水電站課程設(shè)計(jì)目錄1課程設(shè)計(jì)的目的和意義21.1目的21.2意義22 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和任務(wù)23 工程概況33.1工程的綜合說明33.2 工程的水文氣象及自然地理33.3 工程地質(zhì)43.4 水電站工程54 水電站引水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)64.1 引水線路的的選擇64.2引水系統(tǒng)斷面型式的選擇64.2.1引水道的功用及方案選擇64.2.2壓力管道斷面的形式74.2.3管道斷面尺寸的選定74.3 引水系統(tǒng)的水力設(shè)計(jì)84.3.1管道進(jìn)水閘84.3.2電站引水系統(tǒng)的水力計(jì)算84.3.3電站壓力管道調(diào)壓室穩(wěn)定計(jì)算95 水電站布置設(shè)計(jì)135.1水電站廠房布置方案135.2主要機(jī)電及金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)135.2.1主要機(jī)械設(shè)備選擇135.2.2輔助設(shè)備、廠房各組成部分布置145.3主廠房平面布置設(shè)計(jì)155.3.1 主廠房上部結(jié)構(gòu)部分155.3.2 主廠房長度及下部結(jié)構(gòu)部分175.4主廠房的剖面設(shè)計(jì)186 參考文獻(xiàn)201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(gè)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(gè)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14.615.6。一年中最熱是7月份，月平均氣溫為27.228，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210230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。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(shí)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?？傮w地勢：從專線進(jìn)口（將軍嶺閘樞紐）副出口（袁灣村附近）逐漸降低，地面高程2650m。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0.756.10m，高程32.8046.10m。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(shí)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)電后的水流排到下游。引水系統(tǒng)斷面主要有以下三種方案：明渠引水；無壓暗管引水；壓力管引水。現(xiàn)對三個(gè)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(shí)可以利用這將近20m的水能來發(fā)電，但是其主要功用是引水，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，并且能明管輸水。（3）矩型壓力管引水?dāng)嗝?。矩形壓力管道一般多采用混凝土澆筑，埋于地下，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公式： HD2=10HD2 (mm) （4-2）式中： 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0.90.95；鋼管的允許應(yīng)力，N/mm2。鋼管材料選擇Q235鋼，s=235N/mm2，查規(guī)范允許應(yīng)力=0.55s=129.25N/mm2，取0.9。經(jīng)計(jì)算得=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10.0mm。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，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。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(shí)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： 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。局部水頭損失的計(jì)算：計(jì)算公式： hj=V22g （4-6）式中：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： =0.131+0.1632（d）72（90o）12 （4-7）式中:d為管道直徑，m;為彎管中心線半徑，m; 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：=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：hj=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 hjhw0=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(shí)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(shí)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(shí)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。 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(shí)，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）在正常運(yùn)行時(shí)，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(shí)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=LivigHPTw （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24s。計(jì)算得Tw=3059*2.929.8*12.04=75.70s遠(yuǎn)大于4s，所以需要設(shè)置上游調(diào)壓室。 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(gè)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(jià)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(shí)間長。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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>Lf2g(H0-hw0-3hwT0) （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=*2.824=6.16m2； 為引水道的水頭損失系數(shù)，在簡單圓筒式調(diào)壓室中=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(shí)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： 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(gè)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*F=4*82.47=10.25m,取D調(diào)壓=10.5m，則F=86.59m2 調(diào)壓室水位波動計(jì)算（解析法）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(shí)突然丟棄全負(fù)荷。此時(shí)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極限位置： X0=-ln1+Xmax+Xmax （4-10）式中：X0=hwo； Xmax=Zmax； =Lfv022gFhwo； hwo為流量為Q時(shí)，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(shí)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(shí)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為流量Q0時(shí)引水道中水流速度； g為重力加速度，取9.8ms2； 為調(diào)壓室阻抗系數(shù)。計(jì)算過程如下： =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|=0.81 , |z2|=0.5，則|zmax|=8.7m,相應(yīng)的第二振幅值|z2|=5.4m；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=0，可福格特（Vogt）公式求zmin：|zmin|hw0=1+(-0.275m+0.05-0.9)(1-m)(1-m0.62) （4-11）式中 =Lfv02gFhw02為無因次系數(shù)，表示引水道調(diào)壓室系統(tǒng)的特性。 =2800*6.15*2.9229.8*91.6*6.032=4.50將值代入福格特公式中，得m=0.5時(shí)|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(shí)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：調(diào)壓室最高涌波水位以上的安全超高不宜小于1.0m；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23m；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(shí)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ZD560ZD660轉(zhuǎn)輪直徑（mm）14001100設(shè)計(jì)水頭（m）11.011.0設(shè)計(jì)流量（m3/s）9.298.84額定出力（kW）842839額定轉(zhuǎn)速(r/min)300500額定點(diǎn)效率(%)8488最高效率(%)8590機(jī)組造價(jià)(萬元)約97.5約75對比兩組水輪機(jī)參數(shù)，由造價(jià)、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22發(fā)電機(jī)SF800-12/1430臺23調(diào)速器MMT-600臺24勵磁裝置靜止可控硅套25行車起重量10t跨度6.5m臺16供水泵IS100-80-160,Q =100m3/h H=32m臺27排水泵3TC-15，Q=40m3/h H=15m臺28空壓機(jī)排氣壓力0.8Mpa,排氣量1.5m3/min臺29壓力濾油機(jī)LY-50臺110齒輪油泵2CY-3.3/3.3臺111立柜式空調(diào)器冷暖兩用，制冷（熱）量12000W臺112臺鉆Z512臺113手電鉆J3Z19臺114手提砂輪機(jī)S3S-150臺115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(shí)確定變電所建筑物內(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）2.02.02.02.03.211.29設(shè)計(jì)水頭（m）15155數(shù)量（扇）211閘門重(t)2.12.11.35埋件重(t)2.22.20.8啟閉機(jī)型號QPK1100kNQPK1100kN手拉葫蘆HS130kN啟閉機(jī)重量(t)1.11.10.155.3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(shí)，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： L+x=R1+1 L-x=R2+21、2蝸殼外部混凝土厚度。初步設(shè)計(jì)時(shí)取1.21.5m。所以L1=1.22+1.5+1.2+1.5=5.42m尾水管層： L+x=B2+2 L-x=B2+2 B尾水管寬度； 2尾水管混凝土邊墩厚度，初步設(shè)計(jì)時(shí)可取1.52.0m。 所以L1=B+2*2=2.42+2*2=6.42m發(fā)電機(jī)層： L+x=32+b2+3 L-x=32+b2+3 3發(fā)電機(jī)層風(fēng)罩內(nèi)徑； 3發(fā)電機(jī)風(fēng)罩壁厚，一般取0.30.4m； b兩臺機(jī)組之間風(fēng)罩外壁凈距，一般取1.52.0m，如兩機(jī)組間設(shè)樓梯，取34m?，F(xiàn)取b=3.0m。所以L1=3+2*3+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=0.11.0D1。則：L2=L1+L=L1+0.11.0D1=6.5+0.11.0*2.42=(6.78.9)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0.20.3m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+3+A （5-3）式中：A風(fēng)罩外壁至上游墻內(nèi)側(cè)（或柱邊）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； 3 發(fā)電機(jī)風(fēng)罩壁厚，一般取0.30.4m； 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(shí)，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1.01.5倍，即裝配場尺寸：寬度B=7.0m，長度L=1.01.5*6.5=6.59.75m，取L=9.0m。最后尺寸應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：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；發(fā)電機(jī)上機(jī)架周圍留有1.0m間隙，供作通道用；水輪機(jī)頂蓋及轉(zhuǎn)輪周圍留有1.0m間隙，供作通道用；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： L=nL1+L2+L （5-4） 或 L=n+1.01.5L1 （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+1.01.5*6.5=19.522.75m，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。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)人孔高度，一般取1.82.0m； 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。(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(shí)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0.61.0m ，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(shí)，還需滿足吊起變壓器鐵芯所需要的高度?？捎孟率奖硎荆?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1.01.5m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 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(shí)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(gè)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(SD33589).6 水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范(SD30388) .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）(SD33592).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.