【正文】 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 水電站廠房是水電站主要建筑物之一，是將水能轉(zhuǎn)換為電能的綜合工程設(shè)施。廠房中安裝水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和各種輔助設(shè)備。通過能量轉(zhuǎn)換，水輪發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能，經(jīng)變壓器、開關(guān)站等輸入電網(wǎng)送往用戶。所以說水電站廠房是水、機(jī)、電的綜合體，又是運(yùn)行人員進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的場所。其任務(wù)是滿足主、輔設(shè)備及其聯(lián)絡(luò)的線、纜和管道布置的要求與安裝、運(yùn)行、維修的需要；為運(yùn)行人員創(chuàng)造良好的工作條件；以美觀的建筑造型協(xié)調(diào)與美化自然環(huán)境。 水電站廠區(qū)包括： （ 1）主廠房。布置著水電站的主要?jiǎng)恿υO(shè)備（水輪發(fā)電機(jī)組）和各種輔助設(shè)備的主機(jī)室（主機(jī)間）， 及組裝、檢修設(shè)備的裝配場（安裝間），是水電站廠房的主要組成部分。 （ 2）副廠房。布置著控制設(shè)備、電氣設(shè)備和輔助設(shè)備，是水電站的運(yùn)行、控制、監(jiān)視、通訊、試驗(yàn)、管理和運(yùn)行人員工作的房間。 （ 3）主變壓器場。裝設(shè)主變壓器的地方。電能經(jīng)過主變壓器升高到規(guī)定的電壓后引到開關(guān)站。 （ 4）開關(guān)站（戶外高壓配電裝置）。裝設(shè)高壓開關(guān)、高壓母線和保護(hù)措施等高壓電氣設(shè)備的場所，高壓輸電線由此將電能輸往用戶，要求占地面積較大。 由于水電站的開發(fā)方式、樞紐布置、水頭、流量、裝機(jī)容量、水輪發(fā)電機(jī)組形式等因素，及水文、地質(zhì)、地形等條件的 不同，加上政治、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)及國防等因素的影響，廠房的布置方式也各不相同，所以廠房的類型有各種不同的劃分，例如按機(jī)組工作特點(diǎn)可分為立式機(jī)組廠房、臥式機(jī)組廠房。 根據(jù)廠房在水電站樞紐中的位置及其結(jié)構(gòu)特征，水電站廠房可分為以下三種基本類型： 1. 壩后式廠房。廠房位于攔河壩下游壩趾處，廠房與壩直接相連，發(fā)電用水直接穿過壩體引人廠房。 2. 河床式廠房。廠房位于河床中，本身也起擋水作用，如廣西西津水電站廠房。若廠房機(jī)組段內(nèi)還布置有泄水道，則成為泄水式廠房（或稱混合式廠房）。 3. 引水式廠房。廠房與 壩不直接相接，發(fā)電用水由引水建筑物引人廠房。當(dāng)廠房設(shè)在河岸處時(shí)稱為引水式地面廠房。 水電站廠房是專門的水工建筑物 ,它具有一般水工建筑物的共性 ,故其設(shè)計(jì)有以蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 下的特點(diǎn) : （ 1）廠房內(nèi)安裝水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組和輔助設(shè)備 ,以及控制操作和進(jìn)行量測的設(shè)備 ,主要任務(wù)是發(fā)電 ,所以廠房設(shè)計(jì)必須保證機(jī)電設(shè)備的安全運(yùn)行和提供良好的維護(hù)條件。 （ 2）水電站廠房是水工、機(jī)械和電機(jī)以及自動(dòng)控制、電子設(shè)備的綜合體 ,在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行中 ,必須把幾個(gè)方面配合好 ,使綜合體優(yōu)化。 （ 3）水電站廠房設(shè)計(jì)應(yīng)力求緊湊和簡單 ,使建筑 上美觀 ,運(yùn)行方便 ,而不求豪華。 （ 4）廠房內(nèi)運(yùn)行管理人員應(yīng)力求精簡 ,應(yīng)保證他們有良好工作條件和衛(wèi)生環(huán)境。 （ 5）水電站廠房多建在偏僻地區(qū) ,而機(jī)電設(shè)備一般既大又重 ,所以必須有較好的對外交通運(yùn)輸條件。 （ 6）設(shè)計(jì)水電站廠房時(shí) ,要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦?、地質(zhì)和水文條件 ,既考慮安排好壓力輸水管的進(jìn)水和尾水管的出水條件 ,又要考慮到廠房與變壓器和開關(guān)站在布置上的配合要求。 由上述特點(diǎn)可見 ,水電站廠房設(shè)計(jì)是比較復(fù)雜的 ,其中最關(guān)鍵的是要選擇好水輪發(fā)電機(jī)組 ,即要盡可能選用轉(zhuǎn)速高、尺寸小、重量輕的機(jī)組 ,因?yàn)閺S 房尺寸和起重設(shè)備的規(guī)模等都是隨著機(jī)組的尺寸而定的。對于一般的地面式廠房 ,選擇合適的吸出高度也是非常重要的。而且 ,全廠的機(jī)組臺數(shù)不宜太多。總之 ,在設(shè)計(jì)中要做多個(gè)比較布置方案 ,進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行管理綜合比較 ,以選擇確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第一章 水電站廠房的位置及形式選定 第一節(jié) 水電站廠房的選擇 根據(jù)報(bào)告審查會(huì)決定采用鋼筋混凝土面板堆石壩為壩型，選中壩址建壩。左岸河岸式溢洪道，右岸長隧洞引水，在桐子營大橋以下 420 米處河道右側(cè)建岸邊廠房的樞紐總體布置方案。通過工程所在地區(qū)水文、 地質(zhì)、地形、地貌構(gòu)造，初步擬定在桐子營大橋以下 420 米處，靠近貢水河的右岸桔園處建設(shè)廠房，采用引水式廠房布置形式，通過有壓隧洞引水。選此處是因?yàn)樵摰貐^(qū)位于角礫巖、粉砂巖巖基上，地基比較好，地勢平坦、開闊，廠房容易布置，從而工程開挖量小，交通便利，可節(jié)省材料和費(fèi)用，便于工程的施工，另外，該地區(qū)靠近汞水河，從而比較容易泄水。 第二節(jié) 廠房布置方岸的選定 方岸一：主廠房位于桔園平坦處，副廠房位于主廠房上游一側(cè)，升壓站緊接副廠房，尾水渠布置在主廠房下游，斜對河岸。這個(gè)方岸的優(yōu)點(diǎn)是（ 1）基礎(chǔ)開挖幾劈坡工程量小 。（ 2）尾水出口與河道斜交，免受下泄洪水的頂托。（ 3）升壓站緊接副廠房，縮短了引出線的長度。 方岸二：副廠房位于主廠房的兩側(cè)，位于進(jìn)廠公路的一側(cè)，升壓站位于主廠房的左側(cè)，尾水渠布置在主廠房的下游。這個(gè)方岸的優(yōu)點(diǎn)是（ 1）靠近公路，交通便利。（ 2）升壓站遠(yuǎn)離副廠房，延長了引出線的長度。 對于上述兩個(gè)方岸的比較，可以得出結(jié)論：方岸一，工程量小，主副廠房布置緊湊，廠區(qū)布置合理，雖有一些不足之處，但較方案二是利多弊少，故采用方案一。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第二章 下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與布置 第一節(jié) 水輪機(jī)的計(jì)算 一、水輪機(jī)型號及主要參數(shù)選擇： 1. 水電站最大水頭 maxH =，設(shè)計(jì)水頭 rH =，加權(quán)平均水頭avH = rH =, 最小水頭 minH =，裝機(jī)容量為 24MV，初步布置 2 臺機(jī)組， 則單機(jī)容量為 12MV。 2. 水輪機(jī)型號選擇 根據(jù)該水電站的水頭變化范圍 ~,在水輪機(jī)系列型譜表 34，查出合適的機(jī)型有 HL230 和 HL220,現(xiàn)將這兩種水輪機(jī)作為初選方案，分別求出其有關(guān)系數(shù)，并進(jìn)行分析。 水輪機(jī) HL230 型水輪機(jī)方案的主要參數(shù)選擇 （ 1）轉(zhuǎn)輪直徑 1D 計(jì)算 查表 36 可得 HL230 型水輪機(jī)在限制工況下的單位流量 39。1Q =1110L/S= 3m /s,效率m? =%，由此可初步假定原型水輪機(jī)在該工況下的單位流量 39。1mQ = 39。1Q = 3m /s,效率? =%，設(shè) gr? =97% 水輪機(jī)的額定出力 rN = grgrN? = =12371KW,上述的 39。1Q 、 ? 和 rN =12371KW、 rH =代入式 1D =39。 rrrNQ H H ?= 123719 . 8 1 1 . 1 1 5 0 . 4 5 0 . 4 8 6 %? ? ? ?= ﹙ ﹚ 選用與之接近而偏大的標(biāo)稱直徑 1D = （ 2）轉(zhuǎn)速 n 的計(jì)算 查表 34 可得 HL230 水輪機(jī)在最有工況下單位轉(zhuǎn)速 39。10n =,初步假定39。10mn = 39。10n =, 將已知的 39。10n 和 avH = ， 1D = 代入式n= 39。11nHD = 71 ? =,選用與之接近而偏大的同步轉(zhuǎn)速 n=300r/min. ﹙ ﹚ HL230 型 水輪機(jī)在 最優(yōu)工況下的模型最高效率為 maxM? =%，模型轉(zhuǎn)輪直徑為蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 1MD =，根據(jù)式 314 可得原型效率： max? =1? ?5 1m ax11 mM DD?? =1? ?5 041 07 ? =% ﹙ ﹚ 則效率修正值為 ? =%%=%. 考慮到模型與原型水輪機(jī)在 制造工藝質(zhì)量上的差異，常在已求得的 ?? 值中再減去一個(gè)修正值 ? 。先取 ? =%，則可得效率修正值為 ?? =%，由此可得原型水輪機(jī)在最優(yōu)工況和限制工況下的效率為 m a x m a x % % %M? ? ?? ? ? ? ? ? 8 5 .2 % 0 .8 % 8 6 .0 %M? ? ?? ? ? ? ? ? （與上述假定值相同） 單位轉(zhuǎn)速的修正值按下式計(jì)算： ? ?39。39。1 1 0 m a xm a x / 1mMnn ??? ? ? ﹙ ﹚ 則 39。139。10mnn?=? ?m a x m a x/ 1 0 . 9 1 5 / 0 . 9 0 7 1 0 . 4 4 %M?? ? ? ? ? 由于 39。39。1 10/ 3. 0%mnn? ? ? ，按規(guī)定單位轉(zhuǎn)速可不加修正，同時(shí)單位流量 39。1Q 也可不加修正。 由上可見原 假定的 ? =86%、 39。39。11m? 、 39。39。10 10mnn? 是正確的，那么上述計(jì)算及選用的結(jié)果1 ? ， 300 / minnr? 是正確的。 在選定 1 ? ， 300 / minnr? 后，水輪機(jī)的 39。1maxQ 及各特征水頭相對應(yīng)的 39。1n 即可計(jì)算出來。水輪機(jī)在 ,rrHN下工作時(shí)，其 39。1Q 即為 39。1maxQ ，故 39。1maxQ =221 123719 .8 1 9 .8 1 2 5 0 .4 5 0 .4 0 .8 6rrNrD H H ? ? ? ? ? ?= 3m /s ﹙ ﹚ 則水輪機(jī)的最大引用流量為 39。 2 2 31 m a x 1m a x 1 .0 2 4 2 5 0 .4 2 9 .0 8 /rQ Q D H m s? ? ? ? ? 與特征水頭 max min,HH和 rH 相對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速為 39。 11 m inm a x3 0 0 2 7 3 . 9 2 / m in6 5 . 8 9nDnrH ?? ? ? ﹙ ﹚ 39。 11 m a xm in3 0 0 2 1 0 0 . 4 23 5 . 7nDn H ?? ? ?r/min 39。 11 3 0 0 2 8 4 .5 2 / m in5 0 .4rrnDnrH ?? ? ? 在 HL230 型 水 輪 機(jī) 模 型綜 合 特性 曲 線圖 上分 別 繪出 39。1max 10 24 /Q L S? ，39。39。1 m a x 1 m in10 0. 42 / m in, 73 .9 2 / m inn r n r??的直線，這三根直線所圍成的水輪機(jī)工作范圍（圖蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 中陰影部分）基本上包含了該特性曲線的高效率區(qū)，所以對于 HL230 型水輪機(jī)方案，所選定的參數(shù) 1 ? ， 300 / minnr? 是合理的。 sH 計(jì)算 由水輪機(jī)的設(shè)計(jì)工況參數(shù) 39。1rn =, 39。1max 10 24 /Q L S? ,在圖上可查得相應(yīng)的氣蝕系數(shù)約為 ?? ，并在圖 226 上查得氣蝕系數(shù)的修正值約為 ??? ，由此可求出水輪機(jī)的吸出高度為： 5901 0 ( ) 1 0 ( 0 . 1 7 0 . 0 2 5 5 0 . 4 0 . 4 8 4 . 09 0 0 9 0 0sH H m m???? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?） ﹙ ﹚ 可見 HL230 型水輪機(jī)方案的吸出高度滿足電站要求。 二、水輪機(jī) HL220 型水輪機(jī)方案的主要參數(shù) 選擇 1. 轉(zhuǎn)輪直徑 1D 的計(jì)算 查《水力機(jī)械》可得 HL220型水輪機(jī)在限制工況下的單位流量 39。1Q =1150L/S= 3m /s,效率 m? =%，由此可初步假定原型水輪機(jī)在該工況下的單位流量 39。1mQ = 39。1Q = 3m /s,效率 ? =%，設(shè) gr? =97% 水輪機(jī)的額定出力 rN = grgrN? = =12371KW 上述的 39。1Q 、 ? 和 rN =12371KW 、 rH = 代 入 式 1D = 39。rrrNQ H H ?= 12371 1 .8 49 .8 1 1 .1 5 5 0 .4 5 0 .4 9 0 % m?? ? ? ? 選用與之接近而偏大的標(biāo)稱直徑 1D = 2. 轉(zhuǎn)速 n 的計(jì)算 《水 力機(jī)械》查表 34 可得 HL220 水輪機(jī)在最有工況下單位轉(zhuǎn)速 39。10n =,初步假定 39。10mn = 39。10n =, 將 已 知 的 39。10n 和 avH = ， 1D = 代 入 式n= 39。11nHD = 70 ? =,選用與之接近而偏大的同步轉(zhuǎn)速 n=250r/min. 3. 效率及單位參數(shù)修正 可得 HL230 型水輪機(jī)在 最優(yōu)工況下的模型最高效率為 maxM? =%，模型轉(zhuǎn)輪直蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 徑為 1MD =，根據(jù)式 314 可得原型效率 max? =1? ?5 1m ax11 mM DD?? =1? ?5 ? =% 則效率修正值為 ? =%%=%. 考慮到模型與原型水輪機(jī)在 制造工藝質(zhì)量上的差異，常在已求得的 ?? 值中再減去一個(gè)修正值 ? 。先取 ? =%，則可得效率修正值為 ?? =%，由此可得原型水輪機(jī)在最優(yōu)工況和限制工況下的效率為 m a x m a x % % %M? ? ?? ? ? ? ? ? 8 9 .0 % 1 .0 % 9 0 .0 %M? ? ?? ? ? ? ? ? （與上述假定值相同） 單位轉(zhuǎn)速的修正值按下式計(jì)算： ? ?39。39。1 1 0 m a xm a x / 1mMnn ??