水电站设计说明书参考

1. 设计资料

1.1. 工程概况

石门子水利枢纽工程位于新疆昌吉州玛纳斯县西南塔西河中游河段上,距乌伊公路45km。本工程以灌溉为主,兼顾发电、防洪、是一个综合利用的中型水利枢纽工程。

塔西河流域总面积2010km2。水库建成后,可以增加灌溉面积,保证棉花种植面积的扩大,为玛纳斯县发展商品棉基地发挥重要作用。此外,枢纽本身的防洪、发电效益也对当地工农业的发展起到积极作用。

本枢纽工程的主要建筑物由碾压混凝土拱坝、粘土心墙副坝、上下游围堰、导流兼引水发电隧洞、发电站厂房、碾压混凝土拱坝、坝身泄水孔等组成,最大坝高110m,装机6.4MW。年发电量为2490万KWh，年利用小时数为3890小时。一期工程计划于1999年底部分蓄水，2000年6月30日建成。

玛纳斯县塔西河一级石门子水电站为塔西河石门子水利枢纽的二期工程，包括引水隧洞进口事故闸门及启闭机、导流洞改建为发电洞，发电洞与导流洞卸接的龙抬头弯段、钢筋砼衬砌段、钢板衬砌段、钢管分岔段、发电站厂房、高压开关站、尾水闸门及启闭机、尾水渠连接段等部分组成。

1.2. 水文

塔西河流域位于新疆昌吉州玛纳斯县境内,该河地处天山山脉北支依连哈比尔尕山的北麓东侧,该河流域北望准噶尔盆地,东以干河子呼图壁县为邻,西与玛纳斯河流域相伴。地理位置介于北纬4331’~4430’,东经8550’~8632’之间,属独立水系,为典型的内陆河流。据石门子水文站观测资料统计,多年平均气温4.1C ,多年平均降水量430mm,多年平均蒸发量1410.8mm。主要特征水位如下：

正常蓄水位为 1389 死水位为 1356 最高洪水位 1391.75 设计洪水位 1389 下游设计洪水位 1317 下游最低尾水位 1316.5

1

1.3. 工程布置及主要建筑物

1. 工程布置

在可行性研究阶段，考虑到左岸山体单薄，主要及附属建筑物均布置在右岸，随着勘探工作的深入，发现左岸古河槽呈“V”型河谷，河槽内堆积的冲积砂砾石层，结构密实，各项物理力学指标较高，防渗处理后可作为天然坝体利用；同时查明右岸隧洞进出口存在边坡稳定问题。故在勘探工作后期，确定将主要及附属建筑物均布置在左岸，这里各建筑物工程地质条件相对较优。

石门子电站枢纽的组成建筑物是主厂房、副厂房、变电站（包括升压站和开关站）、尾水渠及一些附属建筑物。

作为一个引水式电站，导流洞穿越左岸山体，至左岸较平坦坡地进入下游河道，相应地，改造后的发电洞也经左岸山体输水入电站。本电站设计尾水渠与电站出水方向以较小的角度斜交尾水渠经由节制闸直接接入二级电站的引水渠道中，在左岸与河道之间建一过水侧堰和冲沙闸。

厂区由西南向东北，海拔逐渐降低，地势渐趋平坦。考虑到这个地势特点，在进行厂区布置时，将各主要建筑物多靠近北侧缓坡布置，除厂房放在厂区西南侧的陡坡背后外，尾水渠布置在东侧，变电站布置在北侧，进厂公路也由北侧引入。

厂房布置在发电洞（由导流洞改造而成）的出口处，导流洞出口已经作好了开挖，因而在此处布置厂房的实际开挖量并不太大。引水钢管在厂房前分岔成两支后经蝴蝶阀进入蜗壳，副厂房布置在厂房的上游侧。

2. 引水建筑物

导流洞改建发电洞，选用压力隧洞，断面设计成直径为3m的圆形断面，外衬50cm钢筋砼。

3. 发电厂房及开关站

发电站装机为23.2MW，选用HL220-LJ-100机组。 开关站在厂房左侧，靠近厂房，面积为16.5m15m。

水力机械、电气设备

1.4. 水力机械

根据动能计划，本电站装机容量以6.4MW为宜。选用2台3.2MW的竖轴混流式机组，型号为HL220-LJ-100。水轮机顶盖的直径为1.5m。

除水轮机之外，还有蝶阀，调速器等辅助设备。以下分别介绍。 1. 水轮机 型号：HL220-LJ-100 形式：竖轴混流式

2

装机台数：2台 最高水头：74 m 设计水头：50 m 最低水头：38 m 设计流量：7.8 m3/s 功率：3368kW 设计点效率：92.5 % 最高效率：93 % 额定转速：600r/min 飞逸转速：1343r/min 轴向水推力：18 t 吸出高度：-2.19m 总重：23 t 2. 进水阀 进水阀作为水轮机前的进水控制阀是重要保护装置。推荐使用电动立轴蝶阀 DTD971H-1.0型，直径Ф1400mm。

3. 尾水管 尾水管与水轮机型号相对应。 4. 调速器装置 调速器是水轮发电机组的关键辅机。体现小型水电站的自动化程度取决于机组的调速设备。

推荐使用YWT-3000油压装置式微机型调速器 。 5. 自动化元件 自动化元件包括压力变换器、液位信号器及各种仪表等。 6.蜗壳进口断面平均流速与设计水头的关系 蜗壳进口断面平均流速与设计水头的关系如图1-1所示。

3

图1-1 蜗壳进口断面平均流速曲线

a）适用于设计水头小于60m；（b）适用于设计水头50～400m

1.5. 电气设备

根据所选水轮机，配以SF3200-10/2150型的发电机（普通伞式），该机组额定功率3200KW，电压6300V，功率因数0.8。发电机风罩内径D＝5.4m，转子直径2.1m，定子埋入式布置，上机架直径3.4m，高度为0.5m。（可利用水电站设计参考资料的有关公式估算）。风罩外壁至上游墙内侧的净距为3m。主变压器尺寸为3×3m。

1.6. 附属设备

起重机采用LH-20/5t型桥式起重机，主副钩起重量分别为16t及5t。上游侧

主钩极限位置距轨顶中心线距离1.65m，副钩极限位置距轨顶中心线距离0.75m，下游侧主钩极限位置距轨顶中心线距离1.47m，副钩极限位置距轨顶中心线距离2.14m。轨顶至小车距离1.43m，轨顶至调运部件的距离为1.5m。最大吊运部件的高度为3.831m。

4

2. 设计及其计算

2.1水轮机的计算

2.1.1. 确定水轮机和尾水管的主要尺寸

本电站采用水轮机的型号为HL220-LJ-100，根据同一系列水轮机的几何相似原理，依据模型机的的尺寸（如图2-1），确定原型机的尺寸下表： D（cm） 转轮直径 100.0 Z1 叶片数目 Z0 活动导叶数目 b0 导叶高度 25.0 下端面水平距离 80.2 174.4 2.6D 蜗壳进水口 转轮到尾水进水口导叶直进口直管底部的距中心线径 径 离 距离 116.1 260.9 112.7 133.3 尾水管水平段 尾水管尾水管尾水管尾水管出口出口高水平宽水平长水平距离 度 度 度 56.9 207.0 126.4 126.8 123.7 450.0 274.8 275.7 1.16D 14.0 24.0 肘管 上端面高程 62.2 135.2 下端面直径 31.1 67.6 上端面直径 62.2 135.2

表2-1原型机主要尺寸（单位：cm）

图2-1模型机尺寸示意图（单位：mm）

5

2.1.2. 确定水轮机蜗壳尺寸

iQi0Qmax （2-1）

360Qmaxiri360vc （2-2）

Rira2ri （2-3）

式中 i——从鼻端到计算断面的包角；

Qi——通过计算断面的流量； ri——计算断面的半径；

Ri——从蜗壳中心到计算断面外包线上点的距离； Qmax——最大引用流量；

vc——断面平均流速，可查图3得到； ra——水轮机导叶外半径，取0.82D1；

rb——水轮机导叶内半径，取

0.68D1。

根据1.6.1中水轮机的数据，Qmax7.8m3/s，设计水头Hr50m。查图1-1得到vc5.8m/s。依据式2-1、2-2，2-3计算得到的蜗壳数据如表2-2，蜗壳单线图如图2-2，蜗壳剖面图如图2-3. i 1 2 3 4 5 6 7 8 Qi 0.650 1.625 2.600 3.575 4.550 5.525 6.500 7.475 ri 0.189 0.299 0.378 0.443 0.500 0.551 0.597 0.640 Ri 1.198 1.417 1.575 1.706 1.819 1.921 2.014 2.101 6

表2-2蜗壳尺寸计算成果

图2-2蜗壳单线图

图2-3金属蜗壳剖面图

2.2 主厂房平面尺寸的拟定

2.2.1. 机组段长度的拟定

机组段长度考虑蜗壳层、尾水管层、发电机层需要的长度，取其中的最大值作为

机组段长度。

1. 蜗壳层机组段长度按照下式计算

L1LxLx （2-4） LxR11 （2-5） LxR22 （2-6）

式中，1,2蜗壳外部混凝土厚度，此处取1.4m

R1,R2蜗壳两侧外包线到轴心的距离。

依据式2-4、2-5、2-6及相关数据，计算成果下表： R1 2.101 R2 1.706 δ1 1.400 δ2 L+x L-x 3.106 L1 6.607 1.400 3.501 表2-3蜗壳层机组段长度计算成果（单位：m）

2. 尾水管层机组段长度按照下式计算（本工程采用对称尾水管）

L1LxLx （2-7）

7

B 2 （2-8）

2B Lx2 （2-9）

2Lx式中，2尾水管混凝土边墩厚度，此处取1.9m。

B尾水管宽度。

依据式2-7、2-8、2-9及相关数据，计算成果下表 B 2.748 δ2 1.900 L+x 3.274 L-x 3.274 L1 6.548 表2-4尾水管层机组段长度计算成果（单位：m）

3. 发电机层机组段长度按照下式计算

L1LxLx （2-10）

b 3 （2-11）

22b Lx33 （2-12）

22Lx3

式中，3发电机风罩壁厚，此处取0.4m。

b两台机组之间风罩外壁净距，本工程在机组间设置楼梯，故取

3.5m。

依据式2-10、2-11、2-12及相关数据，计算成果下表 b 3.500 Ф3 5.400 δ3 L+x L-x 4.850 L1 9.700 0.400 4.850 表2-5发电机层机组段长度计算成果（单位：m）

根据以上三种计算成果，取其中最大值，即L19.7m。 2.2.2. 端机组段长度计算

本工程采用装配场位于厂房一段的布置方式，且位于厂房左岸，故端机组段长度与机组段长度相同，按照起重机吊装发电机转子时所需的尺寸校核满足要求，故

L2L19.7m。

2.2.3. 主机室宽度的拟定

主机室宽度分为上游侧宽度和下游侧宽度，具体计算公式如下：

BBsBx （2-13）

Bs323A （2-14）

8

式中，Bs上游侧宽度。

Bx下游侧宽度。

A风罩外壁至上游墙壁内侧的净距，此处取3m。

3发电机风罩内径。

3发电机风罩壁厚，此处取0.4m。

依据式2-14，计算得到Bs3m2.7m0.4m6.1m。考虑下游侧蜗壳尺寸及蜗壳外混凝土厚度及风罩墙尺寸和交通要求，，得Bx4.11m。由式2-13得到，

B10.21m，实取B11.0m。 2.2.4. 装配场长度的拟定

装配场的长度L3一般取1-1.5倍的机组段长度L1，此处取1.2倍的L1，即

L311.64m

2.2.5. 装配场宽度的拟定

装配场的宽度与主机室的宽度相同，即为11.0m。 2.2.6. 装配场尺寸的具体说明

1. 发电机转子直径应该留有2.0m间隙，以供安装磁极之用。装配场楼板留有

孔口，孔径比主轴法兰直径大0.5m，转子主轴伸入装配场的下层的转子主轴支承台，台上设有用以固定主轴的螺栓，螺栓数与主轴法兰上孔数相符；支承台的高度应使主轴在竖立后转子地面距装配场楼板约0.5-0.8m，以便在磁极下放进千斤顶和垫板。在不进行转子装配或检修期间，孔洞盖上铁板或混凝土板。

2. 发电站上机架周围留有1.0m间隙，供作通道使用。 3. 水轮机顶盖及转轮周围留有1.0m间隙，供作通道使用。

4. 装配场大门布置在厂房下游侧，宽度取3.3m，高度取4.5m，门向外开。 2.2.7. 主厂房宽度的确定

主厂房的宽度即为主机室的宽度，即B11.0m。 2.2.8. 主厂房长度的确定 主厂房的长度L按照下式计算：

LnL1L3L （2-15）

依据式2-15及相关数据，计算得到L37.0m。 2.2.9. 发电机层的设备和设施的布置 1. 水轮发电机采用定子埋入式。

9

2. 调速系统设备有调速器操作柜、油压装置和接力器，操作柜和有压操作装置

布置在发电机层，尽量靠近，避免跨机组段布置。 3. 楼梯布置在两台机组之间，楼梯净宽1.2m，坡度为35°。 4. 吊阀孔布置在机组段右侧，尺寸为：1.7m×1.7m。 5. 起重机采用LH-20/5t型桥式起重机。 2.2.10. 主厂房下部结构设计 1. 发电机层

采用圆筒式机墩，设通向蜗壳和尾水管的进人孔。

2. 蜗壳层

采用金属蜗壳，具体数据如2.1.2计算结果。 3. 尾水管层

尾水管采用对称尾水管，具体数据如2.1.1计算结果。在基础块体最低部分设置集水井，并在上方设水泵室。 4. 尾水平台

该水电站为中高水头电站，尾水平台仅布置尾水启门机。

2.3 主厂房纵向尺寸拟定

主厂房横剖面示意图如图2-4. 2.3.1 水轮机安装高程 水轮机安装高程依据下式计算：

T下minHsb0 （2-16） 2式中，T水轮机的安装高程；

即下min1317.0m；

b0导叶高度，此处取b02.5m；

下min水电站厂房建成后下游设计最低水位，此处取下游最低尾水位，

Hs水轮机允许吸出高度，根据水轮机性能确定，此处取值为Hs2.19m。

依据式2-16及相关数据，得到T1316.06m。

10

图2-4主厂房横剖面示意图

2.3.2主厂房基础的开挖高程 主厂房基础开挖高程依据下式确定：

FT(h1h2h3) 式中，T水轮机安装高程；

F主厂房基础开挖高程；

h1尾水管底板混凝土厚度，取h11.8m； h2尾水管出口高度，取h21.237m；

h3安装高程到尾水管出口顶面的距离，取h31.372m。依据式2-17及相关数据，取F1311.65m。 2.3.3水轮机层地面高程

水轮机层地面高程依据下式拟定：

1Th4 式中，1水轮机层地面高程；

11

2-17）2-18） （

（

T水轮机安装高程；

h4蜗壳进口半径和蜗壳顶混凝土层厚度之和，取值为h41.964m。 依据式2-18及相关数据，取11318.02m。 2.3.4发电机装置高程

发电机装置高程依据下式拟定：

G1h5h6 （2-19）

式中，G发电机装置安装高程； 1水轮机层地面高程；

h5发电机墩进人孔高度，取h52.0m； h6进人孔顶部厚度，取h61.0m。 依据式2-19及相关数据，取G1321.024m。 2.3.5发电机层楼板高程

发电机层净高不小于3.5—4.0m，此处取值为3.6m,故发电机层楼板高程

21324.624m。高于下游设计洪水位（1317.8m）6.824m，符合防洪要求。

2.3.6起重机安装高程

起重机安装高程按照下式拟定：

C2h7h8h9h10h11 （2-20）

式中，C起重机安装高程； 2发电机层楼板高程；

h7定子采用埋入式布置时，为上机架高度,为0.5m； h8吊运部件与固定的机组或设备间的垂直净距，为0.5m； h9最大吊运部件的高度，为3.831m； h10吊运部件与吊钩间的距离，为1.2m； h11主钩最高位置至轨顶面距离，为1.65m。 依据式2-20及相关数据，取C1332.31m。 2.3.7屋顶高程

屋顶高程依据下式拟定：

RCh12h13h14 （2-21）

式中，R屋顶高程； C起重机安装高程；

h12轨顶至吊车上小车高度，为1.43m； h13为检修吊车留有的高度，取h130.5m；

12

h14屋面大梁高度、屋面板厚度、屋面保温防水层的厚度，取h141.0m。 依据式2-21及相关数据，取R1335.24m。 2.3.8装配场楼板高程

装配场楼板高程主要考虑对外交通的要求，与进厂公路相同。依据枢纽布置图，进厂公路及回车场的高程为1320.4m，故装配场楼板高程为1320.4m，与发电机层楼板高程相同。

13