水电站厂房设计.docx
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水电站厂房设计
第十一章 水电站厂房设计
第一节 水电站厂房的任务、组成及类型
一、水电站厂房的任务
水电站厂房是将水能转为电能的综合工程设施,包括厂房建筑、水轮机、发电机、变压器、开关站等,也是运行人员进行生产和活动的场所。
水电站厂房的主要任务:
(1)将水电站的主要机电设备集中布置在一起,使其具有良好的运行、管理、安装、检修等条件。
(2)布置各种辅助设备,保证机组安全经济运行,保证发电质量。
(3)布置必要的值班场所,为运行人员提供良好的工作环境。
二、水电站厂房的组成
(一)从设备布置和运行要求的空间划分
主厂房:
布置水电站的主要动力设备(水轮发电机组)和各种辅助设备,设置装配场(安装间)。
副厂房:
布置控制设备,电气设备和辅助设备,是水电站运行、控制、监视、通讯、试验、管理和工作的房间。
主变压器场:
装设主变压器的地方。
水电站发出的电能经主变压器升压后,再经输电线路送给用户。
高压开关站:
装设高压开关、高压母线、和保护措施等设备的场所,高压输电线由此送往用户。
此外厂房枢纽中还有:
进水道、尾水道和交通道路等。
水电站主厂房、副厂房、主变压器场和高压开关站及厂区交通等,组成水电站厂区枢纽建筑物,一般称厂区枢纽。
(二)从设备组成的系统划分
水电站厂房内的机械及水工建筑物共分五大系统
(1)水流系统。
水轮机及其进出水设备,包括压力管道、水轮机前的进水阀、蜗壳、水轮机、尾水管及尾水闸门等。
(2)电流系统。
即电气一次回路系统,包括发电机及其引出线、母线、发电机电压配电设备、主变压器和高压开关站等。
(3)电气控制设备系统。
即电气二次回路系统,包括机旁盘、励磁设备系统、中央控制室、各种控制及操作设备如各种互感器、表计、继电器、控制电缆、自动及远动装置、通迅及调度设备等直流系统。
(4)机械控制设备系统。
包括水轮机的调速设备,如接力器及操作柜,事故阀门的控制设备,其它各种闸门、减压阀、拦污栅等操作控制设备。
(5)辅助设备系统。
包括为了安装、检修、维护、运行所必须的各种电气及机械辅助设备,如厂用电系统(厂用变压器、厂用配电装置、直流电系统),油系统、气系统、水系统,起重设备,各种电气和机械修理室、试验室、工具间、通风采暖设备等。
水电站厂房组成(设备组成)
(三)从水电站厂房的结构组成划分
1.平面:
主机室+安装间
主机室:
水轮发电机组及辅助设备布置在主机室,是运行和管理的主要场所;
安装间:
是水电站机电设备卸货、拆箱、组装、检修时使用的场地。
2.垂面:
上部结构+下部结构(以发电机层楼板面为界)
厂房横剖面图
上部结构:
与工业厂房基本相似,基本上是板、梁、柱结构系统;
下部结构:
大体积混凝土结构,布置过流系统,是厂房的基础。
三、水电站厂房的基本类型
(一)根据厂房与挡水建筑物的相对位置及其结构特征,可分为三种基本类型:
1.引水式厂房
特征:
发电用水来自较长的引水道,厂房远离挡水建筑物,一般位于河岸。
如若将厂房建在地下山体内,则称为地下厂房。
我国的第一座水电站——云南昆明石龙坝引水电站
2.坝后式厂房
特征:
厂房位于拦河坝的下游,紧接坝后,在结构上与大坝用永久缝分开,发电用水由坝内高压管道引入厂房。
坝后厂房
有时为了解决泄水建筑物布置与厂房建筑物布置之间的矛盾,可将厂房布置成以下型式:
(1)溢流式厂房。
将厂房顶作为溢洪道,成为坝后溢流式厂房。
溢流厂房
(2)坝内式厂房。
厂房移入溢流坝体空腹内。
坝内厂房 凤滩坝内厂房
3.河床厂房
厂房位于河床中,成为挡水建筑物的一部分。
河床式厂房
(二)按机组主轴的装置方式分:
立式机组厂房和卧式机组厂房。
第二节 水电站厂房设计程序
我国大中型水电站的设计一般分四个阶段:
预可行性研究、可行性研究、招标设计、施工详图。
预可行性研究:
在河流规划和地区电力负荷发展预测的基础上,对拟建电站的建设条件进行研究,该水电站在近期兴建的必要性、技术上的可行性和经济上的合理性。
此阶段对厂房不进行具体设计,只选定电站的规模,初选枢纽布置和厂房型式,绘出厂房在枢纽中的位置。
可行性研究:
通过方案比较选定枢纽的总体布置及其参数,决定建筑物的型式和控制尺寸,选择施工方案、进度和总布置,并编制工程投资预算,阐明工程效益。
此阶段中,对厂房设计要求是根据选定机组机型、电气主接线图及主要机电设备,初步决定厂房的型式、布置及轮廓尺寸,绘出厂区及厂房布置图,进行厂房稳定计算及必要的结构分析,提出厂房工程地质处理措施。
招标设计:
对可行性研究中遗留进行必要的修改和补充,落实选定方案工程建设的技术、施工措施,提出较详细的工程图纸和分项工程的工程量,提出施工、制造与安装的工艺技术要求以及永久设备购置清单,编制招标文件。
施工详图:
陆续对各项结构进行细部设计和结构计算,并拟定具体的施工方法,绘出施工详图。
在此阶段,要进行厂房每个构件的细部设计和结构计算,最终确定厂房各部分尺寸。
对于招标设计中的基本决定,一般不会有重大改变。
第三节 水轮发电机
一、发电机类型及传力方式
(一)悬挂式发电机
推力轴承位于转子上方,支承在上机架上。
发电机的传力方式为:
转动部分重量(发电机转子、励磁机转子、水轮机转轮)——推力头——推力轴承——定子外壳——机座;
固定部分重量(推力轴承、上机架、发电机定子、励磁机定子)——定子外壳——机座。
悬挂式发电机
(二)伞式发电机
推力轴承位于转子下方,设在下机架上。
1.普通伞式。
有上下导轴承。
发电机的传力方式为:
机组转动部分的重量——推力头和推力轴承——下机架——机座。
上机架只支撑上导轴承和励磁机定子。
2.半伞式。
有上导轴承,无下导轴承。
发电机通常将上机架埋入发电机层地板以下。
3.全伞式。
无上导轴承,有下导轴承。
机组转动部分的重量通过推力轴承的支撑结构传到水轮机顶盖上,通过顶盖传给水轮机座环。
二、发电机的励磁系统
作用:
向发电机转子供给形成磁场的直流电源。
励磁系统:
励磁机、励磁盘
(1)励磁机——直流发电机。
励磁方式有采用与水轮发电机同轴的励磁机的直接励磁系统。
(2)励磁盘——控制设备和自动调整装置的配电盘。
作用是:
控制和调整水轮发电机的励磁电流。
每台发电机一般有3~5块励磁盘。
三、发电机的支承结构(机座或机墩)
1.机座作用:
将发电机支承在预定位置上,并为机组的运行、维护、安装和检修创造条件。
2.要求:
具有足够的强度和刚度,具有良好的抗振性能。
3.常见的机座形式:
(1)圆筒式机座:
结构形式为厚壁钢筋混凝土圆筒,其壁厚在1m以上。
优点:
刚度较大,抗振、抗扭性能较好。
缺点:
水轮机直径较小时,水轮机的安装、维修、维护不方便。
(2)环形梁立柱式机座:
由环形梁和立柱组成。
优点:
混凝土需要量小,水轮机顶盖处宽敞,设备的安装、布置、维修等比较方便。
缺点:
是抗振、抗扭性能较差,结构刚度小。
一般用中小型机组。
环形梁立柱式机座 构架式机座
(3)构架式机座:
由两个纵向刚架和两根横梁组成。
优缺点与环形梁立柱式机座相同,但其刚度更小,仅适用于小型机组。
四、发电机的布置型式
(1)开敞式——发电机定子完全露出于发电机层地面以上。
缺点:
发电机层地板显得拥挤,同时水轮机层高度小,不便其间布置夹层。
采用较少。
(2)埋入式布置——发电机定子埋入发电机层楼板下机坑内。
发电机层较宽敞,水轮机层高度大,可利用增设中间层布置发电机引出线及电气设备。
目前采用较多。
注:
当单机容量在100MW以上的大型机组常采用上机架埋入布置,发电机层只留有励磁机。
厂房的高度增加,发电机层较宽敞,检修场地大,利于各种控制设备和辅助设备的布置,有可能减小厂房的宽度。
第四节 水电站厂房内的辅助设备
辅助设备主要有:
调速系统、技术供水系统、排水系统、油压系统、气系统和起重设备。
一、调速系统
作用:
根据电力系统要求自动调整机组的出力,同时使机组保持一定的额定转速。
组成:
调速器柜、作用筒(接力器)、油压装置。
三部分之间用管路联系。
1.调速器柜。
调速柜的外形尺寸一般为方形,尺寸为800mm×800mm×1900mm,它以机械的传动杆和油管与作用筒相联。
2.作用筒(接力器)。
控制水轮机的引用流量,以调节机组的出力。
接力器示意图
3.油压装置。
组成:
压力油罐、储油槽和油泵。
油罐内油压为2.5MPa,供推动活塞用。
油压靠压缩空气维持,所以油桶内上部为压缩空气。
工作后的油回到储油槽,罐内油量不足时,由油泵将油槽中的油打入罐内。
油泵一般为两台,一台工作,一台备用。
注:
调速系统的设备相互联系紧密,油压装置一般布置在发电机的上游侧,并在调速柜旁边。
二、油系统
1.作用及分类
透平油——供给机组轴承的润滑油和操作用的压力油,作用:
润滑、散热及传递能量;
绝缘油——供给变压器、油开关等电气设备的,作用:
绝缘、散热及灭弧。
注:
两种油的性质不同,应有两套独立的油系统,不能相混。
2.组成及布置
(1)油库。
接受和贮存油地方,油库设有油罐。
透平油的用油设备均在厂内,故透平油库一般布置在厂内,只有在油量很大时才在厂外另设存贮新油的油库。
绝缘油用量大的主变压器和开关站都在厂外,所以绝缘油库常布置在厂外主变压器和开关站附近。
注:
油库要特别注意防火,大于100吨时油库应设在厂外。
(2)油处理室。
设有油泵和滤油机,有时还有油再生装置。
油处理室一般设在油库旁。
透平油与绝缘油常合用油处理室。
相邻水电站可合用一套油处理设备。
(3)补给油箱。
设在主厂房的吊车梁下。
当设备中的油有消耗时,给油罐自流补给新油。
(4)废油槽。
在每台机组的最低点设废油槽,收集漏出的废油。
(5)事故油槽。
当变压器、油开关、油库发生燃烧事故时迅速将油排走,以免事故扩大。
油可排入事故油槽中或直接排入下游河道。
事故油槽应布置在便于充油设备排油的位置,并便于灭火。
三、供水系统和排水系统。
(一)供水系统
1.供水对象及要求
技术供水——冷却及润滑。
发电机的空气冷却器、机组导轴承和推力轴承的油冷却器、水润滑导轴承、空气压缩机气缸冷却器、变压器的冷却设备等。
耗水量最大的是发电机和变压器的冷却用水,可达技术用水的80%左右,要求水质清洁、不含对管道和设备有害的化学成分。
生活供水——生活用水根据工作人员的多少决定。
消防供水——消防用水要求水流能喷射到建筑物的最高部位。
消防用水可从上游压力管道、下游尾水渠或生活用水的水塔取水,并且应设置两个水源。
2.供水系统布置及供水方式
水源:
压力管道、上游水库、下游水泵、地下水源。
组成:
水源、供水设备、水处理设备、管网和测量控制元件。
布置:
管路应尽可能靠近机组,以缩短管线并减少水头损失。
供水泵房应布置在水轮机层或以下的洞室内。
为保证水质,用水管把水引向过滤设备,经过滤后再分配用水。
供水方式:
(1)水泵供水。
当水电站的水头太低(水压力不够)或太高(需要减压设备)时。
(2)自流供水。
适用于水头在12~60m之间的水电站,但当水头大于40m时需要减压设备。
坝后式厂房从水库引水,引水式厂房从压力水管引水。
(3)混合式供水。
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