水利工程设计要点04电站引水系统设计

发布于 2021-01-18 07:13

第四章电站引水系统设计

1. 电站引水系统及电站厂房

1.1 电站引水系统

1、1、1 河床式电站取水系统

河床式电站取水系统（图4-1），厂房本身承受上游水压力，成为挡水建筑物的一个组成部分，它安装高程较低，基础开挖量较大，要特别重视泥沙、防污、抗滑稳定和使地基应力分布均匀等问题。

适用于水头较低，单机容量较大的情况。

图4-1 河床式电站取水系统

1、1、2 坝后式电站取水系统

坝后式电站取水系水电站水头较高，建坝挡水，再将厂房紧靠坝布置的厂房，称为坝后式厂房，它又可以分为下列几类：

（1）坝后式明厂房（图4-2），厂房在大坝的下游，不起挡水作用，发电所需的水经过坝式进水口沿着坝身压力管道引入厂房，适用于中、高水头的情况。

图4-2 坝后式明厂房

（2）坝垛式厂房，厂房布置在连拱坝，大头坝或平板坝的支墩之间，适用于中水头情况。

（3）溢流式厂房，当河谷狭窄，泄洪量大，机组台数多，地质条件较差，不能利用采用地下式厂房时，又需要保证有一定宽度的溢流段时，把坝顶溢流段与厂房结合在一起，如新安江水电站，这种形式的厂房结构要求能抵抗高速水流的荷载，溢流面的施工要求平滑，使泄洪时不致发生震动和掺气。这种厂房设计计算比较复杂，施工质量要求较高。

（4）挑流式厂房（图4-3），当在峡谷处建高坝，高水头大流量，泄洪时高速水流挑越过厂房顶，水舌射落到下游河床中，如乌江渡水电站和漫湾水电站，这种形式的厂房在泄洪开始时和终结前，有小股流量水舌撞击厂房顶，但时间短，荷载不大，不够成对厂房安全的威胁，且不致引起厂房的共振和气蚀，但挑射距不如溢流式厂房挑射的远。

图4-3 挑流式厂房

1、1、3 坝内式厂房

当洪水量很大，河谷狭窄时，在坝轴线上不容易布置水电站厂房和溢洪道；如果在岸边建造地面式厂房，开挖量很大；如果采用地下式厂房，地下开挖量也不少。这时可以考虑将厂房布置在混凝土坝、宽缝重力坝或拱坝的内腔（图4-4），而在坝顶设溢洪道。

图4-4 坝内式电站厂房

这种形式的厂房可以充分利用坝体的强度，省掉厂房的混凝土工程量；在施工时，坝内空腔对混凝土的散热和冷却有利，还可以利用空腔设置坝基排水，降低扬压力；厂房布置不受下游水位变化的限制。

坝体施工质量要求较高，施工期对拦洪或导流以及大坝分期施工或分期蓄水等方面，不如实体混凝土重力坝有利，且坝体结构计算复杂，往往需要做不少试验，才能确定一个较好的轮廓尺寸。

1、1、4 引水式电站取水系统

引水式水电站是在河段上游筑闸或坝（或无坝）取水，经人工引水道引水到河段下游来集中落差所建的水电站。

图4-5 小浪底枢纽电站进水口

图4-6 小浪底枢纽电站进水口全景

由于引水道集中落差的原理是人工引水道的糙率、流速和水面坡降均比原河段的小。所以最适用于坡降大的河段，或河道裁弯引水和跨流域引水，这样可以从取得很高水头。

引水道式水电站一般不需建高坝，造价较低，主要用于流量较小，河道坡度较陡的山区河流。

1、1、5 地下式电站厂房取水系统

受地形、地质的限制，在地面上找不到合适位置建造地面式厂房，而地下有良好的地质条件或是国防上的需要，可将厂房布置在地下山岩中（图4-7）。

适用于河道比较狭窄，洪水比较大，地质条件良好的情况, 可减少与泄洪建筑物之间的矛盾，并且在建造厂房时与大坝施工和施工导流无干扰。

图4-7 溪落渡地下式电站厂房取水系统

1、2 电站厂房的组成及功用

1、2、1 水电站厂房的功用

修建以发电为主的水利枢纽，首先应修建挡水枢纽（坝、闸等），引水枢纽（隧洞、渠道）才能将水引入厂房。有压水流通过水轮机，将水能转变为机械能，再通过发电机将机械能转变为电能，然后输送给用户作为能源。装设水轮机、发电机及各种机电辅助设备的工厂，称为水电站厂房。

水电站厂房是一座用水来发电的工厂，它是水力机械、电气设备和土建的综合体。在进行厂房设计之前，对水力机械、电气设备在厂房中的作用和布置应有一定的了解，才能设计出合乎要求的水电站厂房。

1、2、2 水电站厂房的组成

因利用水能发电，故水电站厂房是机、电、水的综合体，主要由四部分组成。

图4-8 水电站厂房的组成示意图

（1）主厂房。它是安装水轮机和发电机的主要场所，由于水轮机和发电机（简称机组）有一定高度，因此主厂房一般为2～3层的工厂建筑。

下层为引水道和尾水道等过流部件。

中层为机墩、电缆等设备层。

上层为发电机的定子、转子设备，即厂房的运行操作层。

由于各层的功用不同，下层在土建上多为块体结构，而上层多为框架结构。各层的布置也因功用不同而异。

（2）副厂房。它是保证主厂房正常发电的辅助场所。

副厂房内部主要布置有水力机械和电气设备的辅助设备，如水机的油、水、气系统等有关设备，及电机的电缆、母线、高压开关、厂用变压器、仪表盘等设备。

（3）变压器场。发电机发出的电流，一般电压不够高，若需输送给远距离的用户，必须升高电压，才能减少电能损失，因此要设升压变压器。放置变压器的场所可称为变压器场。

（4）高压开关站。升高电压后的输电线需经一定的开关控制设备才能送走，这些设备，如油开关、闸刀开关、各种互感器、汇流排等放置的场所，称为高压开关站。若升压变压器也放在开关站内，就称这个场所为升压站。

主副厂房，升压站，为厂房必不可少的组成部分，缺少任何一项均不能正常发出电来。

1、2、3 由运行系统看厂房的组成

厂房由水轮机、发电机组成，故从运行角度看，厂房应有以下几大系统。

（1）过流系统。由进水钢管、蝴蝶阀、蜗壳、水轮机、尾水管、尾水闸门、尾水渠等组成。它的功用是引进水流，冲动水轮机，然后排走用后之余水。

（2）电气系统。发电机发出的电，经升压后才能送给用户，升压后经过的电气设备称电气一次回路。它包括发电机及其引出线、电压电流配电设备、主变压器、各种母线、电缆、升压站内设备等。

（3）二次回路系统。属监控设备的仪表和电缆称二次回路。它的设备有机旁盘、励磁盘、中控室中各种表盘、互感器、继电器、控制电缆等。

2. 坝后式电站引水系统设计

2.1 坝式引水系统设计

2.1.1 电站引水系统的进口高程

对于混凝土坝，电站引水系统的进水口多设在坝上，因此称为坝式进水口，厂房紧靠坝下游（或位于坝内），进水口与坝体结合形成整体。这种形式的进水口，引水路线最短，水力条件好。

电站引水系统的进水口高程（图4-9）应在水电站运行中可能出现的最低水位（或死水位）决之下，为避免进水口出现旋涡和吸气，漏气现象，需要满足最小淹没水深的要求，一般还应在淤砂高程之上0.5~1.0m。

在工程实际中，由于地形限制和边界条件的复杂性，要求进水口完全不产生旋涡和吸气现象是困难的，上式只能作为初步确定最小淹没水深的依据。

图4-9 坝式进水口

2、1、2 进水口的型式和尺寸

进水口的进口段、闸门段及渐变段的轮廓尺寸及线型要保证最优的水流条件，减少水头损失，并满足设备布置需要。

（1）进口段

为了使水流平顺地进入引水道，减小水头损失，进口流速不宜过大，一般控制在左右。进口段一般采用三向收缩的喇叭口形，其轴线在平面上呈直线布置。

顶板曲线采用上四分之一椭圆曲线，曲线方程式为，其中长轴，短轴，两侧边壁的轮廓也用椭圆曲线。进口段的长度无一定标准，在满足工程结构布置需要及进水可能允许的尺寸与水流顺畅条件的原则上要求布置紧凑。

（2）闸门段

图4-10 坝式进水口型式

一般应在闸门段设工作门和检修门（图4-10 ），闸门段是渐变段和进口段的连接段，进水口通常设置两道闸门，即工作闸门（或称事故闸门）及检修闸门。

工作闸门仅在全开或全关的情况下工作，不用于调节流量，在引水道或机组等突然发生事故时，能够在动水情况下迅速（2～3分钟内）关闭，快速切断进入引水道的水流，也可用以关闭进水口以便检修引水系统。为减少启门力，并避免闸门在开启的瞬间高速水流冲入压力管道，而引起管道振动，一般在闸门开启之前先用充水阀充水，待上下游水压力平衡后，再开启闸门。

工作闸门的启闭设备，通常在每个进水口设一套固定式卷场机或油压启闭机并设自动控制装置，以便随时可以操作闸门。平面闸门应能吊出门槽进行检修。

检修门是为检修工作闸门及门槽时用来堵水。检修闸门设在工作闸门之前，当工作闸门检修时用以临时挡水，有时也可代替工作闸门。几个进水口可以共用一套启闭设备，采用进水口平台上的移动式启闭机操作。

两闸门之间通常设计成横断面为矩形的水平段，其间距应满足闸门安装、维护工作所需要的净空距离。闸门孔口采用矩形，考虑到深水工作闸门制成窄高形式有利于承载，其宽度稍小于或等于压力管道直径，闸门段的横断面常取引水管道的1.1倍左右。

（3）渐变段

渐变段是由闸门段到压力引水管道的过渡段（图4-11 ），为使水流不产生涡流并尽量减少水头损失，由矩形变到圆形采用在四角加圆角过渡。为使水流平顺连接，坝式进水口的渐变段长度取为压力管道（或隧洞）直径的倍，收缩角为一般取，以为宜。渐变段的示意图4-1如所示。

图4-11 渐变段示意图

2、1、3 进水口主要设备的设计

（1）拦污栅

图4-12 拦污栅的布置形式

拦污栅的作用是防止污物进入进水口（压力管和水轮机）。

拦污栅的布置形式决定于进水口的型式和电站引用流量不小，当地的气候和件、水库水位变化范围、拦阻污物的最小尺寸和清污方法等。

坝式进水口，拦污栅构架在平面上布置成直线形或沿半圆周布置成多边形，使行进水流从正面及两侧平顺的流入进水口，垂直布置，拦污栅的栅面与水流线垂直。立面上可为垂直的或倾斜的，当用人工清污时，根据运行经验，其倾角一般为60º～70º。

图4-13 进水管前的拦污栅

根据近年来工程实际运行经验，如机组引用流量较大，为了增大拦污栅过水面积，常将各个进水口的拦污栅连成一个直线形整体，不再分隔，这样可以充分利用进水口前的空间，在部分栅面被泥沙污物堵塞时，仍可通过邻近栅面进水，起到互为备用作用，结构上也比较简单，施工方便，还便于用机械清污。

为了增加进水口的抗震性，将拦污栅墩，闸门井等通过板梁系统与坝体紧密连接在一起。

（2)通气孔

在引水道进行充水或放空过程中，闸门后需要排气和补气，特别是当动水下门时，问题更为严重，会引起压力管内局部真空形成负压，为此必须紧接闸门后设置通气孔（图4-14）。

根据原型观测统计资料，一般有压洞通气孔面积为孔口面积的3～5%，无压洞通气孔面积为孔口面积的10%左右,通气孔的面积一般为引水管道面积的。

为避免闸门局部启闭时，高速水流带走门后的空气而产生负压并引起门槽或门后洞壁和洞顶的空蚀，同时也为了减弱水流的波动及满足工作和检修时的给排气要求，须设置通气孔，布置在闸门的下游侧。通气孔一般采用的圆形断面形式。

（3）平压管

为减少检修闸门的启门力，需要设置平压管，根据闸门段结构特点，平压管设置在工作闸门上，以便于检修。

（4）压力管道

图4-14 引水管道上的通气孔

图4-15 压力管道

从水库将水流在有压状态下输送给水轮机的管道，采用坝内埋管的形式，倾斜式布置，由于引水道较短，一般采用单管供水，即一管一机，压力管道的直径应进行经济比较选定。压力钢管上弯道的转弯半径取倍管径。

在设计流量一定的情况下，压力管道的直径与管内流速、水头损失和工程造价等密切相关。选择较小的直径，钢材用量和土建工程量较小，但水头损失（电能损失）大，反之，选择较大的直径，水头损失（电能损失）小，钢材用量和土建工程量较大，这里存在着经济技术比较的问题，应拟定几个方案进行经济技术比较。

2、2 水电站厂房设计要点

厂房设计时，主要是进行厂房的立面、平面布置。若布置合理，今后运行就很安全方便，投资也会很省。由于影响厂房布置的因素很多。因受地形、地质、水文、气象等不同因素的影响，很难作到定型化，必须因地制宜、充分论证比较后才能确定。

厂房布置应满足下列一些原则:

（1）尽可能选择有利的地形地质条件，厂房不要布置在滑坡或陡坡地段。

（2）尽量使水流平顺进出厂房，以减少水头损失，防止淤积和冲刷。

（3）尽量使厂内外交通方便。

（4）尽量节约投资，并使运行管理方便。

2、2、2 主厂房平面各层尺寸的确定

2.2.2.1 机组段的长度

厂房的宽度在立面布置时要考虑，此外在平面布置中也要研究。厂房的长度取决于机组段的长度。

机组段长就是2台机组的中心线之间的距离，应由发电机层、水轮机层、蜗壳层最大需要的尺寸来确定（图4-20）。

图4-20 机组段的长度示意图

（1）发电机层机组段长的确定

发电机层布置时，应考虑2台机组之间应有足够宽的行人通道，一般应为1～2m。此外若布置调速器及油压装置时，则会影响过道宽度，影响了多少，过道即应加多少。大型电站，一般一台机组一道楼梯，则楼梯可占宽度应加在机组段中。一般主楼梯宽1．5m左右，因此机组段长为：发电机风罩直径，加 l～2m通道宽，加调速器占去的尺寸，加楼梯宽。此值计算出后，再按水轮机层和蜗壳层的要求核对比较，最后决定。

（2）水轮机层机组段长的确定

在水轮机层的土建和机电设备布置中，每个机组段应考虑以下因素布置：

机组的机墩四周能过运行人员。

上下游两边能布置下水力机械及电气设备。由于发电机层风罩圈尺寸总大于机墩圆筒尺寸，故水轮机层一般均能布置下设备，这一层的布置对机组段长度不起控制作用。

（3）蜗壳层及尾水管层机组段长的确定

蜗壳层及尾水管层的结构布置对机组段长度有一定影响。尤其是一台运行一台放空时，两蜗壳之间混凝土净厚度应满足蜗壳承受之内水压力对结构厚度的要求。两条尾水管之间的净间距也应满足结构厚度要求。

将发电机层、水轮机层、蜗壳层及尾水管层所需要的机组段长进行比较，取最大值为厂房的机组段长度。

因为吊车在起吊任何物体时，吊钩必须正对机组中心。因吊车本身有一定宽度，起吊最边上一台机组时，吊钩对准中心后，厂房必须延长一个才能放下吊车。故边机组段较中间的机组段要长些。初步估算时，，为机组水轮机转轮直径。

右端增加值的确定：因机组段长为机组中心到中心之距离为L值，而右边最边一台机组还有一半的蜗壳结构，蜗壳外还应有结构厚度，故右边机组要适当延长一个，才能以缝和安装间联接。

（4）安装间长度的确定

安装间是机组安装和检修的场地，任何电站均应设置。平常运行时，为一空旷无物的房间，不设任何设备在内，但吊车必须要能覆盖此房间的主要部分。安装间与主厂房联在一起，一般厂房内，它不在左端就在右端，而且与对外交通线密切联系，才便于设备由公路或铁路运进来组装。安装间的高度一般与发电机层同高，才便于共用一台吊车。

安装间高程在下游尾水洪水位以上。与外界交通线联接时，门前应有一平段，便于回车，也安全，以免汽车或火车下坡时冲入主机段，撞坏机组，有一平段便于降低车速。

安装间的功用既然是安装和检修机组，它就应能放下机组的主要部件，一般为下列五大件：发电机转子带轴、上机架、下机架、水轮机顶盖、水轮机转轮及轴。这五大件在安装或检修时，放在安装问中，彼此应有l m左右的间隔，以便运行人员检查维修时操作方便。因此安装间的面积应以放下这五大件为准。

2、2、2、2 机组段宽度的确定

主厂房的宽度应由发电机层、水轮机层和蜗壳层三层的布置要求来共同决定。

（1）发电机层中，首先由起吊转子带轴的方式决定是由上游侧或下游侧吊走，还是由厂房中部吊走。若由下游侧吊走，则厂房下游侧宽度主要由吊运之转子宽决定。若从上游侧吊走，则上游侧较宽。若从中间吊走，则厂房高而窄，两边的宽度由交通要求和设备布置决定。此外，发电机层是运行层，其厂内交通应畅通无阻，不应有死角。一般主要通道宽2～3m，次要通道宽l～2m。在机旁盘前还应留有lm宽的工作场地，盘后应有0．8～l m宽的检修场地，才便于运行人员操作。

（2）水轮机层中，一般上下游侧分别布置水轮机辅助设备（即油水气管路等）和发电机辅助设备（电流电压互感器、电缆等）。以这些设备布置后，不影响水轮机层交通来确定水轮机层的宽度。

（3）蜗壳层一般由设置的检查廊道、进人孔等确定宽度。蜗壳和尾水管进人孔的交通要通畅，集水井水泵房设置应有足够的位置，以此确定蜗壳层平面位置。

主厂房宽度的确定，以三层的布置要求均能满足为原则。

当宽度基本确定后，最后要根据吊车标准宽度进行验证，最终宽度必须满足吊车的要求。

3. 引水式水电站和地下厂房式电站设计要点

3.1 隧洞式引水系统设计

引水式电站和地下厂房式电站的隧洞式引水系统是地下结构，隧洞的进口一般是深孔，其结构形式主要有竖井式进口建筑物和塔式进口建筑物。

3.1.1 竖井式进口建筑物

竖井式进口建筑物，即在进口附近的山体中开挖建成（图4-21）。

竖井式是在隧洞进口部位的山体中开挖竖井，井的底部装置闸门，顶部设置操纵室和启闭机。

优点是结构简单，全部埋在山体中，抗震及稳定性较好，比较安全可靠；进口明挖少，对边坡要求不高；在地形、地质条件合适时，工程量小，造价也较低。

缺点是竖井之前的隧洞不便检修，有时竖井开挖也较困难。