第二节 河床式厂房和泄流式厂房.doc

第二节 河床式厂房和泄流式厂房主厂房与进水口连接成一整体建筑物，在河床中起壅水作用，这样的厂房称为河床式厂房。通过河床式厂房泄水的厂房，称为泄流式河床式厂房，简称泄流式厂房。 一、装置立轴轴流式水轮机的河床式厂房 图17-5所示为一装置立轴轴流式水轮机的河床式厂房。该厂房装有5台103MW的轴流转桨式水轮机，转轮直径8.50m，最大水头32.3m，机组流量556。图 17-5 装置立轴轴流式水轮机的河床式厂房（a）横剖面图；（b）蜗壳层平面图 装置立轴轴流式水轮机的河床式厂房一般均采用钢筋混凝土蜗壳，厂房机组段的长度由蜗壳前室的宽度加上边墙的厚度予以确定。厂房的下部尺寸与蜗壳的包角和蜗壳的断面形状有关，蜗壳包角和断面形状的选择应考虑对厂房流道水流条件和对厂房尺寸及声置的影响。工程中常见采用的包角为180，采用这种包角的蜗壳，水轮机效率高，蜗壳前室的宽度小；另一种蜗壳包角135，其前室的宽度较180包角的大，因而厂房机组段的长度较大，但采用135包角时，在机组段长度的方向上，机组轴在机组段内位置居中，便于在厂房下部结构内对称布置泄水孔，泄水孔进出水的水流条件较好，所以包角为135的蜗壳常在泄流式厂房中采用。 在蜗壳的断面形状上，下伸不对称的梯形断面，利用尾水管肘管段上面的空间布置蜗壳，水轮机层的高程可降低，机组主轴的长度可以缩短，便于厂房在低水位时投人运行。同时，调速机接力器在布置高程上可接近水轮机顶盖，平面位置也较灵活。采用下伸不对称梯形断面蜗壳的厂房布置情况见图17-5。另一种断面为上伸不对称梯形断面，采用这种断面的蜗壳时，便于抬高进水口底槛的高程（见图11-4)，但水轮机层的高程要提高，丰轴的长度就要加大，对子在蜗壳下面布置泄水底孔的泄流式厂房，为了泄水底孔布置的需要，可以采用这种断面形状的蜗壳，或者采用上下伸结合的梯形断面蜗壳。 河床式厂房顺水流方向由进水口段、主厂房段和尾水段组成。 进水口段顺流向的尺寸主要由布置进水口闸门和拦污栅的要求，以及连接进口与蜗壳的上唇曲线的需要确定。 采用河床式厂房的水电站一般水库容积不大，水库深度小，洪水期污物漂流严重，进水口拦污和清污的间题突出。例如我国黄河上的一些河床式厂房，由于洪水期草泥大量下漂，多次发生过因拦污栅封堵和栅条折曲而造成停机的情况。所以，除在枢纽布置上应注意尽量将污物顺畅地随水流引向泄水闸排放，防止污物堆积在河床式厂房前沿之外，还应根据污物的类型和漂浮情况，在厂房进水口上增设副栅，扩大拦污栅过水面积，减小过栅流速，放宽栅距，或在进水口前加强拦污导污设施，同时配置专门的清污及抓污机械。国外有的河床式厂房甚至在厂房进水口上游另设专门的拦污建筑物，或者将进水口拦污栅布置在喇叭口之前一定距离处，使水流在过栅后可纵向流动，这样做即使邻近拦污栅被堵塞，其后的机组仍可有水供给，不致停机。 河床式厂房一般可只设能在动水中下降的事故工作闸门和在静水中启闭的检修闸门，但这时应在轴流转桨式水轮机上采取以下措施控制机组飞逸：采用双调节系统，利用转叶制动，每个导叶配置单独的接力器以及设置事故配压阀等等。在上述情况下，事故工作闸门可用门机吊落，不必设置快速启闭机，这样整个厂房进水口的闸门和启闭机套数可以减少。国外有的河床式厂房甚至完全取消事故工作闸门，在导叶操作失灵、机组转速超过额定转速的145时，事故配压阀启动关闭转叶，转叶全部关闭时水气机过水流量很小，这时再放下检修闸门。 进水口段垂直水流方向的宽度即为厂房机组段的长度。进口净宽较大时需设一或两道中间隔墩，以减小闸门和广房结构的跨度，并用以将厂房上游中间立柱或主机房上游挡墙承受的荷载直接下传。隔墩伸人蜗壳前室的程度对水轮机水流状态有影响，需由水力试验确定。 河床式厂房水头低，水轮机尾水管的长度相对较大，因而厂房尾水段顺流向的尺寸就较大，尾水平台较宽，所以主变往往布置于尾水平台上，并视布置需要适当延长尾水管的长度。和进水口段一样，尾水段的宽度等于机组段的长度，尾水管扩散段孔口宽度较大时也需设置隔墩。隔墩不能过于伸人尾水管肘管段内，否则会恶化尾水管内的流态，降低水轮机的效率，诱发机组振动。 水头较高的河床式厂房，进水口平台远高于发电机层楼板，这时主机房的上游侧为挡水墙。洪枯水位变幅大的河谷，洪水期下游水位很高，这时尾水平台往往也远高于发电机层楼板，主厂房下游侧及两端也需建有挡水墙，厂房成为一封闭结构，大化水电站厂房就是一个例子。该厂房对孙交通直达厂房顶上，机、电设备由竖井吊人安装间，该厂房的主变、厂内配电设备以及副厂房也布置在厂房顶上。 河床式厂房本身为一壅水建筑物，应妥善进行地下轮廓线的设计，尤其是地基软弱或承受水头较大时，应采取措施减小厂基渗透压力，保证厂房整体稳定，减少渗漏，防止渗透变形，满足地基承载力要求，减少不均匀沉降。厂房上下游沉降差别较大时，机组主轴、会产生不允许的倾斜。机组段之间的不均匀沉降会使吊车梁接缝处轨面错开，不均匀沉降过大还会损坏机组段间温度沉降缝中的止水设备。此外，软基上的河床式厂房，其尾水渠须用护坦加固。 河床式厂房的水库小，泥沙极易淤积于厂房前。为防止泥沙堆积和磨损水轮机，最重要的是在枢纽布置中合理安排枢纽建筑物，使多沙季节挟带大量泥沙的水流平顺地导向泄水闸或冲沙闸下泄。同时要注意厂前水流平顺，减少局部淤积；在厂房上游河流中设拦沙槛，拦阻推移质泥沙并引向冲沙闸下泄；在厂房进水口底槛内设冲沙廊道、排沙管或底孔，将淤积在进水口前的泥沙定期冲到下游，减少过机泥沙量和减小过机泥沙的粒度。 河床式厂房进水口的水深不大，在寒冷地区的河床式厂房需采取措施防止拦污栅封冻。 二、装置贯流式机组的河床式厂房 水头低于20m的大中型河床式水电站往往采用灯泡式贯流机组，装置大中型灯泡式贯流机组的河床式厂房，其布置情况见图17-6。图 17-6 马迹塘水电站厂房 马迹塘水电站厂房内装有三台18.5MW的灯泡式贯流机组，其设计水头为6.6m，转轮直径6.3m,转速75r/min。机组转轮部分装置于转轮室内，发电机部分设于位于水轮机上游的灯泡体内，马迹塘水电站厂房的灯泡体固定于混凝土墩上，有的水电站厂房中灯泡体用辐射布置的混凝土支承结构固定于流道中，以改善流道中的流态。灯泡体外壳可以拆开以便装卸发电机，电机转子直径不大时可从转轮室吊出灯泡体，否则需在灯泡体流道上方设专用吊孔吊运发电机。灯泡的首尾部设有通道供运行人员进出和引出母线，见图17-6。通道也可设在灯泡体支撑结构的空腔内。通往厂房上部和下部的水轮机固定支柱，其空腔用以引出各种辅助管道和电缆，尺寸适宜时也可兼作通道。 灯泡式贯流机组的发电机装置在灯泡体内，发电机定子是灯泡体的组成部分，灯泡体的直径由发电机确定。为了压缩灯泡直径，需要采用一系列专门技术，如电机强制冷却、高绝缘材料和加长定子铁芯长度等。由于转子转动惯量小，甩负荷时机组转速升高大，水轮机的最大轴向反推力，其数值可比额定出力时的轴向推力大好几倍。 在水头比较小的河床式厂房中，采用贯流机组与采用立轴轴流机组比较，前者厂房机组段长度和安装场尺寸减小，结构简单，厂基面可以提高，厂房钢筋混凝土和开挖土石方量可减少，施工安装方便。在水轮机方面，贯流机组的效率高于竖轴轴流机组。由于允许将机组装得低些也不致引起深开挖，水轮机的气蚀问题可得以减轻。贯流机组的比转速高于立轴轴流机组，因而转轮直径可以减小，水轮抓重量也可减轻。根据国外的统计数字，水头低于20 m的河床式厂房，采用灯泡式贯流机组土建投资可节约25，机电投资可减少15。 三、泄流式河床式厂房 泄流式河床式厂房简称泄流式厂房，也称混合式厂房。泄水道在厂房中的位置不同，其作用也不相同。泄水道可布置在蜗壳与尾水管之间，以底孔形式泄水，如图17-7所示；也可布置在蜗壳顶板上（发电机置于井内），发电机层上部或主机房顶上，以堰流方式泄水；也可在尾水管之间布置泄水廊道，或将机组段与泄水道间隔布置，后者又称闸墩式厂房。图17-8所示为一采用灯泡式贯流机组的泄流式厂房，泄水道布置在发电机层顶部。图 17-7 泄流式厂房（泄水孔布置在蜗壳和尾水管之间） 利用厂房机组段布置泄水道，可以减少泄水闸的长度，有的工程甚至可以完全不建单独的泄水建筑物。在多沙河流上利用厂房的泄水底孔排沙效果显著；我国某电站进行的现场测验表明，厂房泄水底孔的单位流量排沙能力为水轮机进水口的7-8倍，排沙量则为8-9倍，底孔排沙时期进人水轮机的泥沙颗粒级配较人库泥沙细得多，底孔排沙对厂房起到“门前清”的作用，为专门的冲沙闸排沙所不及。河流漂污问题严重和有排冰要求时，利用厂房的滋流堰泄水可顺畅地排除厂房前的漂污和浮冰，防止或减轻污物、冰块堆积在进水口前封堵拦污栅。图 17-8 泄流式厂房（灯泡式贯流机组、泄水堰布置在发电机层上部） 厂房机组段与泄水闸闸墩结合，这种厂房为闸墩式厂房。采用闸墩式厂房时，厂房与泄水闸的总长度小于采用单独河床式厂房时的长度，因而，河床狭窄时采用闸墩式厂房可减少开挖和占用河岸的场地。从流态来看，采用闸墩式厂房的枢纽，不论在洪水期还是在平枯水期，枢纽上下游河流的水流状态几乎与未建枢纽前相同，排沙、排污和排冰的效果较好。闸墩式厂房的缺点是机组分散，施工和运行十分不便。图 17-9 泄水增差原理 河床式厂房在洪水期上游水位壅高不多，由于下游洪水位抬高，使得洪水期水轮机的水头大大减小，水头低于设计水头时水轮机出力受阻，河流流量不能充分利用，电能生产受到损失。泄流式厂房利用泄水道泄水时产生的增差作用，可以部分地恢复水头，减少受阻出力，增加发电量。泄水增加落差的原理见图17-9。图上H为厂房不泄水时厂房上下游的落差，为通过厂房泄水道泄水时的落差，H即为厂房泄水射流增加的落差。国外某水电站进行的原型测验表明，由于底孔泄水增加落差的效益，最大时机组出力增加了7.4，运行中未