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1、水電站課程設(shè)計(jì) 目錄 1課程設(shè)計(jì)的目的和意義 2 1.1目的 2 1.2意義 2 2 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和任務(wù) 2 3 工程概況 3 3.1工程的綜合說明 3 3.2 工程的水文氣象及自然地理 3 3.3 工程地質(zhì) 4 3.4 水電站工程 5 4 水電站引水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 4.1 引水線路的的選擇 6 4.2引水系統(tǒng)斷面型式的選擇 6 4.2.1引水道的功用及方案選擇 6 4.2.2壓力管道斷面的形式 7 4.2.3管道斷面尺寸的選定 7 4.3 引水系統(tǒng)的水力設(shè)計(jì) 8 4.3.1管道進(jìn)水閘 8 4.3.2電站引水系統(tǒng)的水力計(jì)算 8 4.3.3電站壓力管

2、道調(diào)壓室穩(wěn)定計(jì)算 9 5 水電站布置設(shè)計(jì) 13 5.1水電站廠房布置方案 13 5.2主要機(jī)電及金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 5.2.1主要機(jī)械設(shè)備選擇 13 5.2.2輔助設(shè)備、廠房各組成部分布置 14 5.3主廠房平面布置設(shè)計(jì) 15 5.3.1 主廠房上部結(jié)構(gòu)部分 15 5.3.2 主廠房長度及下部結(jié)構(gòu)部分 17 5.4主廠房的剖面設(shè)計(jì) 18 6 參考文獻(xiàn) 20  1課程設(shè)計(jì)的目的和意義 1.1目的 本課程設(shè)計(jì)是以《水力學(xué)》、《土力學(xué)》等課程為基礎(chǔ)、以《水力機(jī)械與電氣設(shè)備》、《水電站建筑物》兩門專業(yè)課程內(nèi)容為應(yīng)用，是水利水

3、電專業(yè)學(xué)生必修的重要教學(xué)環(huán)節(jié)之一。要求每個學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的有關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課和工程知識，獨(dú)立、系統(tǒng)、全面、深入地完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)，提交高質(zhì)量的設(shè)計(jì)成果。 1.2意義 1、進(jìn)一步熟悉水電站過水系統(tǒng)水力分析、計(jì)算方法； 2、鞏固和加深水電站廠房部分的理論知識，使之系統(tǒng)化； 3、培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力和獨(dú)立工作的能力； 4、進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算、繪圖、編寫計(jì)算說明書的基本技能，強(qiáng)化應(yīng)用有關(guān)手冊、參考圖集、規(guī)范等基本技能的訓(xùn)練； 5、養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅負(fù)責(zé)、實(shí)事求是和刻苦鉆研的工作作風(fēng)。 2 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和任務(wù) 本次水電站課程設(shè)計(jì)的任務(wù)主要包括： 1、進(jìn)行擬開發(fā)水電站

4、系統(tǒng)的引水道水力計(jì)算、調(diào)壓室調(diào)節(jié)保證計(jì)算、高壓管道水擊計(jì)算； 2、根據(jù)特征水頭和裝機(jī)容量，進(jìn)行水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的選型； 3、根據(jù)裝機(jī)容量和所選定的水輪發(fā)電機(jī)組的參數(shù)，進(jìn)行調(diào)速器、油壓裝置和起重設(shè)備等主要輔助設(shè)備的選擇； 4、進(jìn)行廠區(qū)和廠房內(nèi)部布置，決定廠房的輪廓尺寸； 5、繪制設(shè)計(jì)圖紙5張（引水線路圖、樞紐布置圖、廠房橫剖面圖、發(fā)電機(jī)層及水輪機(jī)層平面圖） 6、編寫設(shè)計(jì)說明書一份，說明工程概況、設(shè)計(jì)依據(jù)、設(shè)計(jì)參數(shù)比選、各建筑物尺寸的確定過程。 3 工程概況 3.1工程的綜合說明 HF是安徽省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，也是全國重要的科教基地，位于江淮之間，正以“快速、健康、持續(xù)”發(fā)展為

5、目標(biāo)，逐步建成全方位、多功能、綜合性的現(xiàn)代化大城市。董鋪水庫位于南淝河上游，合肥西北部，流域面積207.5平方公里，水質(zhì)良好，是合肥的優(yōu)質(zhì)供水源。合肥市已動工興建的大方郢水庫，可與董鋪水庫聯(lián)合運(yùn)行，對流域內(nèi)優(yōu)質(zhì)水加大了調(diào)節(jié)度，但因兩庫天然來水量少，依然無法滿足HF市對優(yōu)質(zhì)水的需要量。九五年以來，利用董鋪水庫和P灌區(qū)的滁河干渠相通的特點(diǎn)，已從P灌區(qū)引水入肥。供水工程，就是修建供水專線，連接DP水庫、DFY水庫和其上游的三大水庫。從P灌區(qū)總干渠把產(chǎn)自大別山的天然優(yōu)質(zhì)水引入供水專線，經(jīng)南淝河，入DP水庫，源濟(jì)HF市的城市供水，實(shí)現(xiàn)HF市供水工程規(guī)劃提出的目標(biāo)。 3.2 工程的水文氣象及自然地理

6、供水工程地處安徽省P灌區(qū)內(nèi)，界于滁河干渠與大蜀山分干之間。P灌區(qū)位于東經(jīng)116.4。至117.6。，北緯31.5。至32.5。，地處安徽省中西部地區(qū)，轄六安地區(qū)的壽縣、六安、舒城、HF市的肥東、肥西、長豐等縣市，是一個以灌溉為主，兼營水力發(fā)電、城市供水、航運(yùn)、水產(chǎn)和多種經(jīng)營的大型綜合利用水利工程。灌區(qū)周邊：西抵P河；北以22.5米高程的沿淠洼地、正南洼地、壽西湖洼地和瓦埠湖的邊緣以及朱集、莊墓提灌區(qū)為界；東邊與爐橋、駟馬山兩提灌區(qū)接壤；南以杭埠河灌區(qū)以及肥西、肥東、HF市郊區(qū)的沿巢提灌區(qū)為界。供水工程所屬的P灌區(qū)，地處濕潤季風(fēng)氣候帶。其特征是：季風(fēng)顯著，雨量集中。灌區(qū)氣候受冷鋒、低渦及臺風(fēng)等因

7、素影響，冬冷夏熱，四季分明，無霜期較長，光、熱、水配合良好，適宜各類農(nóng)作物生長。由于本域?qū)儆跉夂蛏系倪^渡帶，年際間季風(fēng)強(qiáng)弱程度不同，進(jìn)退的早遲不一，因而年際氣候變化較大，造成雨水不均，常引起旱澇災(zāi)害。據(jù)氣象站資料，本地區(qū)多年平均氣溫為14.6－15.6℃。一年中最熱是7月份，月平均氣溫為27.2－28℃，極端最高氣溫多年平均38℃左右；最冷是1月份，月平均氣溫1.4℃，多年平均極端最低氣溫為零下10℃左右。全灌區(qū)無霜期多年平均210－230天，年際差別較大，最長可達(dá)270天，最短為170天。一般年份初霜出現(xiàn)在11月上旬，終霜在次年3月下旬結(jié)束，初霜出現(xiàn)一般北早南遲，山區(qū)早于丘陵，而終霜則相反。

8、 由于地處濕潤季風(fēng)氣候帶，灌區(qū)四季分明，降雨蒸發(fā)年際間差別很大。例如干旱年份：1966年、1967年和1978年均為大旱年，年度雨量分別為557.0毫米、661.0毫米及531.6毫米，只有多年平均值的56.3%，66.9%和53.8%，主要灌溉期的雨量分別為264.5毫米、298.3毫米及302.0毫米，只有多年平均值的 38.9%、43.9%和 44.5 %。同時干旱年份降雨量小而蒸發(fā)量大。這三年全年度的灌區(qū)平均蒸發(fā)量分別為1426.6毫米、1354.8毫米及1286.3毫米，為多年平均值的的127%、120%及114%；主要灌溉期的灌區(qū)平均蒸發(fā)量分別為1059.4毫米、987.5毫米及

9、933.8毫米，為多年平均值的134%、124%及118%。 而雨量充沛年份如：1954、1975和1991年，年度雨量分別為 1602.6毫米、1372.6毫米及 1512.8毫米，占多年平均值的 162.1%，138.9%和153%。這三年全年度的灌區(qū)平均蒸發(fā)量分別為 900.2毫米、907.1毫米及816.7毫米，為多年平均值的的85 %、85.6%及 77.3%。 3.3 工程地質(zhì) 供水工程上段自P河總干渠將軍嶺樞紐，設(shè)進(jìn)水閘布專線至袁灣村附近，下段利用袁灣河，經(jīng)南淝河入DP水庫。供水專線沿線為低山區(qū)和崗區(qū)，地形沿?cái)M建專線高低起伏不平。總體地勢：從專線進(jìn)口（將軍嶺閘樞紐）副出口（

10、袁灣村附近）逐漸降低，地面高程26～50m。進(jìn)出口自然落差約24米。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，供水專線地層在勘探范圍內(nèi)自上而下依次是：堤身填土、中～重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土和粘土、全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖5層。第1至第4層呈紫紅色，稍濕、堅(jiān)硬；強(qiáng)風(fēng)化砂巖層未揭穿，也呈紫紅色，稍濕、堅(jiān)硬。從將軍嶺閘到袁灣村地段，地層主要以3層粘土、粘質(zhì)粘土為主，局部地段為2層中～重粉質(zhì)壤土。第3層層位相對穩(wěn)定，強(qiáng)度較高，工程地質(zhì)條件較好，但土具有弱膨脹性。2層土由于壓縮變形略偏大，條件相對較差，但也能滿足輕型建筑物對地基的要求。供水專線基本位于肥西縣境內(nèi)，地層均為中生界侏羅系以來地層，地震烈度為六度，對本工程對抗震可不做

11、特別要求。工程所在場地內(nèi)無明顯含水地層，地下水為潛水或上層滯水，地下水位大致隨地形起伏變化。工程勘察期間測得地下穩(wěn)定水位為0.75～6.10m，高程32.80～46.10m。場地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的污染源。 3.4 水電站工程 本電站是該引水工程的重要組成部分，根據(jù)工程總體布置：設(shè)計(jì)引水流量18m3/s，引水線進(jìn)口（將軍嶺閘樞紐）至出口（袁灣村附近的袁灣）地勢逐漸降低，其中：進(jìn)水口將軍嶺渠底高程42.0m，多年平均設(shè)計(jì)水位47.2m，最高洪水位49.0m；袁灣河最低水位26m，多年平均設(shè)計(jì)水位26.5m，100年一遇洪水位29.98m。  4 水電站引水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1 引水線路的的選

12、擇 引水管定線的原則如下：1)與城鄉(xiāng)規(guī)劃相結(jié)合；2)為節(jié)省投資，盡量縮短線路長度；3)減少拆遷，少占農(nóng)田；4)便于管渠施工與運(yùn)行維護(hù)；5)保證引水水量及水質(zhì)的安全。 由水源引水，在供水工程中，通常采用雙路管線，目的在于增加供水保證程度，但同時也增加了工程投資和水頭損失。在本項(xiàng)目中，可考慮引水系統(tǒng)的水先進(jìn)入D水庫，然后才進(jìn)入凈水廠，有了D水庫的調(diào)節(jié)，引水系統(tǒng)可采用一條，以節(jié)省投資。經(jīng)比較引水系統(tǒng)線路選擇見圖1供水專線管線1:10000布置圖。 4.2引水系統(tǒng)斷面型式的選擇 4.2.1引水道的功用及方案選擇 引水道的功用是集中落差，形成水頭，并將水流輸送到壓力管道引入機(jī)組，然后將發(fā)電后的

13、水流排到下游。引水系統(tǒng)斷面主要有以下三種方案：①明渠引水；②無壓暗管引水；③壓力管引水?，F(xiàn)對三個方案的優(yōu)劣分析如下： 方案一：明渠引水。利用天然河道或人工輸水渠道及配套設(shè)施來實(shí)現(xiàn)水量從水源輸往前池壓力鋼管發(fā)電或是支渠灌溉。明渠引水的優(yōu)點(diǎn)：挖掘方便，布局自由，節(jié)約材料，不需要過度考慮地理位置。明渠的缺點(diǎn)：明渠輸水沿線水質(zhì)容易遭到污染，還有可能被農(nóng)戶私自截水灌溉，使供水量得不到保證；長明渠引水式水電站前池水位過低可能導(dǎo)致壓力鋼管進(jìn)口處產(chǎn)生漏斗狀吸氣旋渦,造成壓力鋼管吸入空氣及漂浮物,從而使機(jī)組產(chǎn)生噪音和振動。 方案二：無壓暗管引水。利用埋管把無壓水流輸送到所需的地方的一種引水方式。其優(yōu)點(diǎn)是：管

14、道布置靈活方便，管道位置選擇比較自由，而且往往可以縮短管道長度，在不適宜修建明渠的地段采用暗管可以取得很好的效果。缺點(diǎn):由于暗管中水流為無壓水流，導(dǎo)致暗管底部及水面以下側(cè)邊的圍巖承受水重，很容易因外壓力過大而塌毀；而且維修不方便，施工也較困難。 方案三：壓力管道引水。壓力管道是從水庫或引水道末端的前池或調(diào)壓室，將水在有壓的狀態(tài)下引入水輪機(jī)的輸水管。其優(yōu)點(diǎn)是：能使水質(zhì)和水量在輸送途中得到最好的保證；管道布置方便靈活；利用圍巖抗力可以使鋼管厚度減小。缺點(diǎn)：有壓管道的構(gòu)造復(fù)雜，施工技術(shù)要求也高；管道容易因內(nèi)水壓力破壞或因外壓而失穩(wěn)。 此項(xiàng)目在對下游供水的同時可以利用這將近20m的水能來發(fā)電，但是

15、其主要功用是引水，要求引水系統(tǒng)要有符合要求的輸水能力，減少水頭損失，保證水質(zhì)。從便于管理，保護(hù)水質(zhì)、水量，占用農(nóng)田少的角度出發(fā)，引水系統(tǒng)形式選擇方案三——壓力管道引水。 4.2.2壓力管道斷面的形式 壓力管道斷面的形式有門洞型、圓管型、矩型。（1）門洞型壓力管引水?dāng)嗝孢m用于大流量、引水線路過長的工程。一般是開挖基礎(chǔ)然后進(jìn)行混凝土澆筑并采用鋼板襯砌，工程量較大，施工工序多。而該引水工程路線需要穿過村莊及農(nóng)田，地層不是很穩(wěn)定，也不適宜大規(guī)模的基礎(chǔ)開挖。（2）圓管型壓力管引水?dāng)嗝?。圓形管道過水能力大，對于小流量的引水工程可以預(yù)制，現(xiàn)場裝配，能節(jié)省施工周期，并且在工程中應(yīng)用廣泛，適用多種地形，并且

16、能明管輸水。（3）矩型壓力管引水?dāng)嗝妗＞匦螇毫艿酪话愣嗖捎没炷翝仓裼诘叵?，施工周期長，檢修不便，而且過水能力沒有圓管好。經(jīng)綜合比較這里選擇圓管形斷面。 4.2.3管道斷面尺寸的選定 根據(jù)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)水頭，可用彭德舒公式初步確定管道的經(jīng)濟(jì)直徑： D=75.2Qmax3H (m) （4-1） 式中：Qmax——鋼管的最大設(shè)計(jì)流量，m3/s，本工程為18m3/s; H——設(shè)計(jì)水頭，m，本工程為20.7m。 經(jīng)計(jì)算：D=2.8m 管壁的厚度，按平面應(yīng)變問題考慮，估算管壁厚度按鍋爐

17、公式： δ≥γHD2?σ=10HD2?σ (mm) （4-2） 式中：γ 為水的重度，N/m3；H為設(shè)計(jì)水頭，m；D為管道直徑，m；?為焊縫系數(shù)，按規(guī)范取為0.9～0.95；［σ］鋼管的允許應(yīng)力，N/mm2。鋼管材料選擇Q235鋼，σs=235N/mm2，查規(guī)范允許應(yīng)力［σ］=0.55σs=129.25N/mm2，?取0.9。經(jīng)計(jì)算得δ=2.49mm。管壁厚度不宜小于D/800+4=7.5mm，也不宜小于6mm，所以管壁厚度取8.0mm?？紤]銹蝕、磨損及鋼板厚度誤差，管壁厚度應(yīng)至少比計(jì)算值加2mm，所以鋼管厚度取10.0

18、mm。 4.3 引水系統(tǒng)的水力設(shè)計(jì) 4.3.1管道進(jìn)水閘（略） 管道進(jìn)水閘位于將軍嶺，具體設(shè)計(jì)不在本設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。 4.3.2電站引水系統(tǒng)的水力計(jì)算 由前面引水線路的選擇量得引水線路長度3059m，引水管路沿程水力坡降J=?HL=20.7/3059=0.0068，管道斷面D取2.8m，δ取10.0mm。糙率系數(shù)n取0.014。根據(jù)前面已估算的經(jīng)濟(jì)管徑D=2.8m和設(shè)計(jì)流量Q=18m3/s，得引水流速V=QA=2.92m/s。 ①沿程水頭損失的計(jì)算： 由于此工程中采用有壓管道，由《水力學(xué)》知識可知此時水流一般屬于湍流的水力粗糙區(qū)，其沿程水頭損失可直接按謝齊公式計(jì)算。公式如下：

19、 hf=Q2K2l （4-3） K=ACR （4-4） C=1nR16 （4-5） 式中：hf為沿程水頭損失，m；Q為流量，m3/s ；K為特性流量，l為水流沿程長度，m；A為管道斷面面積，m2；C為謝齊系數(shù)，R為水力半徑，m；n為管道的糙率。 計(jì)算得hf=8.24m。 ②局部水頭損失的計(jì)算： 計(jì)算

20、公式： Σhj=ΣξV22g （4-6） 式中：ξ為局部水頭損失系數(shù)，V為流速，m/s。 進(jìn)水口局部水頭損失系數(shù)，根據(jù)《水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》，拋物線形入口水頭損失系數(shù)取0.1，矩形攔污柵條的攔污柵水頭損失系數(shù)取0.2,門槽水頭損失系數(shù)取0.1，矩形斷面漸變圓形斷面的漸變系數(shù)取0.05 。 引水彎管局部水頭損失系數(shù)按下式計(jì)算： ξ=［0.131+0.1632（dρ）72］（θ90o）12 （4-7） 式中:d為管道直徑，m;ρ為彎管中心線半徑，m;

21、θ為彎管圓心角。 引水管有4處彎管，轉(zhuǎn)彎半徑不小于三倍管徑取為10m，圓心角分別為20o、45o、40o ，30o ，計(jì)算得各彎管處水頭損失系數(shù)為0.063、0.094、0.089，0.077。 引水管與調(diào)壓室的連接處水頭損失系數(shù)取0.2。 則局部總水頭損失系數(shù)為： Σξ=0.1+0.2+0.1+0.05+0.063+0.094+0.089+0.077+0.2=0.973 則局部總水頭損失： Σhj=0.973*2.9222*9.8=0.42m 管道總水頭損失：hw0=8.24+0.42=8.66m。則水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭為Hp=20.7-8.66=12.04m。 由于 Σhjhw

22、0=0.428.66100%=5% ,所以局部水頭損失不能忽略，故按短管計(jì)算。所以管道總水頭損失hw0=8.66m。 4.3.3電站壓力管道調(diào)壓室穩(wěn)定計(jì)算 本工程是從將軍嶺渡槽閘門取水，沿途采用壓力鋼管輸送到袁彎河附近的水力發(fā)電廠，由于管線過長，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷改變時產(chǎn)生的水錘壓力振幅大，變化快，這就增加了管道的厚度及施工難度，同時縮短了管道的使用壽命。為了改善水錘現(xiàn)象，常在有壓引水管道與機(jī)組進(jìn)水口銜接處建造調(diào)壓室，利用調(diào)壓室擴(kuò)大的斷面和自由水面的反射水錘波將有壓引水系統(tǒng)分為兩段：調(diào)壓室以前這段引水道，基本上可以避免水錘壓力的影響；調(diào)壓室以后這段壓力管道，由于縮短了水錘波傳播的路程，從而減小了壓

23、力管道中的水錘值，改善了機(jī)組運(yùn)行條件。 由于設(shè)置調(diào)壓室增加了建造費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)，調(diào)壓室的投資有時幾乎占引水系統(tǒng)總投資的20%～25%，相當(dāng)于廠房的土建投資，因此設(shè)置調(diào)壓室須經(jīng)過電站的引水系統(tǒng)與機(jī)組聯(lián)合調(diào)節(jié)保證計(jì)算及電站穩(wěn)定運(yùn)行綜合分析，進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較并加以論證。 ㈠ 調(diào)壓室的設(shè)置條件： （1）盡可能充分反射由壓力管道傳來的水錘波，以減少壓力管道中水錘壓力，并使傳至引水道中的水錘控制在合理范圍內(nèi)； （2）應(yīng)能保證調(diào)壓室中發(fā)生的一切水位波動都具有逐漸衰減的性質(zhì)，并且衰減得愈快愈好； （3）負(fù)荷變化時，引起的波動振幅小，頻率低，這樣就可以減小調(diào)壓室的高度，并有利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行； （4

24、）在正常運(yùn)行時，水流經(jīng)過調(diào)壓室與引水道連接處的水頭損失盡量小。 我國《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》建議采用壓力引水道的慣性時間常數(shù)Tw值來判斷設(shè)置上游調(diào)壓室的條件，其式為： Tw=LivigHP≥Tw （4-8） 式中： Li為壓力引水道（包括蝸殼及尾水管）各段的長度，m；; vi為與各段水道相對應(yīng)的流速，m/s; g為重力加速度，取9.8m/s2； Hp為水輪機(jī)的設(shè)計(jì)水頭,m；［Tw］為Tw的允許值，一般取2～4s。 計(jì)算得Tw=3059*2.929.8*12.04=75.70s遠(yuǎn)大于4s，所以需要設(shè)

25、置上游調(diào)壓室。 ㈡ 調(diào)壓室的斷面形式及尺寸 調(diào)壓室的斷面形式取簡單圓筒式。這種調(diào)壓室的特點(diǎn)是斷面尺寸形狀不變，室身像個圓筒，結(jié)構(gòu)筒單，水擊反射條件隨室內(nèi)水位變化緩慢均勻，對水輪機(jī)的工作影響較小。但是，波動振幅較大，因而使得調(diào)壓室的容積較大，造價不夠經(jīng)濟(jì)，調(diào)壓室中水位波動衰減慢，對水輪機(jī)工作影響的時間長。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，引水系統(tǒng)與調(diào)壓室連接處水頭損失大。為避免這些缺點(diǎn)，可用連接管連接引水道與調(diào)壓室，為了避免進(jìn)入引水道的水擊波過大，連接管的直徑不宜取得太小。調(diào)壓室水位波動穩(wěn)定的條件是要保證調(diào)壓室斷面大于最小斷面，即托馬斷面,其式為： Fk=FTh>Lf2αg(H0-hw0-3

26、hwT0) （4-9） 式中：L為引水道從進(jìn)口到調(diào)壓室的長度，m，取3000m； f為引水道的斷面積，f=π*2.824=6.16m2； α為引水道的水頭損失系數(shù)，在簡單圓筒式調(diào)壓室中α=hw0v2= 8.662.922=1.02； g為重力加速度，取9.8 m/s2； H0為靜水頭，為20.7m； hw0為Q0時引水道的水頭損失，此設(shè)計(jì)中為8.66m； hwT0為壓力管道的水頭損失；因?yàn)閴毫艿垒^短，故該段水頭損失可取0.2倍的流速水頭,其值為： hwTo=0.2*2.9222*9.8=0.09m 計(jì)算托馬斷面：

27、 Fk>3000*6.162*1.02*9.8*(20.7-8.66-3*0.09)=78.54m2 考慮到臨界斷面與實(shí)際斷面間的差值，取一個1.05的系數(shù)，則實(shí)際斷面F： F=1.05Fk=1.0578.54=82.47m2 則 D調(diào)壓=4*Fπ=4*82.47π=10.25m,取D調(diào)壓=10.5m，則F=86.59m2 ㈢ 調(diào)壓室水位波動計(jì)算（解析法） ①計(jì)算最高涌波水位 調(diào)壓室最高涌波水位應(yīng)該是在機(jī)組負(fù)荷全丟棄的情況下產(chǎn)生的，為簡化計(jì)算，可假定瞬時突然丟棄全負(fù)荷。此時水輪機(jī)的流量由Q=18m3/s降為0，即對于簡單圓筒式調(diào)壓室，不考慮附加阻抗，利用下式公式求水位波動的

28、極限位置： X0=-ln1+Xmax+Xmax （4-10） 式中：X0=hwoλ； Xmax=Zmaxλ； λ=Lfv022gFhwo； hwo為流量為Q時，上游水位與調(diào)壓室水位之差，等于引水道沿途水頭損失與局部損失之和再加上相應(yīng)的流速水頭，丟棄負(fù)荷時應(yīng)用可能的最小糙率計(jì)算水頭損失； v0為對應(yīng)于Q時引水道的流量； Zmax值可以由《水電站建筑物》（第二版）圖10-4中曲線A，根據(jù)X0查出 Xmax，算出Zmax；L為引水道從進(jìn)口到調(diào)壓室的距離；f、F為引水道和調(diào)壓室的斷面積； v0為流

29、量Q0時引水道中水流速度； g為重力加速度，取9.8ms2； η為調(diào)壓室阻抗系數(shù)。 計(jì)算過程如下： λ=3000*6.16*2.9222*9.8*86.59*8.66=10.72 X0=8.6610.72=0.81 參照水電站建筑物150頁圖10-4可知|zmax|λ=0.81 , |z2|λ=0.5，則|zmax|=8.7m,相應(yīng)的第二振幅值|z2|=5.4m； ②計(jì)算最低波涌水位： 由部分負(fù)荷增加到全負(fù)荷，水電站的流量由mQ0增加到Q0（m<1，稱為負(fù)荷系數(shù)，本設(shè)計(jì)采用m=0.5，對無無阻抗的圓筒式調(diào)壓室，即η=0，可福格特（Vogt）公式求zm

30、in： |zmin|hw0=1+(ε-0.275m+0.05ε-0.9)(1-m)(1-mε0.62) （4-11） 式中 ε=Lfv02gFhw02為無因次系數(shù)，表示引水道—調(diào)壓室系統(tǒng)的特性。 ε=2800*6.15*2.9229.8*91.6*6.032=4.50 將ε值代入福格特公式中，得m=0.5時|zmin|hw0=1.48,則|zmin?|=1.48*6.03=8.9m; 比較丟棄負(fù)荷圓筒式調(diào)壓室涌波第二振幅和增加負(fù)荷時圓筒式調(diào)壓室最低涌波水位得到|zmin|>|z2|,取大值，即最低涌波水位|zmin|=8.9m;則調(diào)壓室最高

31、水位高程為47.2+8.8=56.0m，最低水位高程為47.2-8.9=38.3m；根據(jù)調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范： ⑴調(diào)壓室最高涌波水位以上的安全超高不宜小于1.0m； ⑵上游調(diào)壓室最低涌波水位與調(diào)壓室處壓力引水道頂部之間的安全超高應(yīng)不小于2～3m； ⑶調(diào)壓室底板應(yīng)預(yù)留不小于1.0m的安全水深。 所以調(diào)壓室底板高程：37.3m； 調(diào)壓室頂部高程：57.0m； 引水道頂部高程：35.3m。  5 水電站布置設(shè)計(jì) 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。其主要任務(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；保證發(fā)電

32、的質(zhì)量；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。按設(shè)備布置、運(yùn)行要求的空間劃分，水電站廠房主要組成部分是：主廠房、副廠房、主變壓器場和開關(guān)站。 5.1水電站廠房布置方案 根據(jù)集中利用水頭原則及袁灣附近地區(qū)的地形條件，并考慮到本工程以引水為主要目的，發(fā)電為次要目的，同時結(jié)合調(diào)壓室的位置及結(jié)構(gòu)、壓力引水管道進(jìn)水方向、水頭損失等，把廠房布置在袁灣河靠上游的岸邊地質(zhì)穩(wěn)定高程為32.2m的位置。廠區(qū)布置由D水庫百年一遇（29.98m）控制，發(fā)電機(jī)層高程定為31.0m，由此推算水輪機(jī)的安裝高程及廠房的剖面設(shè)計(jì)。副廠房擬布置在主廠房下游。發(fā)電尾水經(jīng)尾水管下接尾水明渠，進(jìn)泄水小支

33、流后流入袁灣河，進(jìn)D水庫。進(jìn)廠房和變電站公路以方便廠區(qū)機(jī)械運(yùn)輸及檢修和廠區(qū)建筑布置為原則，合理布置。具體布置見工程樞紐布置圖。 5.2主要機(jī)電及金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5.2.1主要機(jī)械設(shè)備選擇 水輪發(fā)電機(jī)組及主要附屬設(shè)備參數(shù)表5-1： 表5-1 水輪機(jī)參數(shù)表 轉(zhuǎn)輪型號 ZD560 ZD660 轉(zhuǎn)輪直徑（mm） 1400 1100 設(shè)計(jì)水頭（m） 11.0 11.0 設(shè)計(jì)流量（m3/s） 9.29 8.84 額定出力（kW） 842 839 額定轉(zhuǎn)速(r/min) 300 500 額定點(diǎn)效率(%) 84 88 最

34、高效率(%) 85 90 機(jī)組造價(萬元) 約97.5 約75 對比兩組水輪機(jī)參數(shù)，由造價、效率、水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭，結(jié)合本工程的具體要求，選定水輪機(jī)型號為ZD660。 5.2.2輔助設(shè)備、廠房各組成部分布置 輔助設(shè)備選擇包括起吊設(shè)備、選用空壓機(jī)為機(jī)組制動和檢修提供氣源，技術(shù)供水采用水泵供水，檢修排水和滲漏排水合用一套自吸離心泵，油系統(tǒng)等設(shè)備設(shè)施的布置，主要設(shè)備參數(shù)見表5-2： 表5-2 輔助設(shè)備參數(shù) 序號 名稱 型號規(guī)格 單位 臺數(shù) 備注 1 水輪機(jī) ZD660-LH-110 臺 2 2 發(fā)電機(jī) SF8

35、00-12/1430 臺 2 3 調(diào)速器 MMT-600 臺 2 4 勵磁裝置 靜止可控硅 套 2 5 行車 起重量10t跨度6.5m 臺 1 6 供水泵 IS100-80-160,Q =100m3/h H=32m 臺 2 7 排水泵 3TC-15，Q=40m3/h H=15m 臺 2 8 空壓機(jī) 排氣壓力0.8Mpa,排氣量1.5m3/min 臺 2 9 壓力濾油機(jī) LY-50 臺 1 10 齒輪油泵 2CY-3.3/3.3 臺 1 11 立柜式空調(diào)器 冷暖兩用，制冷

36、（熱）量12000W 臺 1 12 臺鉆 Z512 臺 1 13 手電鉆 J3Z19 臺 1 14 手提砂輪機(jī) S3S-150 臺 1 15 交流電焊機(jī) 臺 1 （1）主、副廠房電氣設(shè)備布置：對發(fā)電機(jī)層進(jìn)行勵磁屏、自動化屏、測溫屏和機(jī)旁動力箱等設(shè)備進(jìn)行布置。副廠房布置在主廠房下游側(cè)可分為二層。底層（與水輪機(jī)層同高程）一般設(shè)勵磁變壓器室；上層設(shè)中央控制室和高壓開關(guān)室、低壓配電室等。 （2）變電站布置：變電所一般布置于廠房不太遠(yuǎn)的附近，變電所的設(shè)計(jì)，考慮本電站的規(guī)模及裝機(jī)容量，查35KV變電站設(shè)計(jì)規(guī)范確定其占地面積，同時確定變電

37、所建筑物內(nèi)地面標(biāo)高，宜高出屋外地面 0.3m；屋外電纜溝壁，宜高出地面 0.1m。 （3）消防：由于本站屬于小型水電站，根據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》SDJ278-90規(guī)定，確定本站滅火設(shè)施裝置。 （4）金屬結(jié)構(gòu)：須在調(diào)壓室每臺壓力水管進(jìn)水口設(shè)事故快速門一扇，確定孔口尺寸及閘門形式。發(fā)電尾水檢修門的尺寸及形式，金屬結(jié)構(gòu)特性及工程量可參考表5-3 表5-3　 金屬結(jié)構(gòu)特性及工程量 閘門名稱 發(fā)電洞事故門 引水洞工作門 尾水檢修門 門孔尺寸（m） 2.02.0 2.02.0 3.211.29 設(shè)計(jì)水頭（m） 15 15 5 數(shù)量（扇

38、） 2 1 1 閘門重(t) 2.1 2.1 1.35 埋件重(t) 2.2 2.2 0.8 啟閉機(jī)型號 QPK1100kN QPK1100kN 手拉葫蘆HS130kN 啟閉機(jī)重量(t) 1.1 1.1 0.15 5.3主廠房平面布置設(shè)計(jì) 在進(jìn)行主廠房平面設(shè)計(jì)時，必須將上部結(jié)構(gòu)部分和下部結(jié)構(gòu)部分結(jié)合起來考慮，兩者關(guān)系密切。 5.3.1 主廠房上部結(jié)構(gòu)部分 主廠上部結(jié)構(gòu)部分由主機(jī)室和裝配場組成。 （一）主機(jī)室 主機(jī)室又稱主機(jī)間，它是水電站的“心臟”。其內(nèi)部布置必須與廠房樞紐建筑物相協(xié)調(diào)，布置要求合理，運(yùn)行安全，維護(hù)方便。主機(jī)室上部結(jié)構(gòu)部分這層稱為

39、發(fā)電機(jī)層，是裝設(shè)水輪發(fā)電機(jī)組和調(diào)速器操作柜、油壓裝置、機(jī)旁盤、勵磁盤等設(shè)備的場所。上空設(shè)置移動式起重設(shè)備（吊車），供設(shè)備的安裝、檢修吊運(yùn)用。此外還有提供上下層交通聯(lián)系的樓梯。 （1）機(jī)組段長度的確定 機(jī)組段長度L1也就是機(jī)組的中心距離?？砂聪率接?jì)算： L1=L+x+L-x （5-1） 式中： L+x——機(jī)組段在+X方向的最大長度； L-x——機(jī)組段在-X方向的最大長度； L+x和L-x可按蝸殼層、尾水管層和發(fā)電機(jī)層分別計(jì)算，然后取其中最大值。 蝸殼層：

40、 L+x=R1+δ1 L-x=R2+δ2 δ1、δ2——蝸殼外部混凝土厚度。初步設(shè)計(jì)時取1.2～1.5m。 所以L1=1.22+1.5+1.2+1.5=5.42m 尾水管層： L+x=B2+δ2 L-x=B2+δ2 B——尾水管寬度； δ2——尾水管混凝土邊墩厚度，初步設(shè)計(jì)時可取1.5～2.0m。 所以L1=B+2*δ2=2.42+2*2=6.42m 發(fā)電機(jī)層： L+x=?32+b2+δ3 L-x=?32+b2+δ3 ?3——發(fā)電機(jī)層風(fēng)罩內(nèi)徑；

41、 δ3——發(fā)電機(jī)風(fēng)罩壁厚，一般取0.3～0.4m； b——兩臺機(jī)組之間風(fēng)罩外壁凈距，一般取1.5～2.0m，如兩機(jī)組間設(shè)樓梯，取3～4m。現(xiàn)取b=3.0m。 所以L1=?3+2*δ3+b=2.66+2*0.35+3=6.36m 比較之后取L1=6.5m為機(jī)組段長度。 （2）端機(jī)組段長度的確定 端機(jī)組段又稱邊機(jī)組段，是指在與裝配場不同一端的機(jī)組段。端機(jī)組段長度L2的確定除考慮上述的機(jī)組段的因素外，還與裝配場位置，廠內(nèi)是否布置進(jìn)水閥，起重機(jī)吊運(yùn)設(shè)備的要求等因素有關(guān)。因此要考慮到附加長度?L=0.1～1.0D1。則： L2=L1+?L=L1+0.1～1.0D1=6.5+

42、0.1～1.0*2.42=(6.7~8.9)m 考慮機(jī)組中心線或進(jìn)水閥中心線在吊鉤極限位置以內(nèi)，并留0.2～0.3m裕量。因此取L2=8.0m。 （3）主廠房寬度的確定 以機(jī)組中心線為界，廠房寬度B可分為上游側(cè)寬度Bs和下游側(cè)寬度Bx兩部分。 B=Bs+Bx （5-2） Bx=?32+δ3+A （5-3） 式中：A——風(fēng)罩外壁至上游墻內(nèi)側(cè)（或柱邊

43、）的凈距，由上游側(cè)電氣設(shè)備和附屬設(shè)備的布置及通道尺寸確定； δ3 ——發(fā)電機(jī)風(fēng)罩壁厚，一般取0.3～0.4m； ?3——發(fā)電機(jī)風(fēng)罩內(nèi)徑。 主廠房下游側(cè)的寬度Bx，除滿足上式的要求外，還需滿足蝸殼在-y方向的尺寸和蝸殼外混凝土厚度的要求。但是最后決定廠房總寬度時，要滿足起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)跨度的要求，根據(jù)表5-3提供金屬結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)跨度為6.5m,因此取B=7.0m。 （二）裝配場 裝配場又稱安裝間，它是組裝、檢修設(shè)備的場所。裝配場寬度與主機(jī)室寬度相等，以便利用起重機(jī)沿主廠房縱向運(yùn)行。確定裝配場尺寸主要在于確定長度，一般約為機(jī)組段L1的1.0～1.5倍，即裝配

44、場尺寸：寬度B=7.0m，長度L=1.0～1.5*6.5=6.5～9.75m，取L=9.0m。 最后尺寸應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)： ①發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑周圍應(yīng)留2.0m間隙，以供安裝磁極之用； ②發(fā)電機(jī)上機(jī)架周圍留有1.0m間隙，供作通道用； ③水輪機(jī)頂蓋及轉(zhuǎn)輪周圍留有1.0m間隙，供作通道用； ④裝配場設(shè)有進(jìn)廠大門，布置在廠房下游側(cè)或山墻上，其尺寸由運(yùn)輸車輛進(jìn)最大部件而定。通常大門寬度一般不小于3.3m，高度不小于4.5m。 5.3.2 主廠房長度及下部結(jié)構(gòu)部分 （1）主廠房長度確定 廠房的長度取決于機(jī)組長度、機(jī)組臺數(shù)和裝配場長度。于是主廠房的總長度L可由下式求得：

45、 L=nL1+L2+?L （5-4） 或 L=n+1.0～1.5L1 （5-5） 式中: n——機(jī)組臺數(shù)； ?L——端機(jī)組段附加長度； L1——機(jī)組段長度； L2——裝配場長度。 根據(jù)設(shè)計(jì)和選用水輪機(jī)型號，可以確定本電站能安裝兩臺機(jī)組，由此主廠房長度L=2+1.0～1.5*6.5=19.5～22.75m，取L=22.0m。 5.4主廠房的剖面設(shè)計(jì) 主廠房剖面設(shè)計(jì)又稱豎向設(shè)計(jì)，主要是解決垂直方向上空間處理有關(guān)問題。

46、主廠房剖面設(shè)計(jì)就是確定各層面的高程，包括水輪機(jī)安裝高程、主廠房基礎(chǔ)開挖高程、水輪機(jī)層地面高程、發(fā)電機(jī)裝置高程、發(fā)電機(jī)層樓板高程、起重機(jī)（吊車）的安裝高程、屋頂高程。 （1）發(fā)電機(jī)層樓板高程?2 按D水庫百年一遇控制制定為31.0m。 （2）發(fā)電機(jī)裝置高程?G 根據(jù)提供設(shè)計(jì)資料，可確定發(fā)電機(jī)裝置高程?G=31.0-0.8=30.2m。 （3）水輪機(jī)地面高程?1 ?1=?G-h5-h6 （5-6） 式中: h5——發(fā)電機(jī)機(jī)墩進(jìn)人孔高

47、度，一般取1.8～2.0m； h6——進(jìn)人孔頂部厚度，一般取1.0m。 則 ?1=?G-h5-h6=30.2-1.9-1.0=27.3m 水輪機(jī)層地面高程一般取100mm的整倍數(shù)，故 ?1=27.3m。 （4）水輪機(jī)安裝高程?T ?T=?1-h4 （5-7） 式中: h4——蝸殼進(jìn)口半徑和蝸殼頂混凝土層總厚度，蝸殼保護(hù)層一般不少于1.0m。 則：?T=?1-h4=27.3-1.0-0.5=25.8m。

48、(5) 起重機(jī)（吊車）的安裝高程?C 起重機(jī)的安裝高程是指吊車軌頂高程，它是確定主廠房上部結(jié)構(gòu)高度的重要因素。它取決于下列要求：機(jī)組拆卸檢修起吊最大和最長部件時與固定機(jī)組、設(shè)備、墻、柱、地面之間保持水平凈距0.3m，垂直凈距0.6～1.0m ，以免由于掛索松弛或吊件擺動而碰壞設(shè)備或墻柱；另一方面在裝配場檢修變壓器時，還需滿足吊起變壓器鐵芯所需要的高度。可用下式表示： ?C=?2+h7+h8+h9+h10+h11 （5-8） 式中： h7——發(fā)電機(jī)定子高度和上機(jī)架高度之和，這

49、里發(fā)電機(jī)為定子埋入式，h7 就僅為上機(jī)架的高度，即取h7=0.8m。 h8——吊運(yùn)部件與固定的機(jī)組或設(shè)備間的凈距，取h8=0.5m。 h9——最大吊運(yùn)部件的高度，取h9=3.1m。 h10——吊運(yùn)部件與吊鉤間的距離，一般在1.0～1.5m左右，取h10=1.5m。 h11——主鉤最高位置至軌頂面距離，取h11=1.0m。 則 ?C=?2+h7+h8+h9+h10+h11=31.0+0.8+0.5+3.1+1.5+1.0=37.9m。 （6）屋頂高程?R

50、 ?R=?c+h12+h13 （5-9） 式中： h12——軌頂至吊車上小車高度，取h12=1.5m。 h13——檢修吊車時預(yù)留0.6m空間高度。 則 ?R=?C+h12+h13=37.9+1.5+0.6=40.0m。 至此，整個袁彎水電站初步設(shè)計(jì)結(jié)束。  6 參考文獻(xiàn) [1] 馬善定，汪如澤.水電站建筑物（第二版）. 北京：中國水利水電出版社，2007. [2]金鐘元.水力機(jī)械（第二版）.北京：水利水電出版社，1995. [3] 吳持恭.水力學(xué).北京:高等教育出版社,2008. [4] 董毓新.水電站建筑物（第三版）.清華大學(xué)出版社，1993. [5] 水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范(SD335—89). [6] 水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范(SD303—88) . [7] 水電站調(diào)壓井設(shè)計(jì)規(guī)范(DL/T5058-1996). [8] 水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范（SD303-88）. [9] 水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）(SD335—92). [10] 安徽省水利水電勘察設(shè)計(jì)院編.小型水電站設(shè)計(jì)圖集.1986.