水电站设计论文范文

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1.1.1洪峰流量合成方法沣河秦镇大坝位于潏河入汇口下游，沣河在秦渡镇以下没有设立过水文站，无水文资料，本次将沣河干流秦渡镇站洪水与支流潏河同次洪水错开传播时间相加合成，用合成的洪峰流量系列进行频率分析计算，推求工程处的设计洪水。根据流域水系分布特征，沣河干流秦渡镇站以上河长比潏河短24.2km，平均比降比潏河大2.6倍，流域呈扇形，上游各峪洪水汇流集中，所以，秦渡镇站以上洪水汇流时间较潏河短，洪水先于潏河洪水到达汇合口，洪峰时间一般相差约4h左右，一般情况是秦渡镇站以上洪水洪峰流量与潏河基流或起涨段洪水过程叠加。沣河秦渡镇站1943年～1949年为秦渡镇（三）站，距沣河与潏河交汇口为694m；1950年～1964年为秦渡镇（四），距两河交汇口为824m；1965年至今为秦渡镇（五）站，距交汇口为800m。潏河1943年～1964年为秦渡镇（二）站，距河口距离为0.5km；1965年至今为高桥站，距河口距离为7.0km。根据两站不同时期的实测流量成果资料，采用τ=L/V公式计算测流断面某流量于两河汇处的传播时间，分别建立两站流量Q～传播时间τ相关关系曲线，求得两站不同时期各级流量洪水至潏河口的传播时间。1.1.2洪峰流量合成由于1943年～1954年沣河秦渡镇（三）或（四）站、潏河秦渡镇（二）站没有洪水要素摘录资料，本次采用同日洪峰流量相加合成；1955年～1964年根据两站流量Q～传播时间τ相关关系曲线，以沣河秦渡镇（四）站洪峰流量和出现时间为依据，错开传播时间推求潏河秦渡镇（二）站相应流量，沣河秦渡镇站洪峰流量加潏河相应流量等于合成后的沣河洪峰流量。潏河高桥站1965年～1979年有流量资料，1980年～2008年只有水位资料。本次首先推求出高桥站水位～流量综合关系曲线，再根据水位过程推求出与沣河秦渡镇（五）站对应的洪水流量过程。采用同样方法进行洪峰流量合成。经过合成，沣河潏河交汇口处有1943年～2008年共66年的合成洪峰流量系列，另外还调查到1883年以来两次较大的历史洪水，这在大、中流域系较长资料系列，但对总体而言，仍为容量有限的样本。绘制沣河潏河交汇口处历年最大合成洪峰流量过程线图，见图1。从图1中可以看出，沣河潏河交汇口处合成洪峰流量系列已长达66年，基本上包括了丰、平、枯时段和各种来水组合，且又加入了历史调查洪水，同时，洪水系列正递序均值、变差系数Cv随历时变化也趋于稳定，因此认为该洪水系列具有较好的代表性。

1.2水文比拟法推求设计洪水

灞河位于设计流域沣河东侧，为相邻流域。灞河马渡王站位于灞河中游，其控制流域面积由秦岭北麓山区和渭河南岸平原两部分组成，和沣河秦镇大坝区段以上流域面积组成相似，故本次以灞河马渡王站为参证站，采用水文比拟法推求工程处的设计洪水。1.2.1参证站设计洪水分析计算根据马渡王站1952年～2008年共57年洪峰流量系列，按照《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44—2006）推荐的方法，以年最大值法选样，并加入1835年历史调查洪水，按不连续系列进行频率分析，洪水经验频率采用数学期望公式进行计算，均值及变差系数Cv采用矩法计算，理论频率偏态系数Cs按经验取Cv的倍比通过适线确定。经过适线，求得灞河马渡王站设计洪水频率计算成果及统计参数，详见表1。1.2.2工程处设计洪水计算沣河潏河交汇口处的设计洪水以灞河马渡王站为参证站，采用水文比拟法进行计算，计算公式为：Q工程处=F工程处F参证站!"23×Q参证站式中，Q工程处、Q参证站—分别为工程处和参证站灞河马渡王站设计洪峰流量（m3/s）；F工程处、F参证站—为工程处和参证站灞河马渡王站控制流域面积（km2），分别为1253km2和1601km2。经过计算，得到沣河潏河交汇口处的设计洪水成果，详见表2。

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1水轮机的选择

水轮机是水电站一个十分重要的设备，水流的动能和势能转换成机械能就是通过水轮机来实现的。水轮机选择合理与否，直接影响到机组的效率和运行的安全性、经济性。

1.1机组台数的选择

农村小水电站机组台数与电站的投资、运行维护费用、发电效益以及运行人员的组织管理等有着密切的关系。通过多年设计和运行经验表明：农村小水电站机组台数一般为1～4台，且型号应尽量相同，以利于零部件通用和维修管理方便，其中每座电站2台机组居多。

1.2水轮机型号的选择

水轮机型号的选择合理与否，直接影响到水轮机的运行效率、汽蚀和振动等。选择型号时，既要考虑水轮机生产厂家的技术水平和运输的方便程度，又要确保水轮机常处于较优的运行工况，即尽量处于水轮机运转特性曲线图的高效区。尤其是机组运行时，水头的变化不要超过水轮机性能表的水头范围，否则会加剧水轮机汽蚀和振动，降低水轮机效率。

1.3机组安装高程的确定

水轮机的安装高程不能超过水轮机允许的最大吸出高度，否则会引起水轮机转轮的汽蚀、振动等不良现象，因而缩短机组的运行寿命。

（1）卧式机组：安=Z下+hs-/900-D/2

（2）立式机组：安=Z下+hs-/900

式中Z下——尾水渠最低水位（m）；

hs——水轮机理论吸出高度（m），查水轮机应用

范围图及hs=f(H)曲线；

D——水轮机转轮直径（m）；

——水电站厂房所在地的海拔高程（m）。

为了消除或减轻水轮机汽蚀，可将计算出的安降低0.2～0.3m确定安装高程。

2电气主接线的拟定

小水电站的电气主接线是运行人员进行各种操作和事故处理的重要依据之一。农村小水电站装机容量往往有限，一般装机台数不超过4台，相应电站的电压等级和回路数以及主变的台数都应较少。考虑到小水电站（尤其是单机100kW以下的微型电站）的机电设备供应比较困难，运行和管理人员的文化、业务素质普遍较差，从进站到熟练掌握操作、检修、处理故障及优化运行等也有一个过程。因此，农村小水电站的电气主接线在满足基本要求的前提下，应力求采用简单、清晰而又符合实际需要的接线形式。

对于1台机组，宜采用发电机—变压器组单元接线；对于2～3台机组，宜采用单母线不分段接线，共用1台主变；对于4台机组，宜采用2台主变用隔离开关进行单母线分段，以提高运行的灵活性。

3电气测量及同期装置

并入电网运行的小水电站电气测量应包括：三相交流电流、三相交流电压（使用换相断路器和1只电压表测量三相电压）、有功功率、功率因数、频率、有功电能、无功电能、励磁电流和励磁电压等的监视和测量。发电机的测量、监视表计、断路器、互感器及保护装置等装在控制屏上（发电机控制屏）；电网的表计、断路器、同期装置等装在同期屏上（总屏）。

保护装置

农村小水电站主保护装置的配置应在满足继电保护基本要求的前提下，力求简单可行、维护检修方便、造价低及运行人员容易掌握等。

4.1过电流保护

单机750kW以下的机组，可以采用自动空气断路器的过电流脱扣器作为过流及短路保护，其动作整定值可以通过调整衔铁弹簧拉力来整定，整定值一般为发电机额定电流的1.35～1.7倍。为了提高保护的可靠性，还可采用过流继电器配合空气断路器欠压脱扣器作过流及短路保护，继电器线圈电源取自发电机中性点的1组（3只）电流互感器，继电器动作值亦按发电机额定电流的1.35～1.7倍整定。

原理：当发电机出现短路故障时，通过过流继电器线圈的电流超过其动作值，过流继电器常闭接点断开，空气断路器失压线圈失电而释放，跳开空气断路器主触头，切除故障元件——发电机。

4.2欠压保护

当电网停电时，由于线路上的用电负荷大于发电机容量，此时电压大幅度降低，空气断路器欠压线圈欠压而释放，跳开空气断路器，以防电网来电造成非同期并列。

4.3水阻保护

当发电机因某种原因(如短路、长期过载、电网停电等)突然甩负荷后，机组转速会迅速升高，这种现象叫飞逸。如果不及时关闭调速器和励磁，可能造成事故。一般未采用电动调速的农村小水电站可利用三相水阻器作为该保护的负荷。

水阻器容量按被保护机组额定功率的70%～80%左右考虑。如果水阻容量过大，机组甩负荷瞬间，将对机组产生较大的冲击电流和制动力，影响机组的稳定，严重时可能造成机组基础松动。反之，如果水阻容量过小，达不到抑制机组飞逸转速的目的。水阻器采用角钢或钢板制成三相星型、三角型均可。

对于单机125kW及以下的电站，水阻池内空，以长为机组台数×（0.7～1）m，宽为（0.7～1）m，深为0.6～0.8m为宜，同时考虑机组容量大小，应在短时间内（如3～5min）不致于将池中的水煮沸。

在调试水阻负荷大小时，应在水中逐渐施加水阻剂，调试水阻负荷，直到达到要求为止。

4.4变压器过载、短路保护

变压器高压侧采用跌落式熔断器（或SN10-10型少油断路器）作过载、短路保护。运行经验表明，额定电压为6～10kV的跌落式熔断器只能用在560kVA及以下的变压器,额定电压为10kV的跌落式熔断器只能用在750kVA及以下的变压器。当变压器容量超过750kVA时，应采用油断路器。跌落式熔断器熔丝按下列公式选择：

当Se＜100kVA时，熔丝额定电流=（2～2.5）×高压侧额定电流；当Se≥100kVA时，熔丝额定电流=（1.5～2）×高压侧额定电流。

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电气设备的选择与布置

1995年以前的中小型水电站，由于受当时技术水平和建设资金的限制，电气设备存在性能较差、安全性不符合现要求、维护工作量大以及备品备件难以购买等问题。例如，低压开关柜多为GGD型或更老的BSL型等，开关和保护设备为DW系列或DZ10系列，而更多的是采用熔断器保护；10kV设备采用GG-1A开关柜配SN10少油断路器，或早期的真空断路器；35kV设备采用DW6、DW8等系列的多油断路器，或GBC户内型高压开关柜；110kV设备采用SW3、SW6及SW7少油型断路器；变压器采用SLJ1或SF7型等。这些设备是目前国家已明令禁止使用的产品，开断电流小，损耗大，不环保，由于诸多原因长期带病运行，严重影响电站和电网的安全，因此对这些电气设备进行更新换代是十分必要的。电气设备的选择应按照安全可靠、技术先进、维护简单方便和经济合理的原则进行，并应适应农村水电站的特点。对电气设备应根据增效扩容后的参数和短路电流计算结果来选取，而不应延用旧设备的参数来确定新设备的参数，这样可保证更换的电气设备能适应目前和将来系统发展的要求。由于设备基础、支架、房间的尺寸和开关站的位置均保持不变，因此在选择电气设备型式时还应考虑这些因素，尽可能多地利用已有基础或仅做小改动。

接地系统的检查与修复

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2电站设计方案

2.1装机容量和发电量

南伟水电站采用3台单机容量1600kW的立式轴流机组，最大运行水头20.13m，最小运行水头17.43m，水轮机额定水头19.0m，额定流量10.6m3/s，多年平均年发电量911.52万kW·h，装机年利用小时1899h。

2.2枢纽总布置

南伟水电站为坝后式开发，工程枢纽由拦河坝、输水隧洞、承压箱、厂房和升压站组成。拦河坝为已建，有压输水隧洞位于左岸，进水口在左坝肩上游95m处，出口位于大坝下游300m处的岸边，隧洞总长309m，出口接承压箱和发电厂房。

2.3主要建筑物

(1)水库大坝南伟水库大坝于60年代建成，为砌石重力坝，最大坝高24.02m，坝顶高程239.10m，坝顶宽3.0m，坝顶长139.6m;溢流堰堰顶高程229.5m，堰顶长80m，采用挑流消能方式;非溢流坝坝顶高程239.1m。灌溉放水涵布置在左非溢流坝段，放水涵后接灌溉明渠。(2)输水隧洞发电输水隧洞进水口为岸边式，进口底板高程为223.00m，进口闸门为平板钢闸门，孔口尺寸为4.0m×4.0m。输水隧洞长309m，开挖断面为5.5m×5.5m的城门断面，出口底板高程为208.00m。隧洞中间段不衬砌，进出口段采用厚0.5m的钢筋混凝土衬砌。隧洞出口与承压箱连接，承压箱的作用是将水均匀地分配给3台机组。承压箱长18m，宽11～4.3m，高3.6m，为钢筋混凝土箱形结构，壁厚0.5m，底板高程为208.00m。每台水轮机蜗壳进口设有1扇铸铁闸门，闸门孔口尺寸4.3m×4.22m，采用螺杆式启闭机启闭，尾水管出口也各设1扇尾水钢闸门，孔口尺寸4.4m×2.6m，采用螺杆式启闭机启闭。(3)发电厂房及升压站发电厂房位于左岸大坝下游300m处的河边滩地，为钢筋混凝土框架结构，主厂房长26m，宽9.6m，厂内装有3台轴流立式水轮发电机组。发电机层地面高程215.77m，水轮机层地面高程211.32m。安装场布置在主厂房右侧，与发电机层地面同高，与进厂公路连接。厂内设有16t电动桥式起重机1台。副厂房位于主厂房上游侧，即承压箱的顶部，为钢筋混凝土框架结构，长18.00m，宽4.3m，分上下2层。升压站采用户外中型布置，布置在进厂公路左侧，即厂房的右后侧，长20m，宽10m，地面高程227.50m，布置2台主变。厂区沿河边(大门口)还布置有高6m的防洪墙。

3设计点评

3.1装机规模及年发电量点评

南伟水电站装机容量为4800kW，年发电量911.52万kW·h，装机年利用小时1899h，与当地目前平均约3000h的利用小时相比，装机容量明显偏大。鉴于水库具有日调节作用，南伟水电站合理的装机容量为2500～3200kW，如选用2台机组，可获得较大的经济效益。扣除灌溉水量后，如水量全部利用，可发电1600万kW·h，按计算的年发电量911.52万kW·h分析，发电水量利用率不足57%，明显偏小。如果灌溉制度执行得好，实际发电量比计算值可能增加10%以上。

3.2枢纽总布置点评

枢纽总布置的问题主要是隧洞出口到混凝土蜗壳进口之间采用承压箱过渡，由此带来2个问题:一是隧洞出口布置了承压箱，将主厂房推向主河道，挤占了河道的行洪断面，造成上游洪水位壅高。二是机组进口工作闸门难布置，如采用常规快速闸门，其启闭机操作平台要高出主厂房屋面。设计采用了铸铁闸门，采用螺杆式启闭机，闸门井采用承压结构，启闭机拉杆设止水，造成闸门没有快速关闭保护作用，且闸门检修困难。南伟水电站的开发条件很好，输水系统如采用隧洞+压力前池+钢筋混凝土箱涵的布置方式，投资会更低，运行管理更方便。

3.3承压箱和蜗壳进口设计点评

承压箱实际上就是将常规的压力前池底板高程降到蜗壳进口底板高程，然后用钢筋混凝土盖板将压力前池盖住，形成有压的箱形结构。承压箱长18m，宽11～4.3m，高3.6m，壁厚0.5m。边墙和顶板双层钢筋，受力筋为直径16mm的螺纹钢筋，间距0.25m，分布筋直径8mm，间距0.25m。蜗壳进口顶板厚度也只有0.5m，跨度有4.35m，顶板和中墩双层钢筋，受力筋为直径16mm的螺纹钢筋，间距0.25m，分布筋直径8mm，间距0.25m。经计算，3台机组同时甩负荷，调速器关闭时间7s，蜗壳进口处水击压力上升48%，承压箱顶板承受水压力为28t/m2，顶板在水流方向1m宽度将承受210t的水压力，扣除顶板结构自重，有195t向上的水压力需要边墙拉住。边墙的受力是大偏心受拉，如仅按轴心受拉计算，195t水压力就需要32根直径16mm的螺纹钢筋，按大偏心受拉计算钢筋还要多。而实际上边墙每米只有8根直径16mm的螺纹钢筋，而且只锚入基础0.2m(底板浇筑后，钻孔深0.2m，插上受力筋);所以在充水试验时，承压箱顶板连同水轮机层上游边墙被整体抬起，边墙在顶板下方1m处形成贯穿性水平裂缝，顶板在跨中处也出现裂缝，上部的副厂房墙体多处开裂。同样，蜗壳进口顶板和中墩的强度也严重不足。

3.4主厂房设计点评

主厂房布置图上没有将调速器、机旁屏布置上去，只能由安装单位见缝插针。

3.5厂区防洪墙设计点评

厂区布置了高出地面6m以上的浆砌石防洪墙，其基础为河滩的砂卵石层，起不到防洪作用。3.6机电设计没有油、气、水系统的设计，没有电气一次和二次图纸设计，这些工作都是由相关设备厂家和安装单位现场完成。

4缺陷处理

机电设计的缺陷均由相关设备厂家和安装单位在现场处理，问题都已解决，需要处理的主要是承压箱和蜗壳进口的结构缺陷。承压箱加固处理的基本思路是在承压箱内部加隔墙，减小箱涵的跨度，同时将原边墙和顶板加厚，并按计算配筋。蜗壳进口加固处理的基本思路是增加原边墙和顶板的厚度，并按计算配筋。承压箱内的隔墙是从原蜗壳进口隔墩延长而成，将承压箱分隔成3孔，隔墩分流顶点的布置应满足流量均分的原则，隔墩形态为流线型，分流点处为直径0.5m的半圆，过渡到原隔墩的厚1.7m。承压箱边墙内侧加厚0.3m，左侧边墙外侧也加厚0.3m;承压箱顶板上下各加厚0.3m。蜗壳进口段两侧各加厚0.1m，顶板上下各加厚0.2m;水轮机层上游侧排架柱间的边墙整体拆除后重新浇筑。设计采用C25商品混凝土，施工时业主提高到C30。为了确保新老混凝土的结合和整体性，受力钢筋需要锚入原混凝土结构中(采用砂浆锚筋或树脂锚筋)，接触面要凿毛和冲洗。由于施工受原建筑物影响较大，要合理安排施工工序和混凝土入仓方式。对于不易振捣的部位，建议采用免振捣混凝土。由于业主对加固处理工作高度重视，还委托监理进行施工管理，业主管理人员的管理也很到位，施工单位在关键部位的处理也很到位。2014年4月20日开始充水试验，承压箱和蜗壳进口没有出现漏水和明显变形，刚充水时在门槽顶部出现有一处渗水点，但2天后自行消失。6月份的甩负荷试验表明，甩满负荷时蜗壳进口压力和转速上升值均在正常范围，承压箱和蜗壳进口没有出现异常情况，加固处理取得完美成功。