水电站课程设计
系院 ：水利与生态工程学院
班级 ：水利水电工程
姓名 ：
学号 ： 指导教师：孙笑老师
目录
一、厂区布置原则 ....................................................................................................... 2
一、主厂房............................................................................................................. 2
二、副厂房............................................................................................................. 3
三、主变压器......................................................................................................... 4
四、高压开关站..................................................................................................... 4
五、引水道、尾水道及对外交通线路的布置..................................................... 5
二、水电站厂房布置说明书 ....................................................................................... 5
一、水电站基本资料............................................................................................. 6
二、水电站厂房主要设备..................................................................................... 6
三、辅助设备系统................................................................................................. 9
四、厂区布置....................................................................................................... 10
五、主厂房场内布置........................................................................................... 10
六、主厂房结构布置........................................................................................... 11
七、主厂房轮廓尺寸主要参数表....................................................................... 12
八、副厂房布置................................................................................................... 13
三、设计计算说明书 ................................................................................................. 14
一、设计水头确定............................................................................................... 14
二、压力管道直径及蝶阀的确定....................................................................... 14
三、 蜗壳尺寸的确定......................................................................................... 15
四、尾水管尺寸计算........................................................................................... 16
五、水电站厂房尺寸设计................................................................................... 17
四、参考文献 ............................................................................................................. 22
一、厂区布置原则
厂区布置是指水电站的主厂房、副厂房、主变压器场、高压开关站、引水道 、尾水道及厂区交通的相互位置的安排。
一、主厂房
主厂房是厂区的核心，对厂区布置起决定性作用，其位置要综合考虑地形、地质、水流条件、施工导流方案和场地布置、电站的运行管理等多种因素，除了注意厂区各组成部分的协调配合外，还应考虑下列因素：
(1) 尽量减小压力水管的长度。因此对于坝后式水电站，主厂房应尽量靠近拦河坝；对于引水式水电站主厂房应尽量靠近前池和调压室。
(2) 尾水渠尽量远离溢洪道或泄洪洞出口，防止水位波动对机组运行不利。尾水渠与下游河道衔接要平顺。
(3) 主厂房的地基条件要好，对外交通和出线方便，并不受施工导流干扰。
二、副厂房
副厂房可选的位置：
(1) 主厂房的上游侧。适用于坝后式水电站。
(2) 尾水管顶板上。影响主厂房的通风、采光，需加长尾水管，从而增加工程量。由于尾水管在机组运行时振动较大，不宜布置中央
控制室及继电保护设备。
(3) 主厂房的两端。当机组台数多时，这种布置会增加母线及电缆的长度。
三、主变压器
1．主变压器场的布置原则
主变压器的位置应结合安装、检修运输、消防通道、进线出线、防火防爆要求确定。
(1) 尽量靠近厂房，以缩短昂贵的发电机电压母线长度，减小电能损失和故障机会，并满足防火、防爆、防雷、防水雾和通风冷却的要求，安全可靠；
(2) 尽量与安装间在同一高程上，便于主变压器的运输、安装和利用轨道推进厂房的安装间进行检修；
(3) 变压器的运输和高压侧出线要方便，且变压器之间要留必要空间。
(4) 高程应高于下游最高洪水位，且四周设置排水沟。
2．升压变压器可能布置的位置
(1) 坝后式厂房，可以利用厂坝之间的空间布置升压变压器。
(2) 河床式厂房，由于尾水管较长，可将升压变压器布置在尾水平台上，这时尾水平台的宽度，应使升压变压器在检修移出时符合最小安全净距的要求(详见电气设备规范) 。
(3) 引水式地面厂房，变压器场可能的位置是厂房的一端进厂公
路旁、尾水渠旁、厂房上游侧或尾水平台上。
(4) 由于地形和场地的限制，个别水电站有将主变压器布置在厂房顶上。地下厂房的主变压器可布置在地下洞室内。
四、高压开关站
高压开关站布置各种高压配电装置和保护设备，如电缆、母线、各种互感器、各种开关继电保护装置、防雷保护、输电线路以及杆塔构架。这些设备型式、数量、布置方式和需要的场地面积，是根据电气主接线图、主变的位置、地质地形条件及运行要求加以确定。
高压开关站一般为露天布置。应尽量靠近主变压器场和中央控制室，且在同一高程上。
由于地形限制，往往有一高程差，通常布置在附近山坡上，也有布置在主厂房顶上的。当地形较陡时，可布置成阶梯式和高架式，以减少挖方。当高压出线不止一个等级，可分设两个或多个开关站。
五、引水道、尾水道及对外交通线路的布置
引水道一般为正向引水，尽可能保证进、出水水流平顺。当水管直径很小时且根数较少时，也可侧向引水；
尾水渠一般为明渠，正向将尾水导入下游河道，少数情况也可侧向导入下游河道。
对外交通一般为公路，也有的采用铁路或水路的。引水式厂房一般沿河岸布置，进厂公路可沿等高线从厂房一端进入厂房。坝式电站进厂公路一般从下游侧进入。
公路、铁路要直接通入主厂房的安装间，临近厂房一段应是水平，长度不小于20m ，并有回车场地。公路的坡度不宜大于10%~12%，转弯半径大于20m 。
二、水电站厂房布置说明书
一、水电站基本资料
（一）工程概况
附图1为水电站的厂房布置图，它是一座以发电为主兼有防洪、灌溉、过木、供水等综合效益的县办骨干电站。采用钢筋混凝土堆石坝，最大坝高74m ，坝址以上控制流域面积564k ㎡，占全流域面积的75.3%，多年平均流量为17. 6m 3/s 水库总库容为2. 783⨯108m 3，属多年调节。
厂房为坝后式，安装3台8000KW 机组，总装机容量2. 4⨯104KW ，保证出力5500KW ，多年平均发电量7260⨯104KW ⋅h ，年利用小时3025h ，在系统中（地方电网）担任调峰、调相任务，并可对下游梯级进行调节，经济效益显著。
在枢纽布置上，为避免厂房、溢洪道、筏道的相互干扰，将岸坡式溢洪道布置在坝左岸的一鼻形山脊上，用钢筋混凝土挡土墙与堆石坝衔接，出口消能采用挑流形式。过木干筏道布置在坝左岸的山坡上。隧洞布置在坝右岸的山体中，具有导流、发电引水和放空等多种功能，即施工期用隧洞导流，并在导流洞口上的山岩中另开
一洞口，与隧洞相连成为“龙抬头”形式，采用塔式进水口作为发电引水和放空隧洞的首部，水库蓄水时将导流洞口封赌。隧洞直径为5.2m 。隧洞出口设有放空水库用的闸门。在放空闸门上游另凿发电引水岔洞，洞径4.6m ，然后以三根Φ2m 的钢支管与机组相连。
本工程规模属大（2）型，枢纽为二等工程，电站厂房按3级建筑物设计。
二、水电站厂房主要设备
1、水轮机和发电机
电站最大水头H max =64. 3m ，加权平均水头H cp =59. 63m ，最小水头H min =38. 02m 。按水头范围及装机容量，套用3台现有机组。水轮机型号为HL 220-LJ -140，单机额定出力为8333KW ，该机组适用H max =65m ，H min =38m H p =58m ，额定流量16. 5m 3/s，和电站水头范围比较匹配。发电机型号为SF 8000-16/3300，单机额定出力8000KW （悬式），采用密封式通风，可控硅励磁。水轮机导叶b 0为0. 35m 。水轮
机带轴长3. 74m ，发电机转子带轴长4. 785m. 。一台机组在设计水头、额定出力下运行的尾水位为100. 1 m。
2、调速器：选用YDT -3500型电气液压式
3、主阀：采用卧式液压型摇摆式接力器双平板偏心蝴蝶阀
4、桥式起重机：本电站的最重部件为发电机转子带轴重37. 5t ，结合厂房布置要求。选用起重机跨度L k =12m ，主副钩最大起升高度分别为20m 和22m ，主钩最高位置至轨顶距离为0. 911m ，小车高度
2. 723m 。厂房屋顶结构厚度为2. 456 m。
三、辅助设备系统
（1）、油系统：根据设备用油量选用6m3净油桶1只、6m3污油桶1只，净油设备压力滤油机2台，真空滤油机1台，共有设备齿轮油泵1台。绝缘油系统，选用8m3净油桶2只、8m3的污油桶2只。油净化系统与透平油共用，变压油的充油和排油均在安装场内。两类油的事故排油均由管道排往集水井，然后用油泵把事故油抽出来。
（2）、供水系统：
①、技术供水，由于本电站水头范围为38.02~64.31m，且水质、水温均满足要求，所以采用自流供水方式。取水口设在每台机组蝴蝶阀前的压力钢管上，并与全场技术供水总管连通，互为备用。每台机组供水管上均设电磁液压阀。以保证自动投入或切除。
②、消防用水，全长设一消防用水总管与技术供水总管联通。油库、油处理和变压器上安装消防喷雾头。一般情况下，采用自流供水就可满足全厂消防用水对水压的要求。但，为以防出现水电站最小水头运行情况，另设2台水泵（1台备用）从下游抽水送至消防总管，同时也作为技术供水的备用水源。
（3）、排水系统：分为机组检修排水、厂房渗漏排水和厂区排水。 ①、检修排水，采用廊道间接排水方式，即检修机组时，蜗壳和尾水管重的积水通过盘形阀的控制，先经廊道排往集水井，然后再由水泵抽排到尾水渠。集水井上设2台检修排水深井泵。2台深井泵同
时运行，待积水抽空后，再由另一台抽排闸门的漏水。
②、渗漏排水，与检修排水共用一集水井，设一台深井泵。检修排水泵可作为渗漏排水泵的备用泵。渗漏排水泵的启动和关闭，由液压信号器根据集水井的水位变化控制。集水井的有效容积为40m3，可利用廊道容积为58.7m3。厂房沉陷、温度缝的渗漏排水、坝体渗漏水、机组盖与主轴密封渗漏排水、压力钢管伸缩节漏水等，经厂区内的排水沟、管引到集水井，然后再由渗漏排水泵排至尾水渠。
③、厂区排水，选用4台单级双吸卧式水泵，厂区排水4台排水泵逐步启动，以减小常用变压器的压降。厂区的排水集水井的有效容积为94.13m3。
④、压缩空气系统：高压其系统选用1.5m3贮气罐1只，高压空压机2台，其中1 台备用，低压系统选用容积为3m3的制动和调相用的贮气罐各一只，低压空压机2台（互为备用）。为确保制动用气的可靠性，在制动用气贮气罐的进气侧设置止逆阀，当2台贮气罐压力不平衡时，只允许调相用的贮气罐的气压进入制动贮气罐。风动工具和吹扫用气均从调相供气管引出。
⑤、直流系统：由一组铅酸蓄电池（GGF-300型130个）2套充电装置组成，供全厂正常和事故情况下控制、保护、信号和自动装置的直流电源。蓄电池按浮充电方式运行。
⑥、通风、采光：电站为地面式厂房，主厂房采用自然通风方式。中控室、载波室设空调机。蓄电池室和酸室设轴流风机，通过管道将酸气排至厂区外。对位于水轮机层的副厂房重的母线道，采用轴流风
机通风散热。
主机房采光采用自然光和人工照明相结合的方式。人工照明的正常电源采用常用电源系统。当厂用电故障时，利用蓄电池的直流电供电。
⑦、尾水闸门：电站3台机组共用一扇4×2m 的平板滑动钢闸门，由1台5t 的电动葫芦启闭。
四、厂区布置
主厂房位于坝后河床右岸位置，安装场布置在与右岸进场公路相连接。充分利用厂区与坝体之间的空间，这将有利于主厂房的通风、采光。将副厂房分为两部分，一部分在主厂房的上游，另一部分在主厂房的左端。变电站设置在左端的副厂房与溢洪道之间的一块平地上，占地面积约为200m2。.
主变压器靠近左端的副厂房，设置两台主变压器并错开布置，且变电站与安装场同一高程。近变区布置在左端厂房的下游侧，设置围栏。35kv 配电装置采用室内型设备。在此基础上，将35kv 开关室布置在变电站下游侧。开关室面积约为8×20m2，设两个出口，110kv 的开关站高压设备均采用中型设备，110kv 母线避雷器选用体积较小的氧化锌避雷器，并安装在构架上。在户外开关站下游布置厂区排水泵房。
溢洪道布置在作案的一鼻形山脊上，用钢筋混泥土挡土墙与堆石坝相接，出口效能采用挑流消能形式。过木筏道布置在左岸山坡上。
塔式进水口布置在右岸山体中。 五、主厂房场内布置 （1）、发电机及安装场
发电机与安装场地面线在同一高程，布置3台SF8000-16/3300型发电机组。在机组上游区，布置YDT-3500型电气液压式调速器。每台机组均设6块机房盘（机组测温盘，自动盘，励磁调节盘，灭磁开关盘，动力盘，发电机组保护盘），均布置在大坝坝体上游挡水侧的挡墙上。机组中心线上游侧布置蝴蝶阀吊孔（3. 4×2.2米），在中心线下有设置吊物孔（2.5×2.5m ）, 用以吊装水轮机层及层下的其他重金属设备。在发电机层右侧布置楼梯。
在安装场内，设置（2.4×2.4m ）的吊物孔以及与桥吊操作室相连通的楼梯。在安装场露面上布置转子轴空、，在轴空下设置转子墩，以便支撑转子。 （2）、水轮机层
在水轮机层上游布置蝴蝶阀液压控制装置、蝴蝶阀控制机柜以及蝶阀孔。在调速器与水轮机层上布置调速轴及其推拉杆。水轮机下游布置油、气、水道管以及机组检修排水用盘型阀和尾水管平圧操作阀门。
竖井机墩进入孔布置在机墩下游侧。水轮机层右端安装场下层布置油库、油处理室、空气压缩装置室以及通往发电机和蝴蝶阀室层的楼梯。
发电机引线出线布置在水轮机上游侧第二象限+Y偏-X32.5。方向发电机风罩上，中性点引线布置在-X 轴方向上的风罩上。在机墩旁水轮机层地面上布置复励磁变压器及其保护网。发电机出口电流互感器及中性点电流互感器布置在发电机机墩风罩上。 （3）、蜗壳，尾水管层
在蝴蝶阀室中布置有蝴蝶阀及其伸缩节、蝴蝶阀接力器漏油装置等。尾水管进人孔通道也设置在蝴蝶阀室中。 六、主厂房结构布置
1、上部结构
1）、构架，主机室布置三台机组，在安装场与1#机组间，2#、3#机组间各设一沉降缝，将主厂房分为三个独立的单元。主厂房与副厂房之也设置一沉降缝，主厂房共设10个横向构架（温度沉降缝与构架并列）构架为“∏”型整体现浇钢架。构架横梁(屋顶大梁) 为双坡。主厂房上游侧和下游侧立柱分别固结在水轮机层一下和发电机层一下的混凝土墙上。构架纵向设有多道连续梁、过梁。
2) 、屋顶。采用钢筋混凝土现浇屋顶，屋顶面板10cm 厚，并用2cm 水泥砂浆抹平，用1cm 水泥砂浆面层、加二毡三油，在铺上屋面防水层。采用天沟排水。
3）、吊车梁：采用T 型钢筋混泥土梁。吊车梁由构架上的牛腿支撑。安装场的吊车梁为二等跨连续梁，1#、2#机组段为三跨不等连系梁。
4）、发电机层楼板梁系。楼板下的主梁布置在上、下游构架立主间与发电机风罩间。主梁之间布置次梁，发电机楼板厚度为20cm 。发电机层楼板为二期混凝土。主梁简支在构架的牛腿上。安装场楼板则与构架同时整体浇注，主梁固结在构架立柱上。
2、下部结构
下部结构中，机墩和钢蜗壳外围结构为厂房二期混凝土。机墩采用圆筒形。机墩下侧开一进人孔。
钢蜗壳上半圆形与其外围混泥土结构之间用沥青油麻垫层。 尾水管为弯曲型，地板与机墩整体浇注，底板厚度为81.5cm ，浇注尾水管顶板时在99.015m 高程处设置一分缝。 七、主厂房轮廓尺寸主要参数表
八、副厂房布置
1、上游厂房：两层结构，第一层与水轮机通高程，上游侧布置母线廊道，下游侧布置电缆廊道和走廊。母线廊道布置1#、2#机组的引线，下游侧布置3#机组的引出线。均设保护网。安装场下布置油库，油处理室。油库上游侧布置有空压机室及楼梯间，第二层与发电机同高程，设有发电机出口电流互感器柜、励磁电压互感器柜以及放置励磁变压器的房间。在安装场上有布置工具间、高压实验室及楼梯间。
2、左端厂房：分六层。第一次与水轮机层同高程，布置母线道、电缆道和水泵房。第二层与发电机同高程，布置开关室、蓄电池室、厂用变压器室、厂用配电装置室和电缆竖井。第三层到第六层，布置电缆室、油化实验室等，第四层布置中控室、值班休息室和交接班室，中控室设置保护屏、直流屏、公用设备屏等。第六层布置会议室、阅览室、资料室及自动办公室等。第二层以上均设楼梯间、卫生间和洗澡间。
35kv 开关室布置在变电站中。
副厂房主要房间面积表
三、设计计算说明书
一、设计水头确定
水电站加权平均水头Hcp=59.63m
Hr=0.95Hcp
则Hr=58.63×0.95=56.65，取设计水头Hr=57m 二、压力管道直径及蝶阀的确定
按经济流速确定压力管道直径，压力管道经济流速Ve 一般为4—6m ，取为4m/s
管道直径计算公式：
4Q
2
管道内流速： V=3.14D
对于主管，Q=49.5 m3/s
D=1.1349. 4=3.976m V=4.00m/s 对于支管，Q=16.5 m3/s
D=1.13. 4=2.3m V=4.00m/s 查《水电站建筑物设计参考资料》，蝶阀直径2.2米。 三、 蜗壳尺寸的确定
图1 混流式水轮机蜗壳平面图
对蜗壳任一断面
Q i =
ϕi Q max
360︒
ρi =
R i =r a +2ρi
式中：
Qi —该断面流量 ρi —该断面半径 Qmax —水轮机最大流量 νc —进口断面流速
相关数据表
四、尾水管尺寸计算
图2 混流式水轮机尾水管
水电站所用尾水管为弯肘型，查《水电站机电设计手册》及《水电站》，图中相应尺寸如下：
L 1=2.417m，L=7.15m，H 5=3.032m ，B 5=3.836m。 五、水电站厂房尺寸设计 ⑴主厂房高程的确定
电站机组在设计水头工作时，额定出力情况下运行的下游水位100.1m ，以此作为设计低水位，水轮机安装高程按下式计算： 水轮机安装高程▽T ：
▽T= ▽W+Hs+B0/2
式中：
▽W —水电站正常运行时可能出现的下游水位，一般取一台机组的过流量相应的尾水位。
Hs —水轮机允许吸出高
H S =10-
∀
-K σH 900
Hs=10-(1.2×0.128×58) -100.1/900=0.98m
导叶高度b0=0.35m。在基础资料里得下游平均水位为100.1m ，开一台机时，下游水深为100.1m 。考虑一定的安全裕量，Hs 取0m ，则水轮机安装高程
▽T = ▽W+Hs+B0/2 =100.1+0+0.5×0.35=100.275m
⑵ 尾水管底板高程▽尾
▽尾=100.275-0.5B0-h 式中：
h —尾水管高度（h=3.685m）
▽尾=100.275-0.5×0.35-3.685=96.415m
⑶ 主厂房基础开挖高程▽F
▽F =▽尾-h 1
式中：
h 1—尾水管底部浇注混凝土厚度，0.815m
▽F =96.415-0.815=95.6m
⑷ 水轮机机层地面高程▽1
▽1=▽T +ρc +h 4
式中：
ρc —蜗壳进口断面半径（0.902m ） h4—蜗壳混凝土保护厚度，0.7m
▽1=100.275+0.902+0.7=101.877m
⑸ 发电机层地面高程▽
▽= ▽1 + h
式中:
h —发电机层与水轮机层高差
▽=101.877+5.378=107.255m ⑹ 吊车安装高程▽C
查《水利机械表》可知发电机转子带轴长为4.785m ，比水轮机
转轮带带轴3.74m 还要长，所以以调运发电机转子带轴为控制长度之一。调运时，转子的距地面的安全距离控制在0.6m 、吊索长1m ，再由电车资料可知吊钩只吊车轨道的距离为0.911m ，则发电机层地面至吊车轨的高度为：
▽=0.6+4.785+1.0+0.911=7.296
考虑主变压器的调运，要求吊钩与地面的距离为7.4m ，则发电机层距地面的高度为：
▽=7.4+0.911=8.311m
电站采用9m ，所以吊车轨道高程：
▽C =107.255+9=116.255m
⑺天花板高程▽R
▽R = ▽C + h12+ h13
式中：
h 12—轨顶到吊车小车距离，可从起重机主要参数表查出 h 13—吊车检修预留空间，0.5m 所以，屋顶高程：
▽R = 116.255+2.723+0.5=119.478 m 厂房结构厚度为2.456m ，则屋顶高程为121.934m
⑻厂房总高度为26,234m 主机房净高12.223m 上部结构14.679m 。 ⑼主厂房长度L 的确定
L=nL0+L安+△L
式中：
L —主厂房长度 n—机组台数
L0—机组段长度 L安—安装间长度
△L —边机组段加长
一、 机组段长度L 0的确定
L 0=L +X +L -X
① 对于蜗壳层，蜗壳的最大宽度为5.5m ，而2#、3#机组之间设有分缝，所以取蜗壳间的混凝土厚度为2m ，则可知机组之间的间距为7.5m
②对于尾水管层，尾水管的最大宽度为3.836m ，加上分缝厚，取尾水闸墩厚3m ，那么尾水管控制机组的间距为6.838
③发电机风道外半径为5.9m ，机组间距布置YDT-3500调速器的平面尺寸为1.9×1.1m ，通道宽为1m ，则间距为9m 。还有其他设备及结构，决定最终机组间距分为10m 。
二、安装间长度L 安=（1～1.5）L0=1.44×10=14.4m
取安装间长度为14.4米，则主厂房长度
L=14.4+2×10+5.5+6.5+2×0.02=46.42m
在加上安装场的墙厚为0.4m ，则主厂房长度为46.82米。
三、 主厂房宽度确定
B=Bx +Bs
式中：
B —主厂房净宽 Bx—下游侧宽度 Bs —上游侧宽度
⑴ 水下部分净宽的确定
①上游侧宽度
B=1+0.5+0.7+2.2+0.7+2.95=8.05m（取8m ）
式中：
1—机旁盘距墙距 0.55—机旁盘宽
0.7—机旁盘距蝴蝶阀吊孔距离 2.2—蝴蝶阀宽度
0.7—蝶阀吊孔距机墩风道宽度 2.95—机墩风道外半径 ②下游侧宽度
按照发电机层设备吊运和在水轮机层布置有油、气、水管道的要求，取下游侧的宽度为5.5m ，同时这一宽度满足蜗壳的结构布置要求。吊车梁的标准跨度为12m ，则可满足智能广场工作需要。 ⑵ 主厂房宽度及厂房基础宽度
主厂房上下游侧宽度之和为13.5m ，主厂房上下游墙厚分别为0.4m 和0.5m ，则主厂房的总宽度为14.4m 。
尾水平台宽度4.9m ，上游副厂房与主厂房不设分缝，上游副厂房的基础宽度为6.2m, 厂房基础总宽度为25.5m 。
四、参考文献
水电站建筑物 武汉水利电力大学 马善定 水电站 河海大学 刘启钊 水力发电厂机电设计规范（DL/T）5186-2004
水电站厂房设计规范SL 266-2001
《中华人民共和国行业标准（SL 266-2001）：水电站厂房设计规范中华人民共和国水利部编中国水利水电出版社2001》
《DLT5186-2004水力发电厂机电设计规范》
《水力机械（第2版）金钟元 编 中国水利水电出版社 1992》 《水电站机电设计手册：水力机械 水利电力出版社 1983》
《水电站建筑物（第二版） 马善定，汪如泽 编水利水电出版社 1996》 《水工设计手册（第1版） 第七卷 水电站建筑物华东水利学院主编水利电力出版社 1989》
《专门水工建筑物 -张光斗，王光纶著 -上海科学技术出版社 1999》 《水电站厂房设计 顾鹏飞 水利电力出版社 1987》
《小型水电站 陈坤，姚珍格，李柯君 著 水利电力出版社 1993》 《水电站建筑物设计参考资料 张治滨 等编 中国水利水电出版社 1997》
《水电站教学参考资料汇编 江西省水利水电学校 崔清溪 主编 水利电力出版社1992》
《水利水电工程专业毕业设计指南 (第二版) -- 胡明，沈长松 主编 -- 中国水利水电出版社 2010》