水电站设计方案.docx
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水电站设计方案
坝后式水电站毕业设计
5.1设计内容
5.1.1基本内容
5.1.1.1枢纽布置
(1)依据水能规划设计成果和规范确定工程等级及主要建筑物的级别;
(2)依据给定的地形、地质、水文及施工方面的资料,论证坝轴线位置,进行坝型选择;
(3)论证厂房型式及位置;
(4)进行水库枢纽建筑物的布置(各主要建筑物的相对位置及形式,划分坝段),并绘制枢纽布置图。
5.1.1.2水轮发电机组选择
(1)选择机组台数、单机容量及水轮机型号;
(2)确定水轮机的尺寸(包括水轮机标称直径D1、转速n、吸出高度Hs、安装高程Za);
(3)选择蜗壳型式、包角、进口尺寸,并绘制蜗売单线图;
(4)选择尾水管的型伏及尺寸;
(5)选择相应发电机型号、尺寸,调速器及油压装置。
5.1.1.3厂区枢纽及电站厂房的布置设计
(1)根据地形、地质条件、水文等资料,进行分析比较确定厂房枢纽布置方案;
(2)核据水轮发甴机的资料,选择相应的辅助设备,进行主厂房的各层布置设计;
(3)确定主厂房尺寸;
(4)副厂房的布置设计;
(5)绘制主厂房横剖面图、发电机层平面图、水轮机层和蜗壳层平面图各䘀张。
5.1.0选作内容
5.1.2.1引水系统设计
(1)进水口设计。
确定进水口高程、型式及轮廓尺寸;
(2)压力管道的布置设计。
确定压力管道的直径;确定压力管道的布置方式和各段尺寸;
5.2基本资料
本水电站在MD江的下游,位于木兰集村下游2km处。
坝址以上流域控制面积30200km2。
本工程是一个发电为主,兼顾防洪、灌溉、航运及养鱼等综合利用的水利枢纽。
电站投入运行后将承担黑龙江东部电网的峰荷,以缓解系统内缺乏水电进行调峰能力差的局面。
本工程所在地点交通比较方便,建筑材料比较丰富,是建设本工程的有利条件。
电站地理位置图见图5-1。
图5-1电站地理位置图
5.2.1自然条件
5.2.1.1流域概况
MD江近南北方向,全长725km,河道平均坡降1.39m‰,总落差1007m。
流域面积37600km2,呈南北向狭长形。
MD江流域两岸支流分布均匀,水网的形状呈树枝状,多数支流短而湍急。
5.2.1.2气象
MD江流域属于大陆性气候,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥。
坝址处无气象观测资料,故借用了附近观测站的资料。
根据历年资料统计,最高气温37.5℃,最低气温-45.2℃,多年平均气温3.03℃。
风速在3~5月较大,冬季多西风,夏季多西南风和东南风。
7~9月多年平均最大风速13m/s,最大风速20m/s。
最大冻土深度1.89m,最大冰厚1.28m。
多年平均降雨量528mm,其中71.8%集中在6~9月。
5.2.1.3水文
坝址处无实测水文资料,但其下游32km处有一水文站,自1954年7月开始观测,有24年实测资料。
该水文站处集水面积30600km2,比坝趾处的集水面积多400km2,且区间没有大的支流汇入。
故本电站可直接应用其实测资料进行水文分析。
本流域洪水主要发生在7、8月份,一次洪水一般由三天降雨产生。
洪水多为单峰型,有的年份为双峰型。
一次洪水历时6~19d,其中涨水历时1~7d,一次洪水过程中洪量主要集中在7d。
经分析比较,本电站的洪水采用1964年典型,推算得出各种频率的洪水过程线,见表5-1。
本电站的下游已修筑堤防,能防1964年洪水(1964年洪峰QM=7920m3/s),所以本电站放流以不超过8000m3为宜。
表5-11964年型入库设计洪水过程线单位:
m3/s
时间
典型流量
可能最大洪水
P(%)
0.01
0.1
1
2
5
20
8.20.5
2080
5300
8.20.11
22
740
8.20.17
364
500
2290
8.20.23
546
5
330
2470
8.21.5
7
7
8.21.11
839
148
150
3280
8.21.17
845
50
7350
3610
8.21.23
769
0
5630
3000
8.22.5
719
26
270
2810
8.22.11
651
0
5160
2950
8.22.17
63
50
5000
2850
8.22.23
561
977
50
2540
8.23.5
5
200
4080
2330
8.23.11
471
82
730
2310
8.23.17
438
762
70
1980
8.23.23
42
7
4040
2650
8.24.5
4
00
3850
2520
8.24.11
387
8
30
2440
8.24.17
358
8
40
2250
8.24.23
347
340
2190
8.25.5
334
8
20
2100
8.25.11
3
512
00
1900
8.25.17
289
1
80
1820
8.25.23
267
4
70
1690
8.26.5
259
490
1630
8.26.11
252
430
1590
8.26.17
253
440
1600
8.26.23
247
00
3
1560
8.27.5
242
2
30
1530
8.27.11
233
7
50
1470
5.2.1.4泥沙
电站所在河流为少沙河流,泥沙资料较少,故将牡丹江站作为本水库的入库站。
从牡丹江市站泥沙资料可知,泥沙分配与洪水一致,集中在汛期。
经计算,本水库多年平均悬移质入库输沙量为75.5万t,本流域无推移质测验资料,经分析比较,确定本水库推移质输沙量占悬移质输沙量的10%,排沙比为7%,悬移质和推移质的干容重为1.1t/m3
本水库的地形特征为河谷型水库,淤积状态主要考虑带状淤积。
5.2.1.5工程地址
(1)水库区工程地质
水库周边山体边坡坡度,一般为30°~50°,相对比高100m~200m,部分地段有些陡壁。
水库周边山体岩石主要为花岗岩,岩石较坚硬完整,渗透性弱,风化浅。
覆盖不厚,植被良好。
故水库蓄水后,库区无永久性渗漏问题,也不会产生大体积塌方与滑坡,固体径流来源少。
本地区地震基本烈度为6度。
(2)枢纽区工程地质
坝址区河流迂回曲折,坝址上游木兰集附近河流近东西向,自西向东流,至距坝轴线上游0.5km处转为北西向,至坝址下游又转为近南北向流出坝址。
坝址呈不对称U型河谷,右岸为凹岸,因受河流冲蚀,山势陡峻,山体雄厚,附近虽有一垭口,但地势较高。
岭顶最低点高程为247.5m。
左岸为河流堆积的凸岸,有一、二级阶地,相对高度分别为5m~10m及10m~28m,宽度分别为50m及300m,坝头为一条形山脊,岸坡坡度北侧15°~25°,南侧20°~45°,山体中部被F1大断层带横切,形成一低矮的垭口,垭口最低点高程为194.6m,二坝设于此处。
坝址基岩为下元古界混合花岗岩,后期穿插有中、酸性岩脉。
第四系冲洪积层,分布于河谷两岸漫滩及阶地上,河谷砂砾石厚0.5m~3m;一、二级阶地覆盖层厚6~17m,上部为粘性土,下部为砂砾石层,一、二级阶地粘性土分别后1~2m及5~16m,二级阶地砂砾石层厚2.5m~8.5m。
坝区地质构造以断裂为主,主要构造方向近南北向,分述如下:
(i)南北向断层,如F1、F6、F7、F8及F2、F5等,均在左岸垭口通过。
F1断层带宽30m~60m,倾向SE、倾角60°~75°,由数条小断层组成,每条小断层宽0.2~1.2m,由破碎岩块及断层泥组成,各条小层间的岩体未见构造异变,但表部岩石强烈风化成砂状。
(ii)北东向断层,一般走向NE25°~35°,倾向东南,其中F11、F30倾角大于80°,宽度小于1m。
F9倾角为5°~20°,破碎带宽0.1~0.8m,夹灰白色断层泥和碎屑。
(iii)北西向断层,走向NW325°~335°,倾向SW或SE,倾角65°~85°,一般宽0.25m~0.4m。
坝区岩脉走向NW300°~350°,倾角一般大于70°,宽度较大,从0.5m到数10m。
与混合花岗岩接触部位破碎,完整性较差。
坝区混合花岗岩裂隙较发育,延伸较长,有的达30~80m,平行间距0.5~1m。
表部张开有泥质充填,地表20m以下多闭合。
位于弱风化带以下的缓倾角节理,基本趋于闭合,有的有钙质薄膜,未见泥质充填。
坝区混合花岗岩为粗粒结构,受本身结构和矿物成份的影响,较易风化。
各部位的风化深度差异很大,一般由右岸向左岸风化深度逐渐加大,如河床深度5m~20m,而左坝肩风化深度为25m~50m,二坝处风化深度达52m~65m。
混合花岗岩与混凝土的抗剪断试验,求得强风化岩与混凝土的摩擦系数为0.85,凝聚力为1~3.2kg/cm2;弱风化岩相应为0.7及1.8~3.6kg/cm2。
坝区基岩裂隙潜水,含水层性能受构造和岩石裂隙发育程度及充填物的控制。
单位吸水率随深度增加而减小。
全风化岩渗透系数为5~18m/d,强风化岩及弱风化岩的吸水率分别为0.36~0.11L/min及0.01L/min。
(3)坝区主要工程地质评价
(i)坝址第四纪覆盖层、河床部份较薄,一般0.5~5m,均予挖除。
一、二级阶地部位较厚,总厚6~17m,上部为粘性土,厚2~10m,下部为砂及砂砾石。
粘性土为中等压缩性土,力学强度较高,未发现有淤泥和粉砂夹层,此部位若建土坝,除心墙部位外,可不必挖除,仅清除耕植土即可。
(ii)混凝土坝段内坝基的断层,因规模不大,倾角较陡,可用混凝土塞作工程处理。
(iii)混凝土坝拟建基于弱风化岩中下部,堆石坝心墙可建于强风化岩。
(iv)二坝坝基受F1大断层影响,风化较深,但下挖5~7m即为块状风化岩,此种岩石在作管涌试验时,水力坡降达到30,未见异常情况,故心墙可建基于此岩石上。
(4)建筑材料
建筑材料分为砂石料和土料,其料场情况为:
(i)砂砾石料
砂砾石料主要有两个料场:
料场1:
位于坝下游3.2~5km,无效储量194万m3,有效储量325万m3。
料场2:
位于坝下0.5~1.8km,无效储量202.6万m3,有效储量486万m3。
上述砂砾料质量较好,除砂含泥量超过标准外,其余指标均符合要求。
(ii)土料
位于坝上游右岸0.5~2km范围内,有三个料场,储量计206万m3,粘性含量19%~35%,天然含水量约高出最优含水量2%~3%。
5.2.2水利、动能
5.2.2.1地区经济概况
本电站供电涉及的地区内,是当地的工业、煤炭、商品粮基地和木材产区。
为使水库挡水后,在正常高蓄水位下,水库末端淹没损失最小,且充分利用本河段的水能资源,故正常高蓄水位定为218m。
5.2.2.2电力系统概况及负荷资料
本地区电力负荷非常紧张,电网严重缺电,影响了国民经济的发展。
为此除设想在本地区建设一些大火电厂外,还须建设相当容量的水电站在系统内担任峰荷,故急需LH水电站投入运行。
本电站的设计保证率为90%。
本地区电力网近期各月最大负荷见表5-2。
表5-2本地区电力网近期各月最大负荷
月份
一
二
三
四
五
六
最大负荷(MW)
21
992
1955
1918
月份
七
八
九
十
十一
十二
最大负荷(MW)
6
2144
2232
2320
5.2.2.3综合利用要求
(1)防洪。
在1960年型洪水情况下,考虑水文预报,水库预泄,则下游城市的防洪标准有所提高。
(2)灌溉。
灌溉设计水平年按1985年计,坝址以上灌溉用水过程线见表5-3。
表5-31985年灌溉用水过程线表
月份
四
五
六
七
八
九
十
全生育期
用水量(万m3)
469
1
83
3913
注:
回归水已按15%考虑
灌溉用水对建筑物没有要求,可在计算入库净流量中扣除。
坝址下游的灌溉用水,不需要从水库直接引水,水电站的放流已能满足灌溉用水约20m3/s的要求。
(3)航运。
目前暂属未通航的河流,将来梯级电站建成后,航运条件得到改善。
根据省航运部门的意见,在该电站枢纽考虑预留过船建筑物的位置。
(4)工业和城市用水。
每月耗水量为304万m3。
工业及城市用水在本水库上游,对枢纽建筑物没有要求,只是在入库净水量中予以扣除即可。
(5)养鱼。
水库水面面积按10万亩计,则年产鱼约750t。
在综合考虑以上因素之后,确定本电站的装机容量为500MW,水头范围为30~65m,设计水头为50m。
5.2.3资料图
图5-2水库水位面积容积曲线
图5-3坝址下游水位流量关系曲线
图5-4电力网近期冬日负荷曲线
坝址地区地形图见附图7,坝轴线地质剖面图见附图8。
5.3设计指南
5.3.1枢纽布置
首先根据给定的设计资料查相应的规范,确定工程等别及重要建筑物的级别。
再根据地质、地形条件、建筑材料、施工条件、泄洪要求等来确定坝型,可以对土坝、拱坝、混凝土重力坝三种方案进行比较。
枢纽布置应确定各种建筑物的相对位置,进行坝段划分。
枢纽布置的原则见2.3节。
本工程为坝后式水电站,主要包括拦河大坝与发电厂房两大部分。
首先要求根据所给出的资料确定总体布置方案。
主要比较左岸厂房方案和右岸厂房方案,考虑的因素包括主河床的位置、地质条件对大坝及厂房的影响、河道的冲刷与淤积、厂房进水和尾水的顺畅、各种建筑物的布置和施工是否方便、工程量等,可列表进行定性比较。
选定厂房位置后,需要对坝段进行布置设计。
与本电站厂房有关的布置原则为:
①要求电站进水口前水流平顺,无漩涡及横向水流;②当溢流坝与厂房段并列布置时,应尽量将前者布置在主河槽,以保证泄水顺畅;③为减少下泄水流对发电和航运的不利影响,常在溢流坝与其他建筑物之间设置导墙;④当河流含沙量大,坝前淤积严重时,应采取排沙措施,冲沙孔或排沙洞常布置在厂房进水口附近,其高程可根据运用要求来确定;⑤应防止由于泥沙淤积造成尾水壅高,降低发电水头。
水电站厂房区的布置应包括主厂房、副厂房、尾水渠道、主变压器、开关站、交通道路的布置等内容。
5.3.2引水系统设计
5.3.2.1进水口设计
确定进水口高程、型式及轮廓尺寸;确定拦污栅的布置形式和各部分尺寸。
(1)进水口轮廓
由于本电站为坝后式水电站,故进水口的型式为坝式进水口。
根据坝段长度选择拦污栅的平面形状(圆形或平面形)。
确定进水口高程时需要注意,该电站地处寒冷地区,需要考虑冰冻对进水口的影响。
进水口的轮廓尺寸主要对进口段、闸门段、渐变段的断面尺寸进行计算和论证,要求水流平顺,水头损失小,进口流速不宜过大,结构受力条件好。
进口段一般为喇叭口形状,闸门段一般为矩形断面,而渐变段主要是矩形断面和管道圆形段面的连接段。
(2)拦污栅设计
拦污栅的设计内容包括栅面设计(平面形状和面积)、栅面距坝体上游面的距离、栅条尺寸和间距。
(3)闸门段设计
闸门段包括工作闸门和检修闸门,需要对闸门的位置、形式、尺寸、启闭方式、通气孔的位置及尺寸等进行设计。
由于本电站位坝后式水电站,所以工作闸门和检修闸门建议均采用平板式闸门。
闸门的位置和尺寸需要根据上面设计的轮廓形状确定。
通气孔设计包括面积、位置和出口高程的确定,其中面积根据单根管道最大引用流量和设计允许气流流速确定,位置一般在闸门下游侧(工作闸门后止水)。
如果工作闸门为前止水,则可由闸门井兼作通气孔。
5.3.2.2压力管道的布置设计
压力管道的涉及内容包括确定压力管道的直径;经定性分析比较确定压力管道的布置方式,各段尺寸及结构型式。
对于坝式水电站来说一般采用单管单机供水的坝内压力管道,其布置原则上应力求管道短,穿过坝体时尽量减少对坝体的消弱,减少水头损失,降低水击压力,满足机组的调节保证为要求。
设计中需要考虑下面的因素:
本电站为混凝土重力坝,坝高属中等坝,坝体尺寸较大,进水口和水轮机安装高程相差20m以上,进水口较高。
根据以上的原则和考虑因素,建议重点论证倾斜式管道布置方案的合理性。
压力管道的直径可采用经济流速方法确定。
5.3.3水轮发电机组的选择
水轮机选择是水电站设计中一项重要任务,它涉及到机组能否安全、高效、可靠运行,而且对水电站造价、建设速度、水电站建筑物的布置形式及尺寸都有影响。
水轮机选择是在已知水电站装机容量N、水电站特征水头(最大工作水头Hmax、最小工作水头Hmin、设计水头Hr、平均水头Hav)、特征流量(最大引用流量Qmax、最小引用流量Qmin、平均流量Qav)、下游水位流量关系曲线情况下进行的。
5.3.3.1选择机组台数、单机容量及水轮机型号
(1)机组台数及单机容量
选择机组台数时,应对加工制造能力和运输条件、总投资、水电站的运行效率和运行灵活性、运行维护工作量的大小等因素进行综合考虑,经技术经济比较确定机组台数。
为了使电气主结线对称,大多数情况下机组台数为偶数。
我国已建成的中型水电站一般采用4~6台机组。
对于中小型水电站,为保证运行的可靠性和灵活性,机组台数一般不少于2台。
当机组台数m确定后,则水轮机的单机出力Nr=N/mηf,其中,ηf为发电机的效率,大型机组ηf=96%~98%,中型机组ηf=95%~96%。
(2)水轮机型号
为了了使水轮机生产系列化、标准化和通用化,我国已编制了反击式水轮机暂行系列型谱表。
根据已确定的单机容量和水电站水头范围,从水轮机系列型谱选择合适的水轮机型号(表5-3)。
表5-3大中型混流式转轮参数(暂行系列型谱)
适用水头范围
H(m)
转轮型号
导叶相对高度b0/D1
最优单位转速n'10
(r/min)
推荐使用的最大单位流量Q’1(L/s)
模型空蚀系数
使用型号
旧型号
<30
HL310
HL365,Q
0.391
88.3
1400
0.360*
25~45
HL240
HL123
0.365
72.0
1240
0.200
35~65
HL230
HL263,H2
0.315
71.0
1110
0.170*
50~85
HL220
HL702
0.250
70.0
1150
0.133
90~125
HL200
HL180
HL741
HL662(改型)
0.200
0.200
68.0
67.0
960
860
0.100
0.085
注:
(1)带“*”表示装置空蚀系数σZ;
(2)适用转轮直径D1≥1.0m的混流式水轮机。
5.3.3.2确定水轮机的主要参数
当水轮机的型号确定后,需要计算水轮机的主要参数,包括水轮机标称直径D1、转速n、吸出高度Hs、安装高程Za。
大中型水轮机的参数一般由模型综合特性曲线计算确定。
(1)转轮直径(D1)的确定
(m)(5-1)
式中Nr——水轮机单机额定出力,kW;
Q1'——水轮机单位流量,m3/s。
Q1'取限制工况下的,并查出限制工况的ηM。
HL水轮机由5%出力限制线得到,
Hr——设计水头,m;
ηr——所选择的设计工况点的原型水轮机效率,在D1未确定时,一般初步设计中先取η=ηM+∆η(∆η=2~3%),求得D1后再修正。
式(5-1)中的单位参数采用表5-4中的数值。
由此计算出的D1应改取为与其计算值相近的标称直径(表5-5)。
通常D1选用较计算值稍大的标称直径。
(2)转速的选择
(5-2)
用最优单位转速
,
。
水头H=Hav。
表5-4混流式水轮机模型转轮主要参数表
转轮型号
推荐使用水头范围
(m)
模型转轮
导叶相对高度
b0/D1
最优工况
限制工况
试验水头H/m
直径D1
(mm)
叶片数Z1
单位
转速
n'10
(r/min)
单位
流量Q’1
(L/s)
效率
η/%
空蚀系数
σ
比转速
ns
单位
流量Q’1
(L/s)
效率
η/%
空蚀系数
σ
HL310
<30
0.305
390
15
0.391
88.3
1220
89.6
355
1400
82.6
0.36*
HL260
10~35
385
15
0.378
72.5
1180
89.4
286
1370
82.8
0.28
HL240
25~45
4.0
460
14
0.365
72.0
1100
92.0
0.2
275
1240
90.4
0.20
HL230
35~65
0.305
404
15
0.315
71.0
913
90.7
247
1110
85.2
0.17*
HL220
50~85
4.0
460
14
0.25
70.0
1000
91.0
0.1
.0
0.133
HL200
90~125
3.0
460
14
0.20
68.0
800
90.7
0.
.4
0.088
HL180
90~125
4.0
460
14
0.20
67.0
720
92.0
0.
.5
0.083
HL160
110~150
4.0
460
17
0.224
67.0
580
91.0
0.
.0
0.065
注:
带“*”表示装置空蚀系数σZ;
表5-5反击式水轮机转轮标称直径系列单位:
cm
25
30
35
(40)
42
50
60
71
(80)
84
1
275
300
33
700
750
8
1000
计算出的水轮机转速n也必须与相近的发电机同步转速(表5-6)匹配,若n的计算值介于两个同步转速之间,则应进行方案比较后确定。
一般来说,在保证水轮机处于高效率区工作的前提下,应选用较大的同步转速,以使机组具有较小的尺寸和重量。
表5-6磁极对数P与同步转速n关系表
P
3
4
5
6
7
8
9
10
12
14
n(r.min-1)
1
0
428.6
375
333.3
300
250
214.3
P
16
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