灵活可靠，其中一根水管或一台机组发生故障需要
检修是不影响其他机组运行，当管道较长是，工程量大，造价较高。适用于水头不高、流量较大、管长较短的情况。
（2）联合供水
由一根总管在末端分岔后向电站所有机组供水。这种供水方式的显著优点是可以节省管材，降低造价，多在高水头小流量的水电站中采用。其缺点是运行的灵活性和可靠性较单独供水方式差，当总管发生故障或检修时，将使电站全部机组停止运行，由于增加了分岔管、弯管等构件，结构上较复杂，且水头损失也较大。
（3）分组供水
每根主管在末端分岔后向两台或两台以上机组供水，及多管多机供水。这种供水方式的优缺点同联合供水方式相似，只是当每一根主管发生故障或检修是，不致造成电站所以机组停止运行。一般适用于管道较长、机组台数较多、需限制管径过大的电站。
压力水管的轴线与厂方相对方向可采用正向、侧向或斜向的布置。正向布置的优点是管线较短，水头损失也较小；缺点是当水管失事破坏时，水流直泄而下，危及厂方安全。这种方式一般适用于水头较低、水管较短的水电站。侧向或斜向布置时，当水管破裂后，泄流可以从排水渠排走，不致直冲厂房，但管材用量增加，水头损失也较大。
此次设计供水方式选用单独供水方式，轴线与厂房相对方向采用斜向。 三、压力水管的经济直径
对不重要的工程或缺乏可靠的技术经济资料时，可采用经济流速的数据选择管径，即
e
p
V Q 4D π=
式中 Qp —压力水管的设计流量；
Ve —经济流速，明钢管和地下埋管为4～6m/s ，钢筋混凝土管为2～4m/s ，对坝内埋管，当设计水头为30～70m 时为3～6m/s ，设计水头为70～100m 时为5～7m/s 。
m/s 25
14.387
.154V Q 4D e
p
≈??==
π