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1、第十一章引水式地面厂房布置设计第一节第一节 水电站厂房的功用和基本水电站厂房的功用和基本类型类型一、水电站厂房的功用一、水电站厂房的功用 水电站厂房是将水能转换为机械能进而转换为电能的场所，它通过一系列工程措施，将水流平顺地引人及引出水轮机，将各种必需的机电设备安置在恰当的位置，为这些设备的安装、检修和运行提供方便有效的条件，也为运行人员创造良好的工作环境。水电站厂房是建筑物及机械、电气设备的综合体，在厂房的设计、施工、安装和运行中需要各专业人员通力协作。水工建筑专业人员主要从事建筑物的设计、施工与运行，因而本教材着重从水工建筑的观点来研究水电站厂房。二、水电站厂房的基本类型二、水电站厂房的基
2、本类型 根据厂房在水电站枢纽中的位置及其结构特征，水电站厂房可分为以下三种基本类型：(1)坝后式厂房。厂房位于拦河坝下游坝趾处，厂房与坝直接相连，发电用水直接穿过坝体引人厂房，如图11-2所示的丹江口水电站广房。兴建中的三峡水电站厂房也是坝后式的。在坝后式厂房的基础上，将厂坝关系适当调整，并将厂房结构加以局部变化后形成的厂房型式还包括：1)挑越式厂房：厂房位于溢流坝坝趾处，溢流水舌挑越厂房顶泄人下游河道，如图18-2所示的贵州乌江渡水电站厂房。2)溢流式厂房：厂房位于溢流坝坝趾处，厂房顶兼作溢洪道，如图18-3(a)所示的浙江新安江水电站厂房。3)坝内式厂房：厂房移人坝体空腹内，如图18-3(
3、b)所示位于溢流坝坝体内的江西上犹江水电站厂房，或图18-4所示设置在空腹重力拱坝内的湖南凤滩水电站厂房。(3)引水式厂房。厂房与坝不直接相接，发电用水由引水建筑物引人厂房。当厂房设在河岸处时称为引水式地面厂房，如图16-1所示浙江湖南镇水电站厂房。引水式厂房也可以是半地下式的，如浙江百丈漈一级水电站厂房，或地下式的，如图18-10所示的云南鲁布革水电站厂房。此外，水电站厂房还可按机组类型分为竖轴机组厂房及横轴机组厂房；按厂房上部结构的特点分为露天式、半露天式和封闭式厂房；或按水电站资源的性质分为河川电站（常规水电站）厂房、潮汐电站厂房以及抽水蓄能电站厂房等等。图16-1 湖南镇水电站（引水式
4、）厂房总体布置图 三、水电站厂房的设计程序三、水电站厂房的设计程序 我国大中型水电站设计一般分为四个阶段：预可行性研究、可行性研究、招标设计及施工详图。预可行性研究的任务是在河流（河段）规划和地区电力负荷发展预测的基础上，对拟建水电站的建设条件进行研究，论证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。可行性研究的任务是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。招标设计中要对可行性研究中的遗留问题进行必要的修改与补充，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
5、，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。在施工详图阶段，则陆续对各项结构进行细部设计和结构计算，并拟定具体施工方法，绘出施工详图。对厂房设计而言，虽然厂房的型式、布置及轮廓尺寸在招标设计中已经决定，但机电设备供货合同尚未签订，详细的结构设计尚未进行，故一切决定都还是近似的。第二节第二节 水电站厂房的水电站厂房的组成组成水电站厂房是建筑物和机械、电气设备的综合体，而厂房建筑物是为安置机电设备服务的。在具体讨论厂房布置设计的原理前，本节概述厂房的机电设备的组成和建筑物的组成，并通过实例介绍它们之间的协调配合，使读者对水电站厂房的组成有一个整体概念。一、厂房的机电设备
6、一、厂房的机电设备 为了安全可靠地完成变水能为电能并向电网或用户供电的任务，水电站厂房内配置了一系列的机械、电气设备，它们可归纳为以下五大系统。(1)水力系统。即水轮机及其进出水设备，包括钢管、水轮机前的蝴蝶阀（或球阀）、蜗壳、水轮机、尾水管及尾水闸门等。(2）电流系统。即所谓电气一次回路系统，包括发电机、发电机引出线、母线、发电机电压配电设备、主变压器、高压开关及配电设备等。(3)机械控制设备系统。包括水轮机的调速设备如操作柜、油压装置及接力器，蝴蝶阀的操作控制设备，减压阀或其他闸门、拦污栅等的操作控制设备。(4)电气控制设备系统。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互
7、感器、表计、继电器、控制电缆、自动及远动装置、通讯及调度设备等。(5)辅助设备系统。即为设备安装、检修、维护、运行所必需的各种电气及机械辅助设备，包括：1)厂用电系统：厂用变压器、厂用配电装置、直流电系统。2)起重设备：厂房内外的桥式起重机、门式起重机、闸门启闭机等。3)油系统：透平油及绝缘油的存放、处理、流通设备。4)气系统（又称风系统或空压系统）：高低压压气设备、贮气筒、气管等。5)水系统：技术供水、生活供水、消防供水、渗漏排水、检修排水等。6)其他：包括各种电气及机械修理室、试验室、工具间、通风采暖设备等。图16-2给出了这五大系统的示意图。图16-2 主要机械、电气设备示意图1-水力系
8、统；2-电流系统；3-机械控制设备系统；4-电气控制设备系统；5-辅助设备系统 二、厂房的建筑物组成二、厂房的建筑物组成 厂房枢纽的建筑物一般可以分为四部分：主厂房、副厂房、变压器场及高压开关站。主厂房（含装配场）是指由主厂房构架及其下的厂房块体结构所形成的建筑物，其内装有水轮发电机组及主要的控制和辅助设备，并提供安装、检修设施和场地。副厂房是指为了布置各种控制或附属设备以及工作生活用房而在主厂房邻近所建的房屋。主厂房及相邻的副厂房习惯上也简称为厂房。变压器场一般设在主厂房旁，场内布置主升压变压器，将发电机输出的电流升压至输电线电压。高压开关站常为开阔场地，安装高压母线及开关等配电装置，向电网
9、或用户输电。厂房枢纽的四部分建筑物在图16-1中表示得很清楚。压力管道在厂房前分为四支，将水流引入主厂房，推动安装在主厂房内的四台水轮发电机组，用过的水则通过尾水渠排人下游河道。副厂房主要由两部分组成，一部分在主厂房东端（以下称端部副厂房），另一部分位于尾水管上（以下称下游副厂房）。变压器场位于主厂房西端进厂公路旁。高压开关站也分为两部分，110kV开关站位于变压器场之西，而220 kV开关站则布置在主厂房之东。三、水电站厂房内部三、水电站厂房内部布置布置以下用湖南镇水电站厂房为例，说明水电站厂房组成的整体概念以及机电设备的五大系统与厂房结构布置的关系，可参阅图16-1和图16-3至图16-8
10、。图16-3 湖南镇水电站主厂房横剖面图 图16-4 湖南镇水电站厂房装配场横剖面图 图16-3为通过机组中心的厂房横剖面图，它较直观地显示了主副厂房、水轮发电机组、以及主要控制设备和辅助设备在高度方向的布置。图中主厂房构架及其下的厂房块体结构所形成的建筑物为主厂房，尾水管扩散段以上的建筑物为副厂房。主厂房在高度方向常分为数层，如装配场层（高程为125.40 m)、发电机层（高程为122.50 m)、水轮机层（高程为116.00 m）及阀室层（高程为110.20 m）。习惯上把发电机层以上的部分称为上部结构及主机房，发电机层以下统称为下部结构，而水轮机层以下则称为下部块体结构。与主厂房分层大体
11、相对应，下游副厂房也分为四层。图16-4为通过装配场的厂房横剖面图，它表示了转子、主变压器等大件检修的场地安排以及下游副厂房的空间布置。该电站主副厂房各层的设备与结构布置则更清楚地表示在相应层的平面布置图中。图16-5 湖南镇水电站厂房装配场层（125.40m高程）平面布置图 图16-5为装配场层平面布置图。由图可见，主厂房沿其纵轴（即各机组中心连线）方向分为装配场和各个机组段，其中装配场位于主厂房西端，与进厂公路相接。装配场与机组段之间设贯穿至地基的伸缩缝。装配场是全厂主要机件安装和检修的场地，各种设备可经进厂公路直接运抵装配场卸车，主变压器也可沿专用轨道推入进行大修。装配场与主机房同宽，桥
12、式吊车通行其间，以便安装检修。该装配场与公路同高，但比发电机层高2.85m，故装配场东端（主机房侧）设有栏杆，而沿机组段北侧与东端设有走廊，可俯视发电机层，并经两座楼梯通向发电机层。图16-6 湖南镇水电站厂房发电机层（122.50m高程）平面布置图 图16-6为发电机层平面布置图。由图可见，主厂房内装有四台发电机，每台发电机的上游侧（第二象限）布置DT-100型电调机械柜及油压装置，靠墙布置电调电气柜及机旁盘。上游侧（第一象限）针对蝴蝶阀中心设了蝴蝶阀吊孔（兼吊物孔），靠墙布置了励磁盘。在#1、#2和#3、#4机组之间各设一楼梯下至水轮机层，在#1机下游侧及#4机旁各有一楼梯上达装配场。#2
13、、#3机之间设贯穿至地基的伸缩缝。装配场底层为压气机室及发电机转子承台，均由发电机层进人。图16-7为水轮机层平面布置图。由图可见四台机组的立柱型机座。每台机组上游侧（第一象限）设蝴蝶阀吊孔及空气阀，#3、#4机之间的上游侧布置了蝴蝶捆操作用油的油压装置（四阀合用）。每台机组下游侧（第四象限）布置发电机引出线，它们悬挂在水轮机层天花板上，通人下游副厂房。#3,#4机旁各设SK-500型励磁变压器一台。主厂房东端布置了检修排水及渗漏排水用深井泵各两台，西端设有消防水泵一台。上游侧东端的楼梯下至蝴蝶阀室，#1、#2和#3、#4机组间的楼梯上通发电机层。图16-8为通过蜗壳中心（高程113.70 m
14、）的水平剖面。图中表示了蜗壳及尾水管的平面尺寸、四台蝴蝶阀及其接力器、旁通管等。东端设有三个集水井及一座楼梯。图16-5至图 16-8还表示了下游副厂房的平面布置。下游副厂房分为四层，最低层高程为112.22 m（见图16-8），布置了两个事故油池及男女浴室。第二层与水轮机层同高（见图16-7），除在东端设了油处理室外，其余均用于布置发电机电压配电装置及母线，母线道延伸至变压器场。第三层与发电机层同高（见图16-6)，全部用于敷设各种电缆，通往上层各种表盘。最高层与装配场同高（见图16-5)，布置了值班室、中央控制室、继电保护室、自动远动室、厂用配电室、直流盘室、蓄电池室与载波机室等。图16-
15、5和图16-8中还绘出了端部副厂房的平面布置。端部副厂房也分为四层，最底层与装配场同高（见图16-5），布置有高压试验室、电工试验室、油化验室及通风机室。以上三层（见图16-8）布置办公室、会议室、夜班人员休息室、图书室及技术档案室，其中经第三层可上吊桥。总之，上面的介绍勾绘出了引水式地面厂房组成的整体概念。以下七节将按建筑物组成为序、以五大设备系统为线索，较为详细地讨论厂房布置的规律。第三节第三节 下部块体下部块体结构结构水电站厂房下部块体结构指水轮机层以下的厂房部分，它的形状及尺寸主要取决于水力系统的布置。中、低水头的水电站的各种机电设备中，过流部件的尺寸相对较大，因此，下部结构的尺寸一般
16、决定了主厂房的长度与宽度。对于图16-3所示水电站，下部块体结构即高程116.00 m以下部分，而水力系统包括压力钢管、蝴蝶阀、蜗壳、水轮机、尾水管、尾水闸门及它们的附属设备。一、水轮机、蜗壳及尾水管的布置一、水轮机、蜗壳及尾水管的布置同一座水电站上，一般安装相同型号的机组，但有时却由于订货或其他原因不得已安装不同型号的机组。图16-3所示水电站即属后者，其#3,#4水轮机是天津发电设备厂的HL-200-LJ-250型，转速250 r/min,而#1,#2机是杭州发电机厂的HL-009-LJ-250型。安装不同型号的机组常给设计、安装、运行、检修带来一些额外的麻烦。水轮机安装高程是厂房的一个控
17、制性标高。反击式水轮机的安装高程主要取决于气蚀。确定安装高程时下游尾水位常取一台机满发时的尾水位。若水电站建成后下游河床可能会被冲刷而导致水位降低的话，设计下游尾水位还要相应降低。图16-3所示水电站采用竖轴混流式水轮机，其安装高程(113.70 m)为一台机满发时的下游尾水(115.50 m)加上允许吸出高度H,再加上导叶高度的一半。厂址的地形地质条件有时也会影响水轮机的安装高程。例如，基岩座落较深时，适当降低安装高程可使得厂房的基础安置在完好基石上。引水式厂房内的混流式水轮机一般采用钢蜗壳，其几何尺寸由水轮机厂家提供。钢蜗壳常埋人混凝土中以防止振动，并由混凝土承受部分不均衡的作用力。蜗壳上
18、要设进人孔供检修时使用。进人孔常设在蝴蝶阀下游明钢管上，也可设在蜗壳顶部，从水轮机层地坪向下开孔进人。竖轴水轮机常采用肘形尾水管，其几何尺寸也由水轮机厂家给出，但可在一定范围内修改（需征得厂家同意），以满足厂房布置的特殊需要。如图16-3中，为了在尾水管之上布置副厂房，尾水管水平段长度由原来的11.25 m增至15.10 m，出口高度也略有增加。从图16-8中可见，为了结构需要，尾水管出口段增设了隔墩，同时尾水管出口宽度也略有增加。尾水管也要设供检修用的进人孔。进人孔常由蝴蝶阀室进入，开口于尾水管的直锥段，因为这里有钢衬，便于开孔，同时便于观察水轮机转轮。主厂房内无蝴蝶阀室时，只能由水轮机层开
19、孔先向下再拐向水平的尾水管进人孔。尾水管周围的块体结构布置有时还受到水轮机检修方式的影响。水轮机转轮受气蚀及泥砂磨损后常需补焊或换装新的转轮。对于横轴机组，拆装水轮机不影响发电机；对于竖轴机组，小修小补可在尾水管中进行，稍大一些的修补都要进行机组大解体，吊出转轮后进行，工作量很大。为了减少机组大解体的次数，国内外水电站上曾采用过几种方法。一种是在尾水管相应部分开设检修廊道或门，修补转轮或换装零部件（如转桨式水轮机的叶片）。另一种是设法在不拆除发电机的情况下将转轮从水轮机上部或下部抽出，例如埃若齐水电站（图16-9)的尾水管直锥段为活动的，需吊出转轮时，可将此活动直锥段拆除，将转轮向下吊放到特制
20、的小车上，沿转轮运输道推至下游墙边，再用厂房的桥吊经吊孔吊出运至装配场。我国四川渔子溪水电站也采用类似方法，需抽出转轮时，尾水管直锥段可分成两半拆除；正常运行时，直锥段用螺栓上紧，并加橡皮止水，还用四根紧固螺栓将直锥段固定在混凝土块体结构上，以减小振动。二、阀门及尾水闸门的布置二、阀门及尾水闸门的布置水电站机组采用联合供水（一管供全部机组）或分组供水（一管供几台机组）时，每台机组前都应装设阀门，以保证一台机组检修时，其他机组可正常运行。该阀门应能在动水中快速关闭，若水轮机发生事故，可迅速切断水流，防止事故扩大。通常水头高时装球阀，水头低时采用蝴蝶阀。蝴蝶阀常布置在主厂房内的蝴蝶阀室（或廊道）内
21、，其净宽约4-5 m，如图16-3所示。这样可以利用主厂房内的桥吊来安装及检修蝴蝶阀，运行管理方便，布置紧凑，但可能因此而加宽、加长主厂房。蝴蝶阀必须十分安全可靠，一旦破裂会导致水淹厂房。因此，对于水头较高的地下厂房，或结合考虑厂房布置的其他因素，有时将蝴蝶阀布置在主厂房之外。如图16-10所示的浙江黄坛口水电站，蝴蝶阀布置在主厂房上游墙外的蝴蝶阀室内，阀室设有专门的水流出口，万一阀门破裂，涌水得以排走。这种布置方式的缺点是蝴蝶阀的安装检修较困难，运行维护不方便。蝴蝶阀上游或下游常设伸缩节，以便于安装，并使受力条件明确。阀下游要设空气阀，放空时补气，充水时排气，正常运行时在内水压力作用下关闭。
22、蝴蝶阀上下游均设排水管，以便放空检修时排除积水及漏水。尾水管出口一般设有尾水闸门，机组检修时，将蝴蝶阀及尾水。闸门关闭，抽去积水，以便检修人员进入。当机组较长时间调相运行而尾水位高于转轮时，也需关闭蝴蝶阀（或导叶）及尾水闸门，排去部分积水，使转轮露出水面。一般水电站上只设1-2套（视机组台数而定）尾水闸门供轮流检修机组用，调相运行电站则按需要配置。大中型水电站的尾水闸门一般为平板闸门，通过尾水平台上移动式的启闭机（如门式吊车）操作。图16-3所示水电站的尾水平台用作公路桥，尾水闸门由悬挂在尾水平台大梁底部的电动葫芦操作，为此，在尾水平台下高程121.60 m处设了操作平台。尾水闸门需检修时，先
23、吊至118.20 m高程以上，再沿主厂房纵向运往设在装配场下游墙外高程为118.20m的尾水闸门检修场。操作、检修人员由尾水平台上的入孔进入，经楼梯达操作平台及检修场。图16-9 埃若齐水站厂房（a）平面图；（b）横剖面图 图16-10 黄坛口水电站主厂房横剖面图 三、下部块体结构中的其他设施三、下部块体结构中的其他设施有些水电站厂房内设有减压阀（空放阀），如图16-9所示。减压阀的作用已在第十五章中讲过。减压阀一般装在水轮机蜗壳上，经减压阀泄放的水流通过减压阀泄（尾）水管排至尾水渠。厂房下部块体结构中还可能布置有排水廊道及检修廊道，并设有相应的楼梯及吊物孔。此外，集水井、水泵室、事故油池等也
24、常布置在厂房的最底层。如图16-8所示，该厂房下部块体结构中，除蝴蝶阀室、蜗壳及尾水管外，还布置了楼梯、排水沟、三个集水井及两个事故油池等。四、下部块体结构的最小尺寸四、下部块体结构的最小尺寸决定厂房卞部块体结构的尺寸时，必须周密考虑厂房的施工、运行及强度、刚度、稳定性等各方面因素。水电站厂房的施工是分期完成的。第一期浇筑的叫一期混凝土，如尾水管扩散段、肘管段及主厂房的外墙、构架、吊车梁、屋顶等。首先浇筑一期混凝土结构的目的是为了形成封闭的挡水周界，保证汛期施工，同时尽早安装桥吊，以便用它来进行厂房内部的施工及安装。二期混凝土一般包括尾水管的直锥段、座环、蜗壳、发电机机座及各层楼板，可见图16
25、-3图16-8中有斜线条的部分。下部块体结构二期混凝土施工时，先给直锥段、座环、蜗壳准备好支墩，然后进行这些部件的组装与焊接，再绑扎钢筋及立模，最后才能浇筑混凝土。各机组段施工进度不一，其块体结构二期混凝土自成体系。图16-11 主厂房下部块体结构的最小尺寸 图16-11表示决定主厂房下部块体结构最小尺寸的一般原则。在高度方向，水轮机安装高程及蜗壳、尾水管的尺寸决定后，可将其绘出。根据水轮机安装高程及转轮尺寸可定出尾水管的顶部高程，向下减去尾水管高度得出尾水管底部高程，再减去尾水管底板厚度就得到基岩的开挖高程。尾水管底板厚度可先凭经验估算，以后通过结构计算进行复核。岩基上的尾水管底板厚一般为1
26、2 m。由水轮机安装高程向上加上蜗壳尺寸，再加上蜗壳顶部外包混凝土的厚度得出块体结构的顶部高程（即水轮机层地面高程）。厚度也先凭经验估算，以后再进行验算。对于中型机组可取lm左右这样就大致确定了块体结构的高度。块体结构二期混凝土的平面尺寸，首先取决于蜗壳的平面尺寸及施工条件。为了拼装及焊接蜗壳、绑扎钢筋及浇捣混凝土，蜗壳四周的混凝土厚度配 至少为0.81.Om，对于大型机组，该厚度可超过2m。蜗壳沿厂房纵轴线方向的尺寸加上两倍 就得出一个机组段的最小长度。机组中心至下游侧蜗壳外缘的尺寸加上，再加上外墙厚度（一般13m)得出下游侧块体结构的宽度；机组中心至上游侧蜗壳外缘尺寸加上外包混凝土厚度，再
27、加上蝴蝶阀室的宽度，再加上外墙厚度给出上游侧块体结构的宽度。这样，又大致确定了块体结构的平面尺寸。上面确定的尺寸是块体结构的最小尺寸。由于其他因素的影响（见本章下面几节），实际采用的尺寸可能适当加大；此外，所有尺寸还必须经结构计算来校验（见第十九章）。在图16-3图16-8所示厂房中，水轮机安装高程为113.70 m，向下减去半个导叶高度0.25 m，再减去尾水管高度6.5 m，得尾水管底部高程106.95m。钢管直径3.20 m，取=0.70 m，则113.70+3.20/2+0.70=116.00m即为水轮机层高程。沿厂房纵轴向蜗壳最大尺寸8.61 m，若取=l.0 m，则由此定出的机组段
28、最小长度为10.60 m。图上所示实际长度为14.00 m，远大于10.60 m。这是因为该厂房原设计采用HL160-LJ-330水轮机，据之定出机组段长为14.0 m，并已开挖了隧洞及钢管的支洞；后修改设计，改用图中所示的HL200-LJ-250水轮机，但支洞已挖好，故维持机组段长14.00 m。沿厂房横向，机组下游侧蜗壳外包混凝土厚度采用0.8 m左右，墙厚取2.00 m，则机组中心至墙外侧距离为7.10 m。若下游侧无副厂房，此即外墙。现设计中由于布置副厂房的要求，将尾水管加长，并加设一道外墙，使得机组中心至外墙外侧距离为15.00 m。机组上游侧，蜗壳外包混凝土厚为1.30 m左右，以承受机墩传下来的力，因此机组中心至二期混凝土外侧距离4.25 m，再加上蝴蝶阀室净宽4.25 m，得机组中心至构架内侧距离为8.50 m。