新庄水电站增效扩容改造油、气、水系统设计 .doc

目录第一章新庄水电站概况11.1概述11.1.1新庄水电站的基本情况11.1.2增效扩容改造的主要内容21.2电站基本情况21.3增效扩容后新庄水电站基本资料21.4新庄水电站现状31.5电站基本情况评价31.5.1水工部分评价31.5.2厂房部分评价落现象41.5.3供电范围41.5.4设计保证率41.5.5工程任务4第二章油系统图及设备选择52.1水电站用油的种类及其作用52.1.1用油的种类52.1.2油的作用52.2油系统的相关计算62.3油系统的设计分析62.3.1绝缘油系统62.3.2透平油系统62.4油系统的设备选择72.4.1储油设备选择72.4.2油系统图72.4.3油净化设备的选择82.4.4管道的选择92.4.5油系统设备表9第三章气系统103.1压缩空气系统分类103.2气系统设计10第四章水系统114.1供水系统114.1.1技术供水的对象11 4.1.2技术供水要求114.1.3技术供水系统的组成124.1.4供水方式的选择124.1.5设备配置的供水方式124.1.6技术供水系统图134.1.7技术供水设备选择134.2排水系统174.2.1排水方式174.2.2排水系统图184.2.3检修排水设备选择184.3水系统设备材料表224.4供水系统电气原理图224.4.1井泵电气原理控制图224.4.2循环水池水泵电气原理控制图234.5电站进水闸门系统图及自动控制图设计254.5.1进水闸门的自动控制要求254.5.2进水闸门的自动控制机械图的设计254.5.3进水闸门的自动控制电气接线图的设计26第五章油、气、水系统布置图及水力计算285.1厂房的结构布置285.1.1辅助设备的布置要求285.1.2油系统的布置原则285.1.3油系统保安防火要求285.1.4油系统厂房布置见附图295.2供排水系统厂房布置295.2.1技术供水系统295.2.2排水系统295.2.3供排水系统厂房布置图305.3水力计算305.3.1主厂房消火供水的水力计算305.3.2发电机消火供水水力计算325.3.3技术供水系统水力计算33参考文献:38附录:39外文文献41外文翻译50 泾惠渠新庄水电站增效扩容改造油、气、水系统设计学生：孙强强专业年级：热能与动力工程10级指导老师：甘雪峰摘要：新庄水电站原装机容量为800+630Kw，增效扩容改造之后总的装机容量为2x800Kw。在本次的增效扩容改造项目中，辅助设备的油气水系统是设计的主要的内容。主要是油气水系统图，管件以及油气水设备的选择，油气水布置图以及相应的水力计算。设计中油系统主要为机组润滑、制动以及顶转子三项内容；不需要设计气系统，对于检修吹扫用气，仅仅是设置一台移动式的吹气装置即可；水系统中，技术供水水源取自于地下水，采用循环供水的方式，供水对象为上导轴承冷却供水以及射流泵供水；排水系统中，上导冷却排水以及射流泵排水排至集水井；检修排水排至尾水渠，生活排水以及厂房渗漏水排至尾水渠。关键词：系统图；设备选型；布置图；水力计算 JINGHUIQUXINZHUANGSTATIONEXPANSIONTRANSFORMATIONEFFICIENCYOFOIL,GAS,WATERSYSTEMDESIGNAuthor:SunQiangqiangInstructor:GanXuefengAbstract:XinZhuanghydropowerstationtheoriginalinstalledcapacityof800+630Kw,afterthereconstructionefficiencythetotalinstalledcapacityof2x800Kw.Intherevampingprojectoftheefficiencyofoilgaswatersystem,auxiliaryequipmentisthedesignofthemaincontent.Isthemainoilgaswatersystemdiagram,fittingsandoilgaswaterequipmentselection,calculationofoilgaswaterlayoutandthecorrespondinghydraulic.Designofoilsystemmainlytoprotorthreecontentsastheunitoflubricating,brakeandgassystem;donotneedtodesign,tooverhaulthepurgegas,justblowingdevicecansetupamobile;watersystem,watersupplyfromgroundwatertechnology,thecirculatingwatersupplyway,supplywaterfortheguidebearingcoolingwaterandajetpumpwatersupply;drainagesystem,thecoolingwaterandthejetpumpdrainagetowater;waterdrainagetorepairthetailrace,drainageandwaterleakagebenttothetailrace.Keywords:computational;systemdiagram;equipmentselection;layoutofhydraulic 第一章新庄水电站概况1.1概述1.1.1新庄水电站的基本情况新庄水电站位于泾阳县燕王乡山西庄村，距咸阳市约40km，泾阳县城约8km，距燕王乡2km，项目区有G70“福～银”高速公路及G211国道从燕王乡通过，对外交通方便。该电站地理位置见图1.1-1。图1-1新庄水电站地理位置图该水电站1976动工兴建，1978年建成发电，该站由西北农学院水利系设计。发电采用并网运行，由10kV线路并入泾阳县电网。该水电站是利用泾惠渠南干渠道上的跌水而建成的引水式水电站，该引水渠道以灌溉为主，发电为辅。新庄水电站由两大部分组成：即引水系统和厂区部分。引水系统由引水渠道、压力前池和压力管道组成；厂区部分由厂房、变电站及生活区组成。原设计安装2×800kW水轮发电机组两台，后电站实际安装800+630kW两台水轮发电机组，设计年发电量670万度，年利用小时数4180小时。新庄水电站平面布置现状图见图1.1-2： 图1-2新庄水电站现状平面布置图1.1.2增效扩容改造的主要内容本次增效扩容改造的主要内容为：机组更换重新选型设计及电气设备的全面升级更换改造设计。增效扩容改造后，电站多年平均发电量提高到649万kW·h，年利用小时3841小时。工程概算总投资626.62万元。1.2电站基本情况新庄水电站水工部分比较简单，只有渠道连接段和引水渠道两大部分，虽年久失修，但还比较完好。渠首部分为浆砌实连接渠道，有局部勾缝脱落现象，但不影响运行。引水渠修建在泾河左岸，岩石为片麻状花岗岩，岩石坚硬，内衬砼比较完整，没有塌陷，剥落现象。1.3增效扩容后新庄水电站基本资料新庄水电站没有调节能力，属于径流式电站。增效扩容后的额定容量为2×800kW，多年平均发电量649万kW·h，年利用小时数为3841h。水轮发电机组型号及主要参数见表1-1、表1-2。 表1-1水轮机参数表序号参数水轮机1型号DJ502-LH-1202额定水头（m）123额定流量（m³/s）7.954出力（kW）8425额定转速（r/min）3756最优效率（%）90表1-2发电机参数表序号参数发电机1型号SF800—16/17302额定功率（kW）8003额定电压（KV）6.34额定电流（A）91.65功率因数0.86最优效率（%）95压力前池水位434.62m，设计尾水位421.86m，考虑电站压力管道水头损失，电站额定水头为12m。1.4新庄水电站现状新庄水电站现状由引水部分和发电枢纽两大部分组成，引水部分由115m管道、压力管道、压力前池组成，发电厂区由主厂房（长19.86m，宽8.6m，高8.5m）、生活区、变电站组成。主厂房内安装800+630KW轴流定浆式水轮发电机组2台，目前机组最高效率为85%，平时多在低于80%的效率下运行工。高压开关柜及保护柜布置在主厂房上游侧。高压开关柜为现场自制成，内部电气元件陈旧，柜体绝缘存在一定隐患，各种保护（屏）柜均为70―80年代的继电方式，灵敏度差，与现在电站要求计算机自动控制无法连接，且现在根本无维修配件。电站主变与厂变均为损耗较大的老式S7、S9型变压器。为提高电站操作自动化程度、确保运行的可靠性、降低生产过程中的能量损耗、充分利用水能资源，本次进行增效扩容机电设备改造是非常必要的[8]。1.5电站基本情况评价1.5.1水工部分评价新庄水电站水工部分比较简单，只有渠首连接段和引水管道两大部分，虽年久失修，但还比较完好。渠首部分为浆砌石连接管道，有局部勾缝脱落现象，但不影响运行。引水管道修建在泾惠渠左岸，岩石为片麻状花岗岩，岩石坚硬，内衬砼，比较完整， 没有塌陷，剥落。1.5.2厂房部分评价落现象厂房部分由主厂房、生活区、变电站组成，主厂房为钢筋砼框架结构。生活区为砖混结构、变电站布置在主厂房右侧。根据现场踏勘主厂房和和生活区均无沉陷、裂缝、渗漏等安全隐患，本次不必进行改造[10]。1.5.3供电范围新庄水电站出线两回，一回通过长8km的10kV输电线路接入泾阳城关变，与县供电线路联网供电；一回通过长7.5km的10kv线路接入新川线农电系统，分东西两片向泾阳县农网供电。考虑新庄水电站已形成的供电格局，本阶段的接入系统方式仍然利用原并网线路[7]。1.5.4设计保证率依据《小型水电站设计规范》（GB50071-2002），“水电站的设计保证率可根据水电站容量占电力系统容量的比重、设计电站的调节性能和容量大小等因素，在80%-90%范围内选取”。新庄水电站为径流式电站，而且装机容量不大，电站建成后将并入区域电网运行，装机容量占电网系统容量的比重远小于20%，因此，电站设计保证率采用80%。1.5.5工程任务新庄水电站属于泾惠渠南干渠上的径流引水式电站，本项目任务是发电，不存在防洪、通航等任务。 第二章油系统图及设备选择2.1水电站用油的种类及其作用2.1.1用油的种类为了保证设备的安全正常运行，在进行负荷调节的能量传递、机组运转的润滑散热以及电气设备的绝缘灭弧，都是利用油作为介质来完成的。由于设备的特征、要求以及工作条件的不同，需要使用各种性能的油，水电站的主要用油为润滑油以及绝缘油。润滑油主要为透平油，供给机组轴承润滑和调速系统，进水阀、调压阀、液压操作阀门的液压操作用。绝缘油主要有变压器油、断路器油、电缆油。2.1.2油的作用透平油的主要作用部件是机组推力轴承、机组上导轴承、机组下导轴承、机组水导轴承、水轮机调速器接力器、水轮机定转子下的接力器[3]。2.1.2.1透平油的作用：透平油在机组运行中的主要作用是润滑、散热以及液压操作（1）润滑作用油在机组运行部件与约束部件之间的间隙形成油膜，一润滑油内部的液态的摩擦代替固体之间的摩擦，从而减低摩擦系数，减少设备的磨损，延长设备的使用寿命，保证设备的功能以及安全运行。（2）散热作用润滑油在对流作用下将热量传出，在经过油冷却器将其热量传递给冷却水，从而使油或者是设备温度不至于升高到规定值，保证设备的安全运行。（3）液压操作水电站中常利用透平油作为传递能量的工作介质。2.1.2.2绝缘油的作用绝缘油在设备中的作用是绝缘、散热、以及灭弧。（1）绝缘作用绝缘油的绝缘强度比空气大得多，因而利用绝缘油作为绝缘介质可以大大提高电气设备的运行的可靠性，并且可以缩小设备的尺寸，使得设备的布置更加的紧凑。（2）散热作用利用油的对流作用，将热量传递给冷却器散发出去，使得变压器的温度保持在正常的水平，保证变压器的功能以及安全运行。（3）灭弧作用 绝缘油在收到电弧作用的时候，产生分解，产生氢气，氢气是一种活波的灭弧气体，它在油被分解的过程中带走大量的热，同时也直接钻进有弧线地带，将弧线冷却，使得弧线熄灭。2.2油系统的相关计算设计油系统时，应该编制设备用油量明细表，分别计算出透平油和绝缘油的总的用油量。所有设备的用油量应该是以制造的资料为依据[2]，在初步的设计阶段，未能获得制造厂的资料的时候，可以参照容量和尺寸相近的有关资料进行估计，变压器与油开关的用油量可以在产品目录中查取。2.3油系统的设计分析2.3.1绝缘油系统当电站的装机容量不是很大，变压器较小，绝缘用油量也比较小时，可以采用移动式油泵重换油只需要油桶注油即可，可以不设置绝缘油系统。新庄水电站需要更换绝缘油只需要储备几桶绝缘油即可，如果本电站设计绝缘油系统的话，如果长期不用就只会是浪费资源，所以本电站不需要设计绝缘油系统。2.3.2透平油系统依据经验可知，平均每400KW的机组所消耗的透平油量为180Kg，其中包括有一台机组的所有的运行油量，透平油的密度为0.852Kg/L，通过计算可知，体积为0.211m3（1）运行用油量V1对于透平油是指一条机组润滑油量、调速器充油量以及进水阀门接力器充油量和管道充油量之和[2][4]，即有：V1=Vh+Vp+Va+Vg(2-1)新庄水电站增容改造之后机组为2x800kw的容量，则每台机组的消耗油量为0.422m3。（2）事故备用油量V2以最大一台设备充油量的110%来计算，其中10%是考虑油的蒸发、漏损以及取样的余量。由于两台机组的装机容量一样，所以他们的用油量相同，即有：V2=1.1V1max=1.1x0.422=0.465m3(2-2)（3）补充备用油量V3设备在运行过程中，由于存在油的漏损，因而需要补充油，设备45天的添油量，即有：X3=V1ax45/365(2-3)其中：a表示设备在一年之中需要补充油量的百分数，转浆式水轮机组取值 a=15%~25%，其他机组5%~10%，变压器取值5%。对于新庄水电站来说，所选用的是定将水轮发电机组，而且型号都是比较小的，所以在进行补充设备油量的计算中，取a=5%。通过上式计算可得补充备用油量V3=0.03M3。2.4油系统的设备选择根据水电站所在的地理位置以及交通的情况，装机容量以及机组台数等因素，拟定油系统的规模，再油系统类型以及用油量确定之后就可以选择设备，设备的配置原则，按照透平油以及绝缘油两个系统分别配置。设备包括：储油设备，净油设备，油的吸附处理设备，油泵、油管以及油化实验设备[6]，油化实验设备，一般的中小型电站只是设置油化分析项目，因而新庄水电站的增容改造项目中不需要设置油化实验设备。2.4.1储油设备选择储油设备包括有净油桶，运行油桶，中间油桶，重力加油桶以及事故排油池，对于透平油系统，设置中间油桶是指当油库在场外的时候，为了检修的方便，可以在场内设置中间油桶[3]，由于本电站是小型的水电站而且只有两台机组，油库也是设置在厂房的内部，因而不用设置中间油桶。（1）净油桶选择储备净油桶设备换油的时候使用，容积为最大一台设备充油量的110%，加上全部设备运行45天的补充备用油量，即有：V净=1.1V1max+(2-4)V净=0.465+0.03x2=0.525m3（2）运行油桶选择运行油桶用于设备检修时排油及净油用，考虑到他可兼做接受新油，并且与净油桶互用，其总容积与净油桶一样[7][8]。小型的水电站以及大中型的水泵站其用油量少，可以只设置一个运行油桶对于本电站来说，考虑到运行的方便，将不设置运行油桶，而是在机组附近设置活接头，直接用于接受新油，增加运行的灵活性，减少成本。（3）事故排油池事故排油池用于接收事故排油，设置在油库底层或者其他合适的位置上，其容积为油田容积之和，本电站设计的事故排油池容积为3m3。2.4.2油系统图油系统即是储油设备、用油设备、油处理设备及输油管路连接起来的供、排油系统，机组使用油的设备主要是机组轴承、调速器、及转浆式水轮机轮叶转动机构[5]。为保证机组设备的安全运行，油系统应该实现以下的作用：（1）接受新油 （2）储备净油（3）给设备充油（4）向运行设备添油（5）检修时从设备排除污油（6）对运行油桶中的污油进行净化处理（7）油的监督与维护制定油系统图，应该遵循以下原则：（1）能使一台滤油机单独的工作（2）油可以从任何一个储运桶直接或是经过油泵，滤油机进入任何一个用油设备或者是储油桶，油也可以从任何一个用油设备亿以上方式进入任何一个储运桶（3）经常操作的阀门应该尽量的集中，便于操作（4）应该尽量满足保安、防火的要求根据相应的计算结果以及新庄水电站的实际情况，可以做出新庄水电站的油系统原理图（见附图）。2.4.3油净化设备的选择油净化设备包括压力滤油机、真空滤油机、油泵。对于压力滤油机以及真空滤油机的选择的原则是：大型水电站两个油系统分别设置一台压力滤油机以及一台真空滤油机；对于中型水电站各设置一台压力滤油机，共设置一台真空滤油机；小型水电站和大中型水泵站各设置一台压力滤油机；特小型水电站可以只设置一条移动式压力滤油机[4]。对于新庄水电站，属于小型水电站，可以只设置一台压力滤油机，以减少设备的投资。（1）压力滤油机的选择按照4h之内净化一台机组的最大的用油量同时考虑压力滤油机更换滤纸的时间，计算时应该将其额定生产效率减低30%，故压力滤油机的生产率为QL=V1max/(1-0.3)/t(2-5)其中：V1max为一台机组设备的充油量单位为m3t滤清的时间，取为4h由此可以算出=0.422/（1-0.3）/4=0.15（m3/h）根据透平油计算出的QL值，在产品目录中选取压力滤油机，压力滤油机的型号为LC-50。（2）油泵的选择油泵是在接受新油，设备充油排油和油的净化时使用。由于齿轮泵的机构简单，工作可靠，维护方便，价格便宜等优点，所以输油泵多采用齿轮泵。油系统输油泵生产率按4h之内充满一台机组的用油量来计算，即： Q=V1max/t(2-6)式中:一台机组的充油量，m3T充油时间，透平油系统t=4h由此计算出Q=0.422/4=0.11(M3/h)油泵的扬程应该能够克服设备之间的高程差以及管路损失，根据生产率和要求的扬程在产品目录中选取油泵。一般按系统选择两台其中一台移动式用以接收新油和排除污油，小型水电站和泵站也可以只是设置一台移动式油泵。综合上述的信息，根据新庄水电站的实际情况，选择一台移动式油泵，型号为2CY.2/16-7。2.4.4管道的选择根据经验以及新庄水电站的实际情况，由于新庄水电站原来的油系统的管道斌没有损坏，因而管道无须再进行选择，选用原来的管道即可。2.4.5油系统设备表油系统设备表见下表表2-1油系统设备表序号名称型号及规格数量单位备注1旋塞阀X13T15个2旋塞阀X13T15个3活接头BDMI-505个4活接头BDMI-5010个5移动油泵2CY4.2/16-71台6压滤机LY-501台7油盆4个自购 第三章气系统3.1压缩空气系统分类压缩空气系统包括高压气系统以及低压气系统。水电站的高压供气系统对象主要包括有：油压装置的压力油槽充气和变电站配电装置中空气断路器以及气动操作开关用气。低压气系统供气对象主要包括：机组制动用气、设备维护检修用气以及空气围带供气、水电站机组调相压水用气、寒冷地区场外水工建筑物防冻吹冰供气以及水泵站操作出水管道驼峰上真空破坏阀的供气等。3.2气系统设计国内一些小型水电站的水轮机辅助设备及油气水系统应有尽有，基本上是大中型电站模式的缩小，设备利用率不高。不但增加了电站建设投资，也相应增加了日常维护工作量。加之小型水电站运行人员素质不高，对运行也带来了不便。小型水电站，尤其是北方小水电站，多属季节性电站，在电网中，小型水电站处于次要地位。设计和建设应该从实际出发，力求简单、实用、经济、可靠。简化和取消气系统正是基于这一目的考虑的。对于高压气系统据估算，对小型水电站高压气系统简化贮气罐后，约可节省设备投资1～2万元；如果取消高压气系统，可节省投资5万元左右。对于低压气系统分析与实践表明，小型立式机组的水电站不设低压气系统亦是可以的。至于吹扫、风动工具等这些零星非经常性的需要，可以在机修设备中增加一个小型空压机来解决这样，降低了电站设备投资，还避免了因小水电主副厂房面积不足给布置带米的困难。对于新庄水电站，没有蝶阀设置，原来的气系统中只是有低压气系统。增容改造之后，将原来的低压气制动的系统图改为油制动的系统图，原来低压气系统有制动以及清扫两个功能，为了保证清扫功能，厂房内另外设置有移动式的吹气装置，这样就保证了原来的低压气系统的功能[13]。由上述可知，对于新庄水电站增效扩容之后，并不需要进行其系统的相关的设计，只需要在油系统的基础之上再设计一个油制动系统原理图即可。油系统制动图见附图。 第四章水系统水电站的水轮发电机组的水系统包括有供水系统以及排水系统两个部分。4.1供水系统水电站的供水包括：技术供水，消防供水以及生活给水。中小型水电站的水轮发电机组以技术供水为主，消防供水为辅，与整个电站的消防供水以及生活供水组成统一的供水系统。对于新庄水电站的供水系统，主要是以技术供水为主，其他供水只是在技术供水的基础上给与的供水。4.1.1技术供水的对象小型水轮发电机组饮水设备主要有：水轮发电机组各个轴承的油冷却器；水润滑的水轮机导轴承、水冷式空压机、水冷式变压器、油压装置等。对于新庄水电站的供水系统来说，由于没有气系统，所以在很多地方都是不需要供水的，实际上需要用水的设备有：水轮发电机组的上导推力轴承油冷却器；射流泵排水用水以及水轮机蜗壳顶盖密封。水轮发电机组轴承冷却水轮发电机组轴承一般都是利用汽轮机油润滑和冷却，运行中摩擦产生的热量如果不可以及时导出，将会使得轴瓦以及油温上升，过高的温度不仅仅是加速油的老化，而且缩短的轴瓦的寿命，甚至可能使得轴承烧毁。为此，通常是在轴承箱中设置蛇形管式油冷却器，冷却水不断从管内通过，吸收并且带走热量。4.1.2技术供水要求技术供水主要是对于水的水量、水温、水压、以及水质的要求[12]。（1）水量用水设备的所需水量由制造厂家给定。（2）水温通常，各种冷却器均是以入口水温为25oC作为设计标准，当入口水温高于限定值的时候，必须采用特殊设计的冷却水或者是增加冷却水量，如果入口水温是低于限定值的时候，可以适当的减少水量。应该注意的是，冷却器温度也不可以过低，一般是不低于4摄氏度，水温过低会使得冷却水管会沿着长度方向温度变化过大，产生温度应力，甚至也由此产生裂纹而破坏，低温水管接触还会发生外壁接露，这是设备运行所不允许的。（3）水压进入用水设备的水，必须具有一定的压力，不同用水设备的水压不相同，压力过低不能够维持要求的流量，压力过高可能是的冷却器或者是设备破坏。（4）水质技术供水的水质要求，主要是限制水内的机械杂质、生物杂质以及化学杂质的含量，通常包括悬浮物，泥沙、有机物以及水生物。 4.1.3技术供水系统的组成水轮发电机组的技术供水系统是由四个部分组成的，分别是水源选取、水质处理设备、供水管道系统、测量以及水力旋流器等。（1）水原选取一般是从水电站所在的河流或者是水库中选取，可以分为从上游和从下游取水两大类。从上游取水可以利用电站的水头取水，根据电站的具体条件的不同，可以分为从蜗壳取水，压力钢管取水以及坝前取水三种。下游取水则是在上游取水不能满足要求的时候或者上游取水在能源利用方面很不合理的时候可以从下游尾水抽取技术用水，当河水不符合要求的时候（河水不符合要求主要是指河水中含沙量太大而且含有水生物以及有机物质），可由地下水源取得。必须设置不同形式的备用水源，以保证供水可靠。采用地下水源的时候，一般通常是由水泵抽取，因而投资和运行费用较高，某些电站的地下水具有一定的压力，可以自流供水。有资料可知，新庄水电站是没有调节能力的，属于径流式电站，并且新庄水电站的水质不满足要求，因而新庄水电站的供水水源是选取的地下水，由于此次是对新庄水电站的增效扩容改建，所以有些设备可以在原有的基础之上加以应用，可以节省一定的投资。（2）水质处理设备机组用水设备对于水质的要求，主要是限制水内的机械杂质、生物杂质、以及化学杂质的含量。化学杂质去除较为困难，需要的费用以及设备比较多，中小型电站不进行，对于新庄水电站来说，也不设置这些设备[14]。（3）供水管道系统一般是采用不同直径的水煤气钢管。（4）测量以及控制元件为保证技术供水系统安全、正常、可靠的运行而设置的两侧仪表以及控制元件。这下原件为控制水电站的正常运行所必需的，而且可以完成水电站的自动控制运行工作。4.1.4供水方式的选择水电站的技术供水，有自流供水、水泵供水、和混合供水三种不同的方式，而电站水方式的选择是水电站水头、水源类型、机组容量以及结构形式等条件决定的。新庄水电站是采用的地下取水的方式，而且额定水头为12m，由此选取的供水方式为混合供水方式中的水塔供水系统，这种供水方式使用水泵抽水至水塔，再由水塔向设备自流供水系统的系统，这种供水方式兼有自留供水以及水泵供水的特点，这种供水方式增加了水塔或者是蓄水池的投资，但是对于用水量不太大的小型水电站来说是比较合适的，水塔可以根据厂区地形情况灵活布置，其容积通常是按照全站1h以上用水量来考虑。水泵间歇运行，水塔存水时间可以起到沉淀部分泥沙的作用。4.1.5设备配置的供水方式选定了新庄水电站的水源以及灌水方式之外，则是要合理的确定设备配置的供水方式，设备配置的供水方式包括有集中供水，单元供水以及分组供水。根据新庄水电站的增效扩容的单机容量以及机组台数，就可以确定设备配置的供水 方式，新庄水电站的单机容量为800Kw，一共是两台机组，据此可以确定设备配置的供水方式为集中供水方式。集中供水就是指全站的所有的用水设备都有一个或者是几个公用的取水设备取水，再经公用的干管供给各用水设备，这种设备配置便于集中布置、运行、维护比较方便，很适合新庄水电站。4.1.6技术供水系统图技术供水系统图的拟定应该考虑以下四个方面：（1）应该保证所有的用水设备的水压、水温、水质以及水量的要求，机组运行期间不间断供水，保证供水的可靠性。（1）系统应该力求简明，布置合理，便于设备的安装与维修。（3）应该具备自动化操作水平，供水泵自动控制，机组冷却水自动投入与切除，水流情况以及水压的自动监视。（2）节省投资以及运行的费用根据以上的信息以及新庄水电站的具体情况，则可以做出新庄水电站的供水系统图。4.1.7技术供水设备选择4.1.7.1设备用水量计算设备用水一般是有制造厂商决定的，无资料是可以按照下时进行估算：机组轴承冷却用水:（1）机组的推力轴承冷却器用水机组在稳定运行时，轴承达到热平衡状态，全部的摩擦损失都将转换成热量，并被冷却水带走，推理轴承冷却器冷却水用水量为QT=(4-1)式中：QT冷却用水流量，m3/h△他水在冷却器内的温升，2-4℃C水的比热，25℃，取值C=4186.8p推力轴承负荷，立轴机组包括轴向推力以及带轴转子和带轴传输，Kwv推力瓦表面年平均圆周速度，m/sf镜板与推力瓦摩擦系数，小机组为0.003-0.004，大机组0.00009-0.0011（2）导轴承冷却器用水量发电机上下导轴承由于负荷较轻，其冷却器耗水量较小，一般是按照推力轴承的10%-20%计算。水轮机导轴承用水量（1）油导轴承需要的冷却水用水量可以按照发电机推力轴承用水量的10%-15%进 （1）行估算。（2）橡胶瓦轴承靠水润滑和冷却，其工作温度低于65-70℃，当已知水轮机轴直径时候，供水量可以按照下是进行估算Qg=(1-2)HDZ3(4-2)式中:Qg轴承用水量，L/SH润滑水箱入口水压力，一般是15-20mH2ODZ水导轴承轴颈直径，m润滑水应该采用大值，以防止水轮机导轴承下产生负压，水量不能够满足要求。由于新庄水电站没有设置气系统，所以空气冷却器以及空压机也就不需要进行水冷却，不需要设计其用水量。水电站技术供水总量，应该按照用水设备的种类，台数逐项进行统计。此外，尚需考虑场内检修，卫生等生活用水量，中小型水电站此部分用水量可以按照来计算。新庄水电站的一台用水机组的用水量有三处:（1）水轮发电机组的上导推力轴承（2）射流泵供水（3）水轮机蜗壳密封用水由于水轮机密封用水的影响因素很多，而且用水量不大，可以忽略不计。按照相应的公式可以计算得出：（1）水轮发电机组上导推力轴承的用水量为Q上导=3.53m3/h（2）射流泵用水量Q=17.66m3/h则一台机组的用水量为Q总=17.66m3/h4.1.7.2技术供水系统设备选择取水口选择取水口的布置主要与供水以及取水方式有关，既要满足水温以及水压的要求，也要考虑泥沙和杂物的阻塞。（1）取水口应该根据水源以及供水方式确定，一般应该设置备用取水口，单机组电站取水口不少于两个，蜗壳或者是压力钢管取水系统每台机组一个取水口，水泵供水系统每台水泵一个取水口。（2）取水口的应用流量应该是根据系统情况而定，对于水压足够的自然系统还应该计算消火用水量。（3）取水口应该合理布置，再把钱或者是下游设置的取水口布置在最低水位以下，至少应该保持2m水深，应该从河流侧方向取水取水流速一般为主流流速的0.1-0.2倍，无论哪种水源取水口军应该是布置在流水区域，并配有相应的冲洗或者是吹扫设备。（4）取水口应该设计拦污栅，常用的有钢板钻孔式和栅栏式两大类，断面与管道直 （1）径相适应，经过展览的流速为0.25-0.5m/s，机械强度应该是按照拦污栅完全堵塞的情况下最大作用水头进行设计。水泵选择:对于水泵供水系统，水泵应该是根据相应的供水扬程以及流量来选择。（1）水泵应有的扬程应该是按照下式来计算Hr≥ZL-ZS+HL+V2/2g+∑△h(4-3)式中：ZL位置最高用水设备入口高程，mZS吸水水面高程，m∑△h管路损失之和，mHL冷却水要求的进水压力，由厂家提供，通常是不超过20mH2OV设备入口流速，m/s（2）在水电站的技术供水中，每台水泵的流量应该是按照下式来计算Qr≥QiZ/Zp(4-4)式中：Qi一台机组耗水流量，m3/hZ同时运行机组台数Zp同时运行水泵台数，通常为一台，最多不超过两台根据上述公式以及新庄水电站的实际情况可以算的新庄水电站的供水泵的流量和扬程为：流量：Qr≥17.66x2/1=35.32m3/h根据新庄水电站的具体的资料，对于水流以及管路损失可以取值为6m，冷却水的进水压力为15m,流速为2m/s扬程：Hr≥427.35-420.16+6+15+22/2g=28.39m则根据计算出的流量以及扬程的要求可以选出供水水泵，选择两台型号为QX40-35-3T的潜水泵。管道的选择:技术供水管道一般是采用水煤气管，橡胶轴瓦的润滑水管路在滤水器之后，应该是采用镀锌钢管，以防止铁锈进入轴承，管道直径按流量确定：d=(4-5)式中：Q管道设计流量，m3/sV流速，m/s。吸水管1.2-2.0m/s,压水管1.5-2.5m/s，自流供水管1.5-7.0m/s。此次，是对于新庄水电站的增效扩容改造，经实际考擦，知道新传的水电站的水系统管道并没有损坏，可以进行相应的使用，故此新庄水电站水系统管道不需要进行相应的选择，可以直接使用原管道进行。4.1.7.3消防供水系统 水电站必须设置消防供水系统，而水是最有效普遍的灭火材料，消防供水系统设置与机组技术供水系统通常需要同时考虑消防供水应该根据消防要求具体确定供水水源，供水方式。消防供水的水源以及供水方式电站设计时，消防供水水源应该与技术供水水源同时考虑，至于消防供水的方式取决于消火对象对于供水的要求，电站水头以及选定水源，有自流供水、水泵供水和混合供水三种形式。供水方式的选择是与电站的水头密切相关，水头高于30m时，应该选用自留供水；水头低于30m时，应该选用水泵供水；当水头在30m左右时，应该选用混合供水方式，新庄水电站的水头为12m，而且，本电站是采用水泵进行技术供水的，但是循环水池的水是有水塔工给的，故本电站的消火供水采用水塔直接供水的方式。消防供水的内容水电站的消防供水主要分为主厂房消防，厂区消防，发电机消防和油系统消防。（1）主厂房消防场内以及厂区消防设施除灭火器以外，主要是依靠消防栓经过软管及喷射出来的水柱消防，中小型电站常用的管径为50-65mm的软管，喷嘴孔径为13-19mm。主厂房内至少应该设置两个消防栓，其数量以及位置可以通过计算水柱的射程来确定，必须保证场内任何一个着火点能够承受两股充实水柱控制。（2）厂区消防厂区也应该设置消防干管，一般是与场内感官并行并且相互连成环状管路。厂区消防栓的数量和位置，应该使每一个建筑物都能够承受两股充实水柱的保护。消防用水量一般是按照水柱的喷射流量计算。主厂房内部消防可以按照两股充实水柱，每股耗水量为2.5L/S计算。厂区消防用水量，对主厂房地面以上容积小于5000m3的，可以按照10L/S。消防供水压力由需要的喷射管径以及喷射压力决定，压力位H0的水由喷嘴射出的，会形成高度为HB的射流，射流可以分为紧密部分，破裂部分以及分散部分，其中前两部分水柱击中，水流密集，是消防的主要部分[6][11]。充实水柱高度HK由下式决定HK=(4-6)式中：HB射流总高度，m与HB有关的系数，可以查表得出HB=(4-7)式中：H0喷嘴入口压力，mH2O 与喷嘴直径有关的系数，可以查表得出新庄水电站的消防供水是由水塔工给的，水的压力主要是有水塔的高度来决定，而消防所需要的水压是由水塔的高度来决定，射流的总高度也就是厂房的总高度，则压力水需要从水塔送到消火栓，并由消火栓将水电站的最高地点，也就是水电站的厂房高度，则可以知道，水塔的高度即为水电站厂房的高度和由水塔到消火栓的管路水力损失。由资料和计算可以知道，新庄水电站的厂房高程为436.47m3，管路的水力损失为15.53m，则可以计算出新庄水电站的水塔高程为436.47+15.53=452m。（1）发电机消防发电机在运行的过程中可能发生绕组短路，开头开焊等事故而着火，为了防止事故扩大，必须迅速扑灭，一般是在发电机的定子绕组旁边设置有消防软管。发电机的消防环管的入口水压通常是采用20-25mH2O。其消火水流量取决于供水压力，环管直径以及长度。（2）油系统消防水电站油系统的油库，油处理室，油化验室等部位是消防工作的重点。油处理室以及油化验室一般应该是设置化学灭火器以及砂土供销防用；油库则还在储油罐上加装消防喷头。对于小型水电站可以只是设置化学灭火器以及沙土。新庄水电站属于小型水电站，在油系统的消防方面，只设置了相应的灭火器以及沙箱。4.2排水系统水电站场内设置排水系统，目的是排除生产废水、检修废水、生活污水。避免厂房内部积水和潮湿，保证机组的过水部分部件和厂房水下部分的检修，这样才能保证水电站设备的正常运行。4.2.1排水方式水电站的排水方式可以分为生产用水排水，渗漏排水和检修排水三种，不同的排水方式涉及到水电站不同对象的排水方式。水电站的生产排水主要是对于发电机空气冷却器冷却水，发电机推力轴承和上下导轴承冷却器的冷却水，水轮机导轴承冷却器冷却水或者是润滑水，但是这类排水的排水量不是很大，设备位置也是较高，一般均是可以自流排水至下游，因此，这类排水不列入排水系统的范围。对于机组的渗漏排水，这类排水的特征是排水量不大，数量难以估计分布广，排水高程低，一般是不能够自流排水至下游，因此，水电站都是设置有集中储存漏水的集水井或者是积水廊道，利用管，沟将他们收集起来，然后再利用设备将其排至下游，中小型水电站的渗漏排水多采用集水井排水，新庄水电站也采用集水井的方式进行渗漏的排水。将水电站场内各处的渗漏水经过管道汇集于厂房底部的集水井，然后通过水泵将其排至下游。 水电站机组进行检修的时候，必须排除压力管道，水轮机蜗壳以及尾水管内部的积水。检修排水的特征是排水量大，排水高程低，排水时间短，小型水电站的厂房的检修排水常与渗漏排水结合在一起，来节省投资和减少用地，但应有可靠的防止误操作的措施，以防发生水淹厂房的事故。4.2.2排水系统图水电站排水系统图包括渗漏排水以及检修排水两个系统。水电站的设计规程规定，单机容量在3000Kw以上的水电站，检修排水与渗漏排水应该是分开布置；单机容量小于3000Kw的电站，也许两个系统合并设计，即共用一个集水井，但是应该具有可靠地防止水淹厂房的措施，小型水电站中的县电网骨干电站，以分开为宜，非骨干小型电站，为了节省投资，可以合并设置。新庄水电站的单机容量为800Kw，渗漏排水以及检修排水合并为一个系统，设置两台潜水泵作为渗漏排水用，一台工作，一台备用。工作泵由液位信号器控制，按照集水井水位的高低，自动启动与停止。根据以上信息，则可以做出新庄水电站的排水系统图。4.2.3检修排水设备选择4.2.3.1检修排水水泵选择检修排水量选择检修排水量的大小，取决于水轮机的型式，尾水位的高低和上下游闸门的漏水量。（1）压力钢管、蜗壳、以及尾水管积水量压力钢管、蜗壳及尾水管内高于下游水位的积水均是自流排出。因此，需要用水泵排出的仅是下游尾水位以下的积水，下游尾水位一般是选取正常尾水位计算，其容积可以按照下式计算V=Vy+Vk+Vw(4-8)式中：Vy尾水位以下压力引水管内积水容积，m3Vk尾水位以下蜗壳内的积水容积，m3Vw尾水位以下尾水管内积水容积，m3其中Vy按照压力引水管布置情况以及机构尺寸计算，对于设计了解水轮机进水阀的机组，则只是计算进水阀之后管段的积水容积，Vk和Vw按照制造厂提供的图纸进行计算。（2）上下游闸门的漏水量水轮发电机组在检修过程中，上下游闸门虽然已经关闭，但是漏水依然存在，需要继续排水。漏水量按照下式来计算Q漏=q1l1+q2l2(4-9)式中：Q漏漏水流量，L/sq1、q2上下游闸门单位止水长度每秒钟漏水量，L/sl1、l2上下游止水长度，mq1、q2与闸门止水形式、制造安装质量以及运行维护情况有关，闸门止水型式根据 闸门的不同，q的取值也就不相同，球阀以及有空气尾带的蝶阀可以取值为q=0.5L/(s.m)。实心橡皮带密封止水的蝶阀可以取q=0.75L/(s.m)，包有帆布袋的木止水可取q=1.25L/(s.m)，木止水可取q=2.00L/(s.m)，金属止水可取q=2.50L/(s.m)，考虑运行时会受泥沙等因素会使得漏水量加大，选用时采用加大一级值。对于新庄水电站来说，水轮机的压力管道以及蜗壳上的水都经过连通管排水至尾水管，则检修排水量的大小主要是上下游闸门的漏水量以及尾水管的容积。新庄水电站采用的是环行橡胶带止水，取q=0.6L/(s.m)，则上下游闸门的漏水量为Q漏=0.6x4x(2.5+2.1)=11.04m3/h。尾水管容积的计算：尾水管容积分为圆锥段VZ,肘管段VG以及扩散管VK，根据水轮机的型号以及尾水管的尺寸计算出尾水管的容积，计算过程如下：VZ=1/3x3.14x1.07x(0.62+0.8152+0.6x0.815)=3.8m3VG=1/2x(3.14x0.8152+3.29x0.8)x3=7.1m3注：式中的数值3m为估算的肘管段中心长度VK=1/2x(3.29x0.8+3.29x1.57)x(5.4-2.1)=12.9m3检修排水的积水总容积为VW=VZ+VG+VK=3.8+7.1+12.9=23.8m3检修排水泵的选择检修排水泵生产效率按照下式确定Q=Q漏+(4-10)式中：Q水泵生产率，m3/sV正常尾水位以下的压力钢管，蜗壳以及尾水管内的积水量，m3T水泵排水工作时间，可以取4-6h，对于大型水电站以及长压力隧洞或者是長尾隧洞的电站，可以适当延长。其它符号意义同前。检修排水泵扬程H按照尾水管底板最低点扬程与下游尾水位之差以及排水管的水头损失二者之和确定H=Zd-Zw++(4-11)式中：Zd下游尾水位，mZw尾水管底板最低点高程，mV排水管出口流速，m/s由于检修排水不经常运行，所以一般都不考虑自动化，新庄水电站为小型水电站，只需要设置一台移动式潜水泵即可。按照2h排完全部的积水计算，检修排水泵生产率为Q=23.8/2+11.04=22.94m3/h 检修排水净扬程为H=421.86-418.02+2=5.84m根据计算出来的流量以及扬程，选择一台型号为QX25-12的潜水泵进行检修排水。渗漏排水泵选择（1）渗漏水量的估计渗漏水量是选择渗漏排水设备数量的重要依据，但因他与水电站的地质条件，地形条件、厂房形式、布置和施工情况、设备的制造、安装质量以及运行维护等多种因素有关，一般是很难通过计算的方法确定，参照已运行的同类水电站的渗漏水情况估计渗漏水量[10]。装有混流式水轮机的水电站，场内渗漏水量主要是来源于水轮机顶盖以及大轴的密封漏水，其中，大轴密封尤占绝大部分。对于生产排出的污水，如滤水器的冲洗污水排水等，因水量很小，估计是可以忽略不计。（2）集水井容积的确定工作水泵起动水位和停泵水位之间的集水井的容积称为有效容积。集水井的有效容积一般按照容纳30-60min漏水量考虑，即渗漏排水泵每小时起动1-2次，表达式为：Vj=(30-60)m3(4-12)式中：Vj渗漏集水井有效容积，q渗漏排水量，m3/min由于渗漏排水量很难估计，实践中，集水井容积均是参照已建同类水电站渗漏排水数据直接确定集水井容积，在不增加开挖量以及土建投资情况下，充分利用大体积混凝土空间做成大容积集水井，以减少水泵启动次数[14]。集水井高程应该是足够低，应该保证最低一层地面渗漏水自流排入井内。工作水泵起动水位与备用水泵起动水位之间距离不可以太小，一般要求不可以小于0.3m，因为液位信号器的两个发信液位间距太小，在液位波动时，不能保证自动控制的准确性。报警水位（多为备用水泵启动的同时报警）到不允许淹没的厂房地面之前应该留有一定的安全距离，是在水位报警之后，集水井仍继续上升的情况之下以便还有其他时间采取其他临时措施的。停泵水位到井底的距离，决定于排水泵底阀的大小，底阀进水对于淹没水深的要求和防止吸入井底脏污对于井底下缘至井底的间距要求。渗漏排水泵的选择渗漏排水泵生产率可以按照10-20min排完集水井有效容积渗漏水量，即： QB=(4-13)式中：QB水泵生产率，m3/hV集水井有效容积，m3渗漏排水泵扬程按照集水井最低工作水位即停泵水位与水电站全部机组满负荷运行时的尾水位之差和排水管的水头损失二者之和确定，以下游最高为水位校核，水泵吸出高度与安装高程应按集水井最低工作水位即停泵水位校核，渗漏水泵扬程按照下式计算：H=Zd-Zj++(4-14)式中：Zd下游尾水位，全部机组满负荷运行时的尾水位Zj集水井最低工作水位，m排水管中水头损失，mV排水管出口流速，m/s由于渗漏水泵启动频繁，而渗漏水的来水情况又是难以确定，一般渗漏排水应该选择两台同型号的水泵，互为备用，并由液位信号器自动控制工作泵和备用泵的启停。渗漏水是经常不断的，渗漏排水应该可以随时投入运行，应该考虑在失去厂用电的情况之下，保证渗漏水可以及时的排出。以上给出了一般水电站渗漏排水水泵的选择方式，但是对于新庄水电站来说，在设计循环水池以及集水井时，根据相应的设计需求，将循环水池以及集水井连通在一起，并同时进行供水与排水，由于循环水池与集水井相互连通，他们的水位始终相同，排水时，两个水池同时排水。所以新庄水电站不需要渗漏排水泵，供水水泵也同时担任排水的任务，这样对于新庄水电站来说，既简化了设计，又节省了投资。新庄水电站渗漏排水的部分，还由水轮机顶盖渗漏，对于这部分的渗漏水，采用的是射流泵将渗漏水排至集水井，而射流泵也是新庄水电站在改造之前就存在的，可以继续沿用，无需进行选择。排水管直径的选择可以存选定的排水泵的资料查出进水泵进出口直径。对于新庄水电站来说，是对于新庄水电站的增效扩容改造，经过实际考察，新庄水电站的排水系统管道良好，还可以继续使用，为减少投资的费用，可以继续使用原排水管道。 4.3水系统设备材料表水系统设备表见下表表4-1水系统设备表序号名称型号及规格数量单位备注1电磁阀2BSF-1Y~220v8个2旋塞阀X13T-1.010个3止回阀H41H3个4截止阀J41W37个5示流信号器SLX-25ZS2个6压力表YNX-1009个0-1.6MPa7液位信号器RUHZ-524个8滤水器DLS-2001个9消火栓箱SG25B50Z3个10潜水泵QX40-35-3T2台扬程35m，流量40m3/h11移动潜水泵QX25-121台扬程12m，流量25m3/h12射流泵JPS25-102台扬程10m，流量25m3/h13长柄排水阀2个14水压信号器GKY27-CX-31个15真空表2个16安全阀A27W-10T1个4.4供水系统电气原理图4.4.1井泵电气原理控制图井泵的开启与关闭主要是受高位水池以及循环水池的水位的控制。（1）自动控制回路循环水池的控制当循环水池的水位比较低的时候，1BF1接通，使得1ZT1励磁，使得控制循环水池的电磁阀1ZT打开，同时也让31KAM励磁，32KAM2闭合，通过32KAM1自保持，使得32KAM励磁，32KAM2闭合，3MF励磁，3MFabc闭合，3M电动机旋转，打水开始。当循环水池中的水位达到上限水位的时候，水位信号器1BF2闭合，1ZT2闭合，1ZTc励磁，使得控制循环水池的控制电磁阀关闭，同时33KAM励磁，使得33KAM1断开，32KAM失掉磁性32KAM2断开，发出停止水泵的信号，但是水泵却不一定停止，还要看高位水池水位的影响，这里设置31KAM1以及32KAM1自保持回路，目的在于当供水给循环水池的时候，可以一直从下限水位到上限水位，否则可能循环水池中的水位一旦高于下限水位就可能使得井泵停止工作，使得井泵的启动过于频繁。 高位水池的控制当循环水池的水位比较低的时候，2BF1接通，使得2ZT1励磁，使得控制循环水池的电磁阀2ZT打开，同时也让34KAM励磁，34KAM1闭合，通过35KAM1自保持，使得35KAM励磁，35KAM2闭合，3MF励磁，3MFabc闭合，3M电动机旋转，打水开始。当循环水池中的水位达到上限水位的时候，水位信号器2BF2闭合，2ZT2闭合，2ZTc励磁，使得控制循环水池的控制电磁阀关闭，同时36KAM励磁，使得36KAM1断开，35KAM失掉磁性35KAM2断开，发出停止水泵的信号，但是水泵却不一定停止，还要看循环水池水位的影响，这里设置34KAM1以及35KAM1自保持回路，目的在于当供水给高位水池的时候，可以一直从下限水位到上限水位，否则可能高位水池中的水位一旦高于下限水位就可能使得井泵停止工作，使得井泵的启动过于频繁。（2）手动控制回路此时，高位水池以及循环水池的水位不是由水位信号器检测的，而是由电站的运行人员监测的。当循环水池的水位到达下限的时候，此时有运行人员将供水给循环水池的管路上与电磁阀并联的常闭阀门打开，并且将井泵开关打到手动位置，使得3MF励磁，3MFabc闭合，电机旋转，供水给循环水池。当水位达到上线的时候，将井泵的开关打到切的位置，使得3MF失掉磁，3MFabc断开，电机停止旋转。当高位水池的水位到达下限的时候，此时有运行人员将供水给高位水池的管路上与电磁阀并联的常闭阀门打开，并且将井泵开关打到手动位置，使得3MF励磁，3MFabc闭合，电机旋转，供水给循环水池。当水位达到上线的时候，将井泵的开关打到切的位置，使得3MF失掉磁，3MFabc断开，电机停止旋转。4.4.2循环水池水泵电气原理控制图假设1号水泵为工作泵，2号水泵为备用水泵。（1）循环水池水泵自动控制回路工作泵自动启动回路：将1号水泵前的开关打到自动位置，当1号机组要开机的时候，通过1号机组外输接点1KST1闭合使得3ZT0励磁，使得1号机组供水的电磁阀3ZT打开，同时11KAM励磁，11KT励磁，11KAM1闭合，通过12KAM1自保持，使得12KAM励磁，12KAM2闭合，1MF励磁1MFabc闭合，1M励磁，一号水泵供水给一号机组。当要关闭1号机组的时候，1KSTP1闭合使得3ZTc励磁，电磁阀关闭，同时使得13KAM励磁，13KAM1断开，使得12KAM失掉磁性，12KAM2断开，发出关掉一号泵的信号，但是1号泵是否关闭还要看2号机组的控制回路。 将1号水泵前的开关打到自动位置，当2号机组要开机的时候，通过2号机组外输接点2KST1闭合使得4ZT0励磁，使得2号机组供水的电磁阀4ZT打开，同时21KAM励磁，21KT励磁，21KAM1闭合，通过22KAM1自保持，使得22KAM励磁，22KAM2闭合，1MF励磁1MFabc闭合，1M励磁，一号水泵供水给2号机组。当要关闭2号机组的时候，2KSTP1闭合使得4ZTc励磁，电磁阀关闭，同时使得23KAM励磁，23KAM1断开，使得22KAM失掉磁性，22KAM2断开，发出关掉一号泵的信号，但是1号泵是否关闭还要看2号机组的控制回路。当供水管道压力过高的时候，使得3YX2闭合，KAM励磁，使得KAM1断开，1号水泵停止工作，同时KAM3闭合2SL灯亮，发出信号。备用泵自动启动回路：将1号水泵前的开关打到自动位置，将2号水泵前的开关打到备用位置。当1号机组要开机的时候，通过1号机组外输接点1KST1闭合使得3ZT0励磁，使得1号机组供水的电磁阀3ZT打开，同时11KAM励磁，11KT励磁，11KAM1闭合，通过12KAM1自保持，使得12KAM励磁，12KAM2闭合，1MF励磁1MFabc闭合，1M励磁，一号水泵供水给一号机组。此时11KT1延时闭合，通过14KAM1自保持，使得14KAM励磁，14KAM2闭合。此时，1号机组已经完全起动，当管道的压力小的时候，2YX1闭合，通过16KAM1自保持，使得16KAM励磁，16KAM3闭合，2MF励磁，2MF励磁2MFabc闭合，2M励磁，2号备用水泵供水。当要关闭1号机组的时候，1KSTP1闭合使得3ZTc励磁，电磁阀关闭，同时使得13KAM励磁，13KAM1断开，使得12KAM失掉磁性，12KAM2断开，发出关掉一号泵的信号，但是1号泵是否关闭还要看2号机组的控制回路。当2号机组要开机的时候，通过2号机组外输接点2KST1闭合使得4ZT0励磁，使得2号机组供水的电磁阀4ZT打开，同时21KAM励磁，11KT励磁，21KAM1闭合，通过22KAM1自保持，使得22KAM励磁，22KAM2闭合，1MF励磁1MFabc闭合，1M励磁，一号水泵供水给2号机组。此时21KT1延时闭合，通过24KAM1自保持，使得24KAM励磁，24KAM2闭合。此时，2号机组已经完全起动，当管道的压力小的时候，2YX1闭合，通过26KAM1自保持，使得26KAM励磁，26KAM3闭合，2MF励磁，2MF励磁2MFabc闭合，2M励磁，2号备用水泵供水。泵手动启动回路此时，当1号或者是2号机组开机的时候，将1号或者是2号的1QC或者是2QC切换至手动位置，1MF励磁1MFabc闭合，1M励磁，1号水泵工作，或者是2MF励磁，2MF励磁2MFabc闭合，2M励磁，2号水泵开始工作。此时输水管道的压力不是由压力信号器监测的，而是由运行人员监测的，当压力过高时，停机。 当1号或者是2号机组要停机时，按照停机步骤将机组正常关闭后，将1QC或者是2QC打到切的位置，停止供水。信号回路备用泵起动信号回路：当备用水泵启动的时候，16KAM4或者26KAM4闭合，1SL灯亮，提示运行人员。供水管道压力过高信号回路：当供水管道的水压过高的时候，KAM3闭合，2SL灯亮，提示运行人员。对于1号机组用水对象上导轴承，发电机空气冷却器，下导轴承，水导轴承分别设置对应1F,2F,3F,4F的示流信号器，当没有水流过时，发出提示信号。而对于高位水池，设置对应5F的示流信号器，当有水流过时，发出提示信号。4.5电站进水闸门系统图及自动控制图设计4.5.1进水闸门的自动控制要求进水闸门的操作要满足以下的要求：1.快速闸门（一般进口闸门兼任作为快速闸门）的正常的提升与关闭，而且提升的时候应该满足充水开度的要求；2.机组在发生事故的时候，应该在两分钟内自动紧急关闭闸门；3.闸门全开之后，如果由于某种原因使闸门下降到一定位置，则应该将闸门重新提升到全开位置。4.5.2进水闸门的自动控制机械图的设计设计的自动控制机械图如附图所示，选用两台油泵1M以及2M，两个电磁阀1ZT以及2ZT,L以及两个电磁配压阀1YDV,2YDV.总有路上设置有一个压力信号器2BP，用于检测总油管的压力。具体操作的过程叙述如下：、当1号闸门需要提的时候，发出信号，使得电磁阀1ZT打开，电磁配压阀1YDV励磁打开，同时发出信号给1号或者是2号油泵，当油压上升到一定值的时候，2YV延时打开，给油给1号闸门，闸门上升。当闸门提到充水位置的时候，考虑到2号机组的工作情况，此时应该把1号机组前的电磁阀1ZT关闭，同时发出关闭油泵的信号，但是油泵是否关闭，还要看2号机组的工作情况。充满水之后，发出信号，使得其前的电磁阀1ZT打开，同时发出开泵信号，油泵把压力油给1号闸门，闸门继续向上提升，当达到全开的位置的时候，发出提示的信号，同时把1号机组前的电磁阀1ZT关闭，同时发出关闭油泵的信号，但是油泵是否关闭，还要看2号机组的工作情况。当1号闸门由于某种原因下降200毫米的时候，使得把1号机组前的电磁阀1ZT开启，同时发出开启油泵的信号，油泵把压力油给1号闸门，闸门继续向上提升，当达到 全开的位置的时候，发出提示的信号，同时把1号机组前的电磁阀1ZT关闭，同时发出关闭油泵的信号，但是油泵是否关闭，还要看2号机组的工作情况。当1号闸门由于某种原因下降200毫米的时候，使得把1号机组前的电磁阀1ZT开启，同时发出开启油泵的信号，油泵把压力油给1号闸门，但是由于某种原因，闸门并未上升，当下降到300毫米的时候，发出信号开启备用泵，供油来提升闸门，同时发出提示信号，告诉运行人员，备用油泵开启，当闸门达到全开的位置的时候，发出提示的信号，同时把1号机组前的电磁阀1ZT关闭，同时发出关闭油泵的信号，但是油泵是否关闭，还要看2号机组的工作情况。2号闸门的设计的系统图动作过程也如同1号闸门的动作过程。4.5.3进水闸门的自动控制电气接线图的设计结合进水闸门的控制的要求，设计的电气控制接线图如附图所示。现在假设1号油泵为工作油泵，2号油泵为备用油泵。1.闸门的正常提升当1号闸门需要提的时候，按下1SB1或者是将1SA切到提升的位置，发出信号，使得电磁配压阀1YDV0励磁，1YDV打开，同时让10KAM以及10KT励磁，10KAM1以及10KAM2闭合。闸门在全关位置的时候，1ST1是闭合的,使得控制1号闸门的电磁阀1ZT0励磁，电磁阀打开，油路接通，同时使得11KAM励磁，11KAM1闭合，使得1MF励磁，1MFabc闭合，1号油泵工作，10KT励磁，10KT1延时闭合，由于1号油泵工作，1MF1是闭合的，1YV励磁打开，可以避免当油泵刚开始打油的时候，油压不足，提不起闸门的情况。这样，给油给1号闸门，闸门上升。当闸门提到充水位置的时候，1ST1断开，使得11KAM失磁，11KAM2闭合，1ZTc励磁，让1ZT关闭，同时11KAM1断开，发出停泵的信号，但是油泵不一定停止，还要考虑到2号机组的工作情况。当充水充满之后，1BP闭合，使得1ZT0励磁，电磁阀1ZT打开，11KAM励磁，11KAM1闭合，发出开泵信号。闸门提升，当达到全开的位置的时候，1ST3断开,使得11KAM失磁，11KAM2闭合，1ZTc励磁，让1ZT关闭，同时11KAM1断开，发出停泵的信号，但是油泵不一定停止，还要考虑到2号机组的工作情况。这个时候1ST6闭合，11RD以及12RD亮灯，发出闸门全开的信号，同时通过12KAM1自保持，使得12KAM励磁。当要关闭闸门的时候，按下1SB2或者是把1SA打到降的位置，1YDVc励磁，电磁配压阀关闭，闸门关闭。2.闸门的自降200毫米提升闸门提到全开位置之后，由于某种原因，下降到200毫米的时候，1ST4闭合，使得1ZT0励磁，电磁阀1ZT打开，11KAM励磁，11KAM1闭合，发出开泵信号。闸门提升，当达到全开的位置的时候，1ST3断开,使得11KAM失磁，11KAM2闭合，1ZTc励磁，让 1ZT关闭，同时11KAM1断开，发出停泵的信号，但是油泵不一定停止，还要考虑到2号机组的工作情况。3.闸门的自降300毫米提升闸门提到全开位置之后，由于某种原因，下降到200毫米的时候，1ST4闭合，使得1ZT0励磁，电磁阀1ZT打开，11KAM励磁，11KAM1闭合，发出开泵信号。但是由于某种原因，闸门不提升，当下降到300毫米的时候，1ST2闭合，13KAM励磁，13KAM1闭合，闸门全开1ST6闭合，11RD以及12RD亮灯，发出闸门全开的信号，同时通过12KAM1自保持，使得12KAM励磁，因此，12KAM1也是闭合的，通过11KAM4以及KAM2自保持，使得KAM励磁，KAM1闭合，备用泵2号油泵起动，到达全开位置时1ST3断开,使得11KAM失磁，11KAM2闭合，1ZTc励磁，让1ZT关闭，同时11KAM1断开，发出停泵的信号，同时，11KAM4断开，KAM失磁，发出停止备用泵的信号，但是油泵不一定停止，还要考虑到2号机组的工作情况。4.闸门的紧急关闭如果水轮机的导叶发生事故，要求快速关闭闸门，此时1KAS1闭合，1YDVc励磁，电磁配压阀关闭，闸门在自重下关闭。5.信号控制回路当总油管的压力过高的时候，1KS1闭合，1RD亮，提示运行人员；当油箱的油位不正常，2KS1闭合，2RD亮，提示运行人员；当1号闸门油缸的油压过低的时候，3KS1闭合，3RD亮，提示运行人员；当2号闸门油缸的油压过低的时候，4KS1闭合，4RD亮，提示运行人员；当备用油泵起动的时候，5KS1闭合，5RD灯亮，提示运行人员；当交流电源故障的时候，2KMK闭合，6RD灯亮，提示运行人员；2号闸门的设计的系统图动作过程也如同1号闸门的动作过程。 第五章油、气、水系统布置图及水力计算5.1厂房的结构布置5.1.1辅助设备的布置要求各种辅助设备的合理布置，对于快速安装，安全运行有密切的关系[15]，具体布置的时候，应该是满足以下的要求：（1）满足运行要求应该使得各辅助设备在运行中操作简易，可靠，检查维护方便，有助于事故处理。（2）满足施工、安装、检修的要求安装期间就可以使永久性设备和场地。辅助设备管道以及电气设备分开各占场内的上游或者是下游一侧，对于安装管道的一侧，一般水管在最下方，在水管的上方，布设油管以及气管，这样不仅使得安装期间电气设备以及辅助设备各个工种互不干涉，而且油气水管道也可以各自分开作业，有利于各个工种的平行作业。（3）满足经济要求尽量减少土石方开挖量和混凝土工程量，尽管布置尽可能短，以减少管路阻力损失和管材用量，尽可能做到整齐、美观、紧凑、协调。（4）满足安全要求油系统尤其是要满足防火的有关要求。5.1.2油系统的布置原则-油系统布置应紧凑合理，整齐美观，操作维护方便并安全可靠。（1）油库汽轮机油库一般布置在水轮机副厂中或安装间下面。绝缘油库多布置在厂外主变压器附近，可谓露天。室内油库油桶间距离不小于0.8m，桶墙间距离不小于0.75m；室外油库的上述距离不小于1.5m。油桶前通道不小于1.5m。（2）油处理室油处理室应与油库相邻，管道和阀门沿墙布置，阀门距地面高度1.0—1.5m；离墙应0.2m。设备间距离不小于1.5m，设备距离不小于1.0m。压力滤油机与油泵不宜固定。油桶事故排油阀应安装在油处理室。油处理室应设6—8m2滤纸烘箱处理间。（3）管道供排油管应该是与气水管路一并考虑，一般沿着水轮机层上下游墙或者是水轮机的顶板考虑。5.1.3油系统保安防火要求 油库防火距离要求[16]（1）油库与邻近建筑物的防火距离应该是不小于12-14m。（2）露天油库与厂区公路路基边缘距离不小于10m。油库建筑防火要求（1）厂内油库以及油处理室之间的隔墙应该为防火墙，油库应该设置有两个防火门，门应该是向外开的，制门材料耐火极限是1.5h。（2）厂内油库以及油处理室门应该是设置有拦油槛，槛高以最大油桶油量漫地不外溢为准。事故排油、储油桶以及通风照明要求[11]（1）事故排油时间不得超过11min，一般为10min，事故排油管直径不小于100mm，事故排油阀应该是在油库外就可以控制。（2）直径大于三米的油桶上应该是设置有固定消防设备，油处理室应该是放置化学灭火器。（3）油库以及油处理室照明应该是防爆灯。（4）室内油库以及油器具室每小时换气三次，处理室为五次。5.1.4油系统厂房布置见附图油系统厂房布置图见附图5.2供排水系统厂房布置5.2.1技术供水系统技术供水系统是为了保证发电机冷却器以及机组轴承油槽的冷却用水，在有些情况下还要保证水轮机导轴承的润滑用水和水冷式变压器的冷却用水，缺水的水质以及水温都应该满足要求，发电机的冷却用水量较大，其供水环管以及操作阀门一般布置在机墩外围。5.2.2排水系统排水系统一般是处于厂房的底层，他直接与排水方式有关，所以在进行排水系统设备布置的时候，首先要根据地质条件，厂房结构以及设备布置以及施工开挖的实际情况来确定排水方式，然后才能布置相关设备[17]。（1）集水井布置集水井的平面位置和尺寸只要是根据可能开挖的部位的情况来确定，集水井应该是布置于厂房的底层，要使得最低一层以及其他的地面设备的渗漏水，能靠自流排水排入其中。（2）管道的布置吸水管道和压水管道是水泵工作的重要组成部分，正确设计布置，合理安排管道，可以节省投资，减少电耗。 5.2.3供排水系统厂房布置图供排水系统厂房布置图见附图。5.3水力计算5.3.1主厂房消火供水的水力计算主厂房消火供水的水力计算的目的，一是校核在给定的水压之下每一个消防上的灭火范围，一是根据该厂房消火所需的充实水柱的高度来确定消火供水水压。（1）消防栓喷射水柱的有效半径R=L+Hk(m)式中：R消防栓喷射水柱有效半径，mL消防水龙带（消防软管）长度通常是采用10m，15m，20m三种Hk喷射水柱密集部分的长度，即水柱的有效射程，m消火栓喷射水柱的有效半径与喷射水柱的有效射程有关，其喷射高度由消防供水压力决定。当水头为H0的水由水枪喷嘴垂直向上射出时，由于空气阻力使得射流掺气，射流离开喷嘴后逐渐分散，其喷射高度HB小于H0，有部分水头消耗于克服大气阻力，最高喷射高度HB有三部分组成，即紧密部分、破裂部图5-1消防水枪射流示意图分、分散部分。其中，前两部分之和为HK，其水柱集中，水流紧实，称之为充实水柱，是消火的有效部分。设计时，HK的数值应该是大于发电机地面至消火最高点的距离，再加上6到8m的余量,因为消火的时候不能垂直向上浇射。消火栓的高度应该是设置距离发电机地面1.2到1.3米高处，拟选取高程1.20m。新庄水电站技术供水的水源有两个：一是以循环水池作为水源二是以井泵作为备用水源根据资料可知，新庄水电站的发电机层地面高程为47.27m，选取6.8m余量，屋顶高436.47m，高为9.2m，因而HK=9.2+6.8=16m。 选取10m长的水龙带，则消火栓喷射水柱的有效半径R=L+Hk=10+16=26m。（1）消火供水水压计算1）喷嘴出水口出水压力H0根据实验，最高喷射高度HB与喷嘴出口处水压力H0的关系为：HB=(5-1)式中：与喷嘴直径有关的系数，见下表。表5-1喷嘴直径与系数的关系喷嘴直径d(mm)10111213140.02280.02090.01830.01650.0149喷嘴直径d(mm)15161922250.01360.01240.00970.00770.0061喷射高度HB与充实水柱HK的关系为：HB=αHK(5-2)式中：α与HB有关的系数，见下表表5-2系数α与HB、HK关系HB(m)79.51214.517.220α1.191.191.21.211.221.24HK(m)6810121416HB(m)24.526.830.5354048.5α1.271.321.381.451.551.6HK(m)182022242628确定了消火栓的位置和最远最高的消火点，可以计算出充实水柱高度HK，通过上表查取α值，即可计算出HB。H0=(5-3)2）消火供水水压H，即H=H0+H1+H2(5-4)式中：H消火供水水压，mH1消火管网的水力损失，mH2消防水龙带（消防软管）的水力损失，m消防水龙带（消防软管）的水力损失可由下式计算： H2=AQ2L(5-5)式中：Q流量，L/SL水龙带长度，mA水龙带（消防软管）的阻力系数，可以按照下表选取表5-3消防软管阻力系数A值消防软管软管直径50mm65mm75mm橡胶水龙带0.00750.001770.00075帆布水龙带0.0150.003850.0015由于HK=16m，查表可得α=1.24HB=20m由式H0=可得喷嘴出口出的水压力为H0，即H0==24.81m选择喷管的直径d=19mm（13-19mm），=0.009求消防软管的水力损失H2H2=AQ2L=0.0075x2.52x10=0.47(m)H1为消火管网的水力损失，估计为2m，则H=H0+H1+H2=24.81+2+0.47=27.28(m)因而水塔高程大约是427.27+1.20+27.28=455.75(m)（1.20为消火栓箱距离发电机层地面高程）集水井高程为422.92m，经过校验，是可以作为消火供水的备用水源。5.3.2发电机消火供水水力计算发电机水喷雾灭火系统的流量、消防用水量和喷头数量的确定，可以参照以下方法进行估算：（1）确定喷水作用面积A(m2)可以根据发电机定子的尺寸，计算喷水灭火时水雾需要覆盖的面积。（2）选定喷水强度P0根据《水利水电工程设计防火规范》的规定，水轮发电机采用水喷雾灭火时，在发电机定子上下端部绕组圆周长度上喷射的水雾水量，不小于10L(min.m2)。（3）计算灭火系统喷水流量Q，即：Q=(1.15~1.30)P0A=(0.192~0.217)A(L/S)(5-6)式中:Q灭火系统喷水流量，L/S灭火系统喷水流量应该是不小于上式计算的数值。（4）选定喷头直径d一般喷头的直径d=15mm（5）计算每一个喷头的出水量q，即 q=K(L/min)(5-7)式中：q喷头出水量，L/minP喷头工作压力，Pa，一般取值为p=9.81x104K喷头流量特性，当喷头直径为15mm时，K=80将K值代入式中，得q=80=1.33(L/s)（1）喷头的数量NN=(5-8)式中：N喷头数量计算出喷头数量N之后，应该向上取整数.5.3.3技术供水系统水力计算5.3.3.1水力计算的目的与内容技术供水系统设备和管道选择是否合理，必须对于管网进行水力计算之后确定。技术供水系统水力计算的目的，就是对于所选择的设备与管道进行校核。校核的内容是：（1）对于自流供水系统，校核电站水头是否满足各用水设备的水压要求和管道选择是否合理。（2）对于自流减压供水系统，校核减压装置的工作范围，计算减压之后的压力，校核管径选择是否合理。（3）对于水泵供水系统，校核所选扬程是否可以满足各个用户对于供水的水压要求，吸水高度是否满足要求，以及管径选择是否合理。（4）对于混合供水系统，分别按照自流供水以及水泵供水方式进行校核。在对于以上各种供水系统进行校核的时候，如不能满足设备的供水要求，则应该是重新选择管径，或对于水泵供水系统选用适当扬程的水泵，在进行计算，直到满足设计要求。5.3.3.2水力计算的方法水流通过管道时的水力损失，包括沿程水力损失hf和局部水力损失hj沿程水力损失（1）按照水力坡降计算，即hf=il(mmH2O)(5-9)式中：l管长，m i水力坡降，即单位管长上的水力损失对于一般钢管（有一定腐蚀）或者是新筑钢管，即：i=2576.8(mmH2O/m)(5-10)对于腐蚀严重的钢管或者是使用多年的钢管，即：i=2734.3(mmH2O/m)(5-11)式中：v管中流速，m/sd管径，mm（1）按照摩阻系数计算，即：hf=(mH2O)(5-12)式中：为沿程阻力系数2.局部阻力损失（1）按照局部阻力系数计算hj=(mH2O)(5-13)式中：局部阻力系数，可以查有关的手册。（2）按照当量长度计算，即将局部阻力损失化为等值的直管段的沿程摩擦损失来计算hj=ilj(5-14)式中：i水力坡降，mmH2O/mlj局部阻力当量长度，可由下表查得。表5-4管件的局部阻力当量长度lj口径(mm)局部阻力当量长度底阀止回阀闸阀有喇叭进水口无喇叭进水口弯头(90℃)弯头(90℃)扩散管505.31.80.10.20.50.20.10.3759.23.10.20.40.90.40.20.5100134.40.30.51.30.50.30.712517.45.90.40.71.80.70.40.915022.27.50.50.92.20.90.51.12003311.30.71.33.31.30.71.72504414.90.91.84.41.80.92.230056191.12.25.62.21.12.8 35064221.32.66.52.61.33.24007625.81.53.07.63.01.53.8 水力计算的步骤技术供水系统水力计算按照以下步骤进行：（1）根据技术供水系统图和设备，管道在厂房中的实际布置情况，绘制水力计算简图，在图中标明与水力计算相关的设备与管件，如阀门、滤水器、示流信号器等。（2）按照管段的直径以及计算流量进行分段编号，计算流量以及管径相同的为一段，在各个管段上标明计算流量、管径以及管长值。（3）查出各管件的局部阻力系数，并求其和。（4）由计算流量与管径，查出水力坡降的值。（5）按照上述公式计算沿程阻力损失以及局部阻力损失，求出总损失。（6）根据计算的结果，对于供水系统各个回路进行校核，检验原定的管径是否合适，对于不合适的管段加以调整，重新计算，直到合乎要求为止。查表可知，25摄氏度时，水的粘度值为0.9055x10^-6根据水力损失计算表，当两台机组运行时总的水头损失最大，为hw=hf+hj=4.15(m)由于在选择水泵时，假定水力损失为6m，因而原假定是合适的，即认为选定的管径均合适。 图5-2水力计算简图 表5-5水力损失计算表管段管径ｄ(ｍｍ)流量Ｑ(m3/ｈ)流速v(m/s)水力坡降i(mm/m)管长l(m)雷诺数Reλ值沿程损失hf（mH2O）局部阻力当量长度总当量长度∑lj局部损失（mH2O）总损失(mH2O)弯头闸阀止回阀0~18035.321.95130.3424.42.170.020.941.680.663.365.700.741.691~3503.530.5013.655.6227589.520.020.040.800.100.000.900.010.053~4253.532.00436.873.0355179.030.020.510.000.000.000.000.000.515~6253.532.00436.872.8255179.030.020.470.200.100.000.300.130.616~7503.530.5013.652.4627589.520.020.020.000.000.000.000.000.027~12803.530.201.3010.6817243.450.030.010.420.000.000.420.000.011~28017.660.9832.596.586266.090.020.070.000.000.000.000.000.07 2~8503.530.5013.655.6227589.520.020.040.800.100.000.900.010.058~9253.532.00436.873.0355179.030.020.510.000.000.000.000.000.5110~11253.532.00436.872.8255179.030.020.470.200.100.000.300.130.6111~12503.530.5013.652.4627589.520.020.020.000.000.000.000.000.0212~13807.060.395.2111.5634486.900.020.030.840.220.001.060.010.03 参考文献:[1]梁章堂，中小型水电站水轮机选型与优化的探讨[J].中国农村水利水电，2004,7:93-95[2]林亚义，水轮机调节及辅助设备[M]，中国水利水电出版社，1995[3]陈存祖，水利机组辅助设备.水利电力出版社，1995[4]谢云敏，水轮发电机组辅助设备及自动化运行与维修[M].中国水利水电出版社，2005[5]颜廷松，关于小型水电站技术改造措施的探讨[J].中国农村水利水电，2008,6:026[6]全玲琴，水轮机及其辅助设备[M].中国水利水电出版社，1996[7]王永年，水电站.小型水电站[M].水利电力出版社，1990[8]刘利国，我国农村小水电自动化设备运行现状及建议[J].中国农村水利水电，2007,5[9]扬亚伦，简化或取消小水电站气系统的探讨[J].农田水利与小水电，1990，8：039[10]刘维栋，低水头小型水电站设计的几点体会[J].小水电，2004（5）：38-39[11]顾鹏飞，水电站厂房设计[M].水利电力出版社，1987[12]熊道树，谈水电站技术供水系统问题[J].四川水力发电，1989,4:57-59[13]杨亚伦，简化或取消小水电站气系统的探讨[J].农田水利与小水电，1990，8：[14]赵勇，浅谈水利机械系统在水电站中的技术应用[J].中国科技纵横，2010:58-59[15]陈坤，小型水电站厂房[M].水利电力出版社，1993[16]彭清华，中小型水电站厂房布置设计方法的探讨[J].中小企业管理与科技，2010（022）：[17]潘文斌，水电站厂房的设计研究[J].中国水运（下半年），2009,11:066[18]ChenJing,MaZhenyue,LiuZhimingetal.Vibrationanalysisofpowerhouseduetothepressurepulsationofhydro-turbine［J］．WaterPower,2004,30(5):24-27(inChinese).[19]ChenJing,ZhangYunliang,MaZhenyueetal.Studyofdynamiccharacteristicsofagiantspiralcasewithdifferentembedmentmanners［J］．JournalofDalianUniversityofTechnology,2007,47(4):593-597(inChinese).[20]HuZhigang.InvestigationontheStructuralVibrationinaLarge-ScaleUndergroundPowerhouse［D］．TianjinUniversity,Tianjin,2004(inChinese).[21]LuZhengang,DongYuxin.Studyofdynamicelasticmodulusofdistributedcracks［J］．JournalofDalianUniversityofTechnology,1991,31(3):367-371(inChinese).[22]WangQizheng.Apreliminarystudyontheeffectsofthejointsandcrackstothedynamicpropertiesoftherockmassanditsstructure［J］．JournalofHydraulicEngineering,1993(2):22-29(inChinese).[23]MaZhenyue,DongYuxin.VibrationandItsCorrectiveActionofWaterTurbineGeneratorSetandPowerHouse［M］．ChinaWaterConservancyandHydropowerPress,Beijing,2004(inChinese).[24]MaZhenyue,ShenChengneng,WangYiboetal.Studiesontheanti-vibrationandreinforcementofpowerhouseinHongshihydropowerstation［J］．Journalof HydroelectricEngineering,2002,21(1):28-36(inChinese).[25]ShenKe,ZhangZhongqing,LiangZhen.HydraulicvibrationcalculationofYantanhydropowerhouse［J］．HydroelectricEnergy,2003,21(1):72-75(inChinese). 附录:1.新庄水电站油系统原理图2.新庄水电站供水、排水系统原理图3.新庄水电站油系统管道厂房布置图4.新庄水电站供、排水系统管道厂房布置图5.新庄水电站供水水泵启动自动控制图6.新庄水电站快速闸门启动自动控制图 致谢：大四下学期，自己的毕业设计在紧张有序的安排中完成，毕业设计是在对于自己大学四年所学的知识进行综合的理解与应用。自己在完成毕业设计的过程中，通过查找资料，对于专业知识的应用以及对于图纸的设计，大大的加深了我对与专业知识的理解，延伸了我的思维，同时也培养了我的分析、解决问的能力，对于我以后的学习和工作有很大的帮助。此次的毕业设计能够顺利的完成，非常感谢甘老师对于我们毕业设计的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改至最后的定稿，老师给了我们耐心的指导和无私的帮助。甘老师对于我们要求严格、对于专业知识精益求精，给我们很多的帮助。通过本次的毕业设计，自己发现对于专业知识的掌握还不够丰富，处理问题的能力还不够好，在以后的学习与工作中，还要继续努力，掌握更多的专业知识，从而，是自己能够更好地为国家的建设事业做出更大的贡献。 外文文献EffectofConcreteCracksonDynamicCharacteristicsofPowerhouseforGiant-ScaleHydrostation*TIANZiqin(田子勤)1,ZHANGYunliang(张运良)2,MAZhenyue(马震岳)2(1.HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,China;2.DalianUniversityofTechnology,Dalian,China)Abstract：Withtheincreaseofcapacityandsizeofthehydro-generatorunit,thespiralcasebecomesamoresuper-gianthydraulicstructurewithveryhighHDvalue,whereHandDdenotewaterheadandmaximumintakediameterofspiralcase,respectively.Duetotheinducedlowerstiffnessbythemoregiantsizeandadverseoperationconditions,dynamicperformancesofthepowerhouseandthesupportingstructureforthegiantunitshavebecomemoreimportantandattractedmuchattention.Ifthemannerofsteelspiralcaseembeddeddirectlyinconcreteisadopted,onsomelocationsoftheconcretesurroundingthespiralcase,distributedandconcentratedcrackswillemergeduetohightensilestress.Althoughtheconcreteisreinforcedwelltocontrolthemaximumcrackwidth,definitelythesecrackswillreducethelocalandentirestiffnessofthepowerhouse.Underdynamicloadssuchashydraulicforcesincludingwaterpressurepulsationinflowpassageactingonthestructure,effectofthecracksonthedynamiccharacteristicsofthelocalmembersandentirestructureneedstobeevaluated.However,researchonthissubjectisfewinhydroelectricengineering.Inthispaper,Three-GorgeProjectwastakenasanexampletoevaluateeffectofsuchcracksonnaturalfrequenciesandthevibrationresponsesofthepowerhouseunderhydraulicandearthquakeforcesindetail.Resultsshowthatcracksonlyreducethelocalstructuralstiffnessgreatlybuthavelittleeffectontheentirepowerhouseespeciallythesuperstructure;vibrationsofpowerhousewithcracksinconcretesurroundingthespiralcasearestillunderthedesignlimits.ResultsinthispaperhavebeenverifiedbypracticeofThree-GorgeProject.Keywords:giant-scalehydrostation；powerhouse；concretecrack；dynamiccharacteristics；numericalsimulationInrecentyearsandnearfuture,quiteafewgiantscalehydropowerprojectswithunitcapacityuptoorabove700MWhavebeenorwillbeplannedandconstructedinChina.Oftheseprojectsthescaleandsizeofthepowerhousealsoranksfirstintheworld.WhiletakingthesteelspiralcaseofThree-GorgeProject(TGP)asanexample,theproductofwaterheadacteduponitandmaximumdiameterofintakeisabout1730m2(HDvalue)andthemaximumpressureincludingwaterhammerinthespiralcaseequals1.395MPa.Duetotheinducedlowerstiffnessbythemoregiantsizeandadverseoperationconditions,dynamic performancesoftheconcretestructure,whichactsassupportforgiantunits,havebecomemoreimportantandattractedmuchattention.Aswellknown,theembedmentmannerofspiralcasehasgreateffectonthedynamicperformancesandvibrationstabilityofthestructure[1—5].Inengineeringpractice,therearethreeembedmentmanners.Comparedwiththeothertwo,themannerofthesteelspiralcaseembeddeddirectlyinconcretewithoutholdinga certaininternalwaterpressurehasitsdistinctiveadvantagesandhasalreadybeenadoptedinTGP.However,accordingtotheresultsgivenbynumericalcomputationandlaboratorytests,onsomelocationsoftheconcretesuchasatthetopandwaistlevelofthespiralcase,distributedandconcentratedcrackswillemergeduetohightensilestressinducedbymaximuminternalpressureandhydraulicforces.Althoughthemassconcretesurroundingthespiralcaseiswellreinforcedtocontrolthemaximumcrackwidth,thepresenceofcrackswillreducethestiffnessofthestructuretosomeextentandthecorrespondingdynamiccharacteristicswillbeaffected.Toensurethestableandsafeoperationofthehydropowerstation,dynamicperformancesofthepowerhousewithcracksinconcretesupportingthehydrogeneratorneedtobeevaluated.Atpresent,fewpublicliteratureonthistopicispresented.Inthispaper,basedononeunitofTGP,whichadoptedthemannerofspiralcaseembeddeddirectlyinconcretewithoutanyinternalpressure,cracksinconcretesurroundingthespiralcasewerefirstdescribedaccordingtononlinearfiniteelementanalysis(FEA)andlaboratorytestresults.Then,toevaluateeffectsofcrackpresenceonnaturalfrequenciesandvibrationresponsesofthelocalandentirepowerhouse,differentfiniteelementmodelswerebuilt.Ineachmodel,twoschemesforsimulationofcracksindynamicanalyseswereintroduced.Resultsofcrackedanduncrackedstructureweregivenandcompared.Finally,conclusionsweresummarized.1.SimulationofconcretecracksBasedonresultsfromnonlinearFEAforTGPRightBank,whichareshowninFig.1,therecanbegeneralizedandgroupedasundamagedzones,distributedcrackzonesandsixconcentratedcracksinreinforcedconcretesurroundingthespiralcaseasshowninFig.2.Cracks1#and2#aredistributedinintakesegmentsofthespiralcaseandlocatedradiallyintransversesectionsperpendiculartoflow.Verticallythetwocracksareextendedfromthetopofspiralcasetothegeneratorstatorfoundationlevel67.0mandthentothebottomofupstreamwall.Cracks3#and4#arelocatedinsectionsof50°and125°thatareoriginatedfrom–Zaxis(0°section)asshowninFig.2.Thetwocracksaredistributedinverticaldirectionandextendedfromthetopofspiralcasetothestatorfoundationlevel67.0mandthentothebottomofgeneratorboundingwallwithcracklength14mand11mrespectively.Crack5#isdistributedfromsection0°to180°alongthespiralcaseandineachsectionthecrackhaslength6minradialdirection.Crack6#isdistributedfromsection150°to200°alongthespiralcaseandineachsectionthecrackisextendedtoouterboundaryofconcrete.Alongtheflow,distributedcracksarelocatedfromthetopofspiralcasetothetopofstayvaneasshowninFig.2.Twoschemesareadoptedtosimulatepresenceofcracksfortheeffectevaluationofthesecracksonthedynamiccharacteristicsofthepowerhouse.InschemeⅠ,concretewithdistributedcracksistreatedasorthogonalanisotropymaterialwiththeelasticmodulusequalingonehalfoftheinitialmodulus[6,7].Ontwosidesoftheconcentratedcrackstheconcreteisdividedandfreewhilerebarsacrossthe crackwidtharemodeledbyspringelementswithstiffnesscalculatedby Fig.1DistributionofcracksaccordingtononlinearFEA (a)GeneralizedconcentratedcracksinconcreteatEL67.0m(b)Generalizeddistributedcracksin180°sectionfromintake,planeviewverticalviewFig.2DistributedcrackswhereEandAaretheelasticmodulusandareaofrebarcrosssectionrespectively;ldenotescrackwidth.Supposethatthecracksarealwaysopenduringvibrationsofpowerhousestructureinducedbywaterpressurepulsationinflowpassage.Thismaybetrueforthespiralcasewhentheamplitudeofpressurepulsationisoftenlessthan20%ofthestaticwaterpressure.InschemeⅡ,concretewithallcracksistreateduniformlyasorthogonalanisotropymaterialwiththeelasticmodulusequalingonehalfoftheinitialmodulusjustinthedirectionperpendiculartothecrackplane.Inotherdirectionsandundamagedanduncrackedzones,theelasticmodulusofconcreteremainsunchanged.Tofacilitatethecomparison,schemeⅢisdefinedforthecaseinwhichconcretehasnodamageandcrack.2.NaturalfrequencyThreefiniteelementmodelswerecreatedtocompareeffectsofcracksonfrequenciesandvibrationmodesofthepowerhouse.ModelAincludesthemainsuperstructureandsubstructureofthepowerhouse.ModelBcontainsonlythesubstructurebelowthegeneratorfloorwhilemodelCsimulatesonlylocal membersincludingthespiralcasewithsurroundingconcrete,generatorstatorandlowerspiderfoundations.Foreachmodel,schemesⅠ,ⅡandⅢareappliedboundaryconditionswithbottomfixedandsidefree.Highpressuresandhydraulicforcescreatedbytheturbinehavetobeborneandtransmittedtothesurroundingconcreteofthespiralcase.Theseloadsincludeinternalpressureand/orpressurepulsationinthespiralcaseanddrafttube,forceinintakepipeofspiralcaseandradialforcefromturbineguidebearing.Astotheinfluenceofhydrodynamicpressurementionedaboveonstructure’sdynamiccharacteristics,addedwatermasselementswerecreatedonnodesinsidetheflowpassage.FiniteelementmodelsA,BandCareshowninFig.3.Thefirst20thnaturalfrequenciesforeachmodelandschemearepresentedinTab.1.TheX-axisofthecoordinatesystemishorizontalandthepositivedirectionisfromupstreamtowardsdownstream.Y-axisisverticalandthepositivedirectionisupward.Z-axisishorizontalandperpendiculartotheX-axisrunningalongthelengthofthepowerhouse.Theoriginoftheaboveright-handedcoordinatesystemXYZ,asshowninFig.3,issetatthecenteroftheunit.FromTab.1,itcanbeconcludedthatforeachmodel,thenaturalvibrationfrequencyofthesameorderinschemeⅡislessthanthatinschemeⅠandfurtherlessthanthatinschemeⅢ.Thisshowsthatpresenceofcracksinconcretesurroundingthespiralcasewillreducethestructuralstiffnesstodifferentextent.FormodelsA,BandC,themaximumfrequencyreductionpercentageis2.58%,4.4%and20.14%.Fromtheviewpointofvibrationmodes,formodelAandmodelB,vibrationmodesofthesameorderofthecrackedstructure(whateverschemeⅠorⅡ)arebasicallythesameasthoseofuncrackedstructure.ButformodelC,vibrationmodesinschemeⅠaredifferentatsomeordersfromthoseinschemeⅡ.Takenthefirstfivemodesasanexample,Fig.4showsthemodedifferencesbetweenschemeⅠandⅡ.InschemeⅢformodelC,vibrationmodesofthesameorderarebasicallythesameasthoseinschemeⅠ.Fromthenaturalfrequenciesandvibrationmodes,itmaybeconcludedthatcracksinconcretesurroundingthespiralcasewillreduceonlythelocalstructuralstiffness,andhavenogreateffectontheentirepowerhouseespeciallythesuperstructure. (a)ModelA(b)ModelB(c)ModelCFig.3FiniteelementmodelsA,BandC Tab.1Thefirst20thnaturalfrequenciesforeachmodelandschemeNo.ModelAModelBModelCSchemeⅠSchemeⅡSchemeⅢReductionpercentageSchemeⅠSchemeⅡSchemeⅢReductionpercentageSchemeⅠSchemeⅡSchemeⅢReductionpercentage11.211.201.210.833.493.413.512.8517.2816.0517.659.0722.512.502.510.404.064.004.071.7217.3516.1717.748.8532.912.912.910.004.184.134.181.2023.2122.1123.606.3143.183.173.180.314.844.764.851.8625.0122.4326.4615.2353.403.403.400.005.375.335.391.1125.6522.4528.1120.1463.973.863.870.266.005.916.021.8332.3929.1833.0511.7173.873.973.980.257.297.217.311.3735.6230.6736.8416.7584.414.404.420.457.597.557.631.3536.3331.1838.3118.5194.964.964.970.207.837.607.954.4038.2032.4339.3917.67105.395.345.401.118.778.658.832.0439.0833.4940.5117.33115.585.545.601.079.559.399.602.1941.2535.3943.2718.21125.795.675.822.5810.079.9510.131.7842.2536.5145.3919.56135.945.935.940.1710.2810.1410.352.0343.9338.0846.7518.55146.206.166.200.6511.8211.5811.872.4444.9139.0847.4217.59156.756.726.760.5912.1711.9712.352.2945.8440.5947.7915.07167.006.987.010.4312.8712.6112.912.3247.2342.1048.5113.21177.407.387.410.4012.9612.8013.102.2949.6343.3551.0314.85187.527.517.530.2713.2913.1313.321.4350.0344.5752.2014.62197.637.607.640.5213.5613.3413.632.1352.1645.5953.4314.67 207.707.687.710.3913.8113.5413.882.4553.4548.1754.5111.63 3.DynamicresponseunderhydraulicforcesTofurtherexploreeffectofcracksondynamicresponsesofpowerhouseunderpressureandhydraulicforcesactedonthespiralcaseanddrafttube,timehistoryanalysesareperformedfortheabovethreeschemes.Accordingtolaboratorytests,thetypicaltimehistoriesofwaterpressurepulsationinflowpassageinthecaseofnormaloperationareselectedasinputdataformodelA.Maximumdynamicresponsesofthespiralcase,stayring,generatorboundingwall,statorfoundation,andgeneratorfloorslabarelistedinTab.2.FromTab.2,itcanbeseenthat:(1)Forsteelmemberssuchasspiralcaseandstayring,thereisnobigdifferenceofdisplacement,velocityandaccelerationbetweenthethreeschemes；(2)Forstatorfoundation,generatorboundingwallandgeneratorfloorslab,dynamicresponsesinschemeⅡarebasicallymuchgreaterthanthoseinschemeⅢbutdynamicresponsesinschemearealittlegreaterthanthoseinschemeⅢ.Itshowsthatthecracksaffectthedynamicresponsesofthesubstructuregreatlybutjustalittleonthesuperstructure,whichverifiesthatcracksinconcretesurroundingthespiralcaseonlyreducethelocalstructuralstiffness,andhavenogreateffectontheentirepowerhouseespeciallythesuperstructure.Inthepastdecades,therearehundredsofreportsandpapersonvibrationestimationandcontrolofunitsandpowerhouse.Aftersummarizingsomevibrationcontrolstandardsforhumanhealth,building,equipmentandapparatus,MaetalsuggestedthevibrationresponselimitsforpowerhouseinTGP,whicharelistedinTab.3[8—10].AccordingtoTab.3andTab.2,evenwithcracksinconcretesurroundingthespiralcase,displacement,velocityandaccelerationofdifferentstructuralmembersinthepowerhousearestilllessthanthecorrespondinglimits. Tab.2MaximumdynamicresponsesoftypicalmembersunderpulsatingwaterpressureStructuralmembersSchemeDisplacement（μm）Velocity（mm·s−1）Acceleration（m·s−2）UyUxUzVyVxVzayaxazSpiralcaseSchemeⅠ6.8973.9411.130.5830.4500.1920.0250.0200.008SchemeⅡ5.8077.0711.070.5900.4690.1930.0260.0210.008SchemeⅢ7.4474.3411.220.5900.4500.1910.0260.0200.008StayringSchemeⅠ25.625.9311.080.1570.0450.0820.0070.0020.003SchemeⅡ28.964.0710.430.1840.0440.0780.0090.0030.004SchemeⅢ23.355.2310.310.1860.0570.0780.0100.0030.003StatorfoundationSchemeⅠ24.9810.8124.020.1590.0750.1540.0070.0040.007SchemeⅡ34.3213.8734.010.2300.0960.2250.0110.0050.011SchemeⅢ23.808.7122.250.1600.0680.1550.0080.0030.008GeneratorboundingwallSchemeⅠ21.0710.5819.500.1390.0810.1290.0070.0040.006SchemeⅡ28.8713.6728.340.2010.1090.1930.0100.0060.009SchemeⅢ20.589.7518.200.1500.0760.1320.0080.0040.007GeneratorfloorslabSchemeⅠ20.669.2613.660.1390.0950.1330.0070.0050.006SchemeⅡ28.8011.7812.340.2010.1100.1370.0100.0060.007SchemeⅢ20.217.7714.360.1500.0830.1350.0080.0050.006 Tab.3VibrationresponselimitsforpowerhouseinTGPStructuralmembersDisplacement(mm)Velocity（mm·s−1）Acceleration（m·s−2）VerticalHorizontalVerticalHorizontalFloorslab0.25.01.0Generatorboundingwall0.210.01.0surroundingthespiralcase0.25.01.04.ConclusionsInthedesign,manufactureandmanagementstageofTGP,thenormalandsafeoperationoftheturbineandpowerhousearealwayskeyissuestoacademicandengineeringgroups.DuetotheinducedlowerstiffnessbythegiantHDvalueandadverseoperationconditions,dynamicperformancesofthepowerhousestructurewithcracksinconcretesurroundingthespiralcasewerestudiedthroughnumericalsimulations.However,thereisfewpublicliteratureonthistopic.Accordingtosimulationresults,fromtheviewpointofeffectonnaturalfrequenciesofthelocalstructureandentirepowerhouse,cracksinconcretesurroundingthespiralcasewillnotcausebigdifferencecomparedwiththecaseinwhichtheentirepowerhouseisuncracked.Inaddition,fromtheviewpointofeffectonthedynamicresponsesofthepowerhouseunderpressureandhydraulicforces,cracksonlyreducethelocalstructuralstiffnessgreatlybuthavelittleeffectontheentirepowerhouseespeciallythesuperstructure.TheconclusionisthatpresenceofcracksinconcretesurroundingthespiralcaseresultedfromhighHDvaluewillnotaffectthedynamicperformancesofthepowerhousestructure.Inthispaper,thepropagationanddevelopmentofcrackswasnotconsideredandthecracksarealwaysopenduringvibrationsofpowerhouse.Itmaybetrueforthespiralcasewhentheamplitudeofpressurepulsationisoftenlessthan20%ofthestaticwaterpressure.However,laboratorymodeltestsandfieldtestsareencouragedtobedesignedandperformedtoverifythenumericalapproximationproposedinthispaper. 外文翻译混凝土裂缝对于大型水电站厂房动力特性的影响田子勤张运良马震岳摘要：随着水轮发电机组容量和尺寸的增大，蜗壳成为一个HD值很高的超大型水工结构，其中H和D分别为水头和最大蜗壳入口直径。由于受更巨大的规模和不良工作条件的诱导，电站厂房和巨型机组的支撑结构的动态性能变得更加重要和备受关注。如果采用钢蜗壳直接嵌入在混凝土中的方式，在蜗壳的周围，由于高的拉伸应力，分布和集中的裂缝会出现。虽然利用混凝土钢筋来控制最大裂缝宽度，但是仍存的裂缝仍会降低厂房局部和整体刚度。根据动态负载，如液压力，包括在流动通道作用在结构上的水压力脉动，需要在本地成员和整个结构的动态特性的裂缝的效果进行评估。然而，关于这个问题的研究在水利水电工程中很少涉及。在本文中，以三峡工程为例，来详细介绍在液压以及地震力双重作用下，裂缝对于厂房的固有频率以及振动响应的影响。结果表明，裂缝仅在很大程度上降低了局部结构刚度，但对整个厂房上层建筑的影响不大;厂房与裂缝周围的混凝土蜗壳振动仍在设计极限内。本文结果已经由三峡工程的实践验证。关键字：巨型规模的水电站；厂房；混凝土裂纹；动态特性；数值模拟近年来，不少规模巨大的水电项目，单机容量达到或高于700兆瓦已经或将计划在中国建造。这些项目的厂房的规模和大小也居世界首位。而以三峡工程钢蜗壳（TGP）为例，最大直径约1730平方米（HD值），最大压力，包括水锤情况下等于1.395兆帕。混凝土结构，它充当巨型机机组的支持，动态性能变得更加重要和备受关注。众所周知，蜗壳埋设方式对动态性能和结构的振动稳定性有很大的影响。在工程实践中，有三钟埋设方式。比起其它两个，钢蜗壳直接嵌入在混凝土的方式未持有一定的内水压力具有其独特的优点，已应用于三峡工程。然而，根据给定的数值计算结果和试验，在一些地方的混凝土，如在顶部和腰部蜗壳，分布式和集中的裂缝出现的高的拉伸应力引起的最大内部的压力和液压力。虽然周围的混凝土蜗壳的质量是可以很好的控制最大裂缝宽度，但裂缝的存在一定程度上会降低结构的刚度，而且使得结构相应的动态特性受到影响。为确保水电站，电站厂房与混凝土裂缝支持水轮发电机的稳定和安全运行，需要进行评估动态性能。目前，针对的这一主题，很少有公开的文献。在本文中，基于三峡工程，采用的直接将蜗壳以无任何压力的方式埋设在混凝土中的方式，根据非线性有限元分析（FEA）和实验室检查结果，首先，描述在周围的混凝土蜗壳裂纹；然后，建立不同的有限元模型以评估裂纹存在对于厂房局部和整体的固有频率以及振动响应的影响。在每个模型中，介绍了两种方案进行裂缝动态特性的仿真分析。对于开裂和未开裂结构的结果进行了比较。最后，针对于结论，进行总结。1.模拟混凝土裂缝根据三峡右岸非线性有限元分析的结果，如图1所示，可以概括为未受损区域，分布式裂纹区和蜗壳周围钢筋混凝土的六个集中分布的裂缝，如图二所示。裂缝1＃和2＃分布在蜗壳进气段和垂直于流动方向横截面的径向。上下两裂纹从蜗壳的顶部延伸到发电机定子基础水平67.0米再到上游壁的底部。3#裂缝和4#位于–Z轴部分（0°部分）50°和125°处，如图2所示。两个裂缝分布在垂直方向，从蜗壳顶 部延伸到定子基础高程67米，然后到底部的发电机围墙，裂纹长度分别为14米和11米。5#裂纹是从蜗壳0°到180°沿径向分布，裂纹长度为6米。6#裂缝从蜗壳150°到200°分布，裂纹扩展到混凝土外边界。沿着流动方向，从蜗壳顶端到水轮机固定导叶顶部的裂纹分布如图2所示。采用了两种方案模拟裂缝的存在，且对这些裂缝对厂房结构的动力特性的影响的做出评估。在方案Ⅰ，混凝土裂缝分布被视为正交各向异性材料的弹性模量等于一半的初始模量[6][7]。对于集中分布的裂纹两侧的混凝土，将其单独研究，当钢筋穿过这些宽的裂缝的时候，可以抽象为弹性元件，利用下式进行计算：图1根据非线性有限元分析的裂缝(a)混凝土集中分布裂缝(b)进水口180°区域分散式裂缝分布平面图纵向视图图2裂缝分布其中E和A分别表示弹性模量和钢筋的截面面积计算模型;l表示裂缝宽度。假设裂缝在由于水压力产生的厂房结构的振动过程中是开着的，当压力脉动的振幅为常静水压低于20％，这可能是蜗壳的真实情况。在方案Ⅱ，只在垂直于裂纹面方向正交各向异性材料，所有混凝土裂缝处理均是弹性模量等于一半的初始模量。在其他方向和未损坏的和未开裂区，混凝土的弹性模量保持不变。为了便于比较，方案Ⅲ是由钢筋混凝土无损伤和裂纹的情况下定 义。2.固有频率建立了三个有限元模型来比较频率和厂房振动模式裂纹效果。模型A主要包括厂房上部结构和下部结构。B型只包含发电机地板下部结构而C模型包括蜗壳与外围混凝土，发电机定子和下机架。对于每一个模型，方案Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ施加边界条件和自由底侧固定。由涡轮机产生的高压力和液压力必须承担并传递到蜗壳周围混凝土。这些荷载包括蜗壳和尾水管内部压力脉动，在蜗壳和导轴承的径向力的进气管压力。对于上述的动水压力对结构动态特性的影响，增加了水的质量要素在流道内部节点创建。有限元模型A，B和C如图3所示。每个模型前二十个固有频率列于表1。坐标系的X轴是水平的，在正方向是从上游向下游。Y轴是垂直的，正方向是向上的。Z轴方向垂直于x轴沿厂房长度方向。上述右手坐标系统XYZ的原点，如图3所示，设置在该机组的中心。从表1，可以得出结论，对于每个模型，以相同的顺序在方案Ⅱ的固有振动频率低于在方案Ⅰ，更是低于方案Ⅲ。这表明，在蜗壳周围混凝土裂缝的存在会不同程度降低结构刚度。对于模型A，B和C时，最大频率减少比例为2.58％，4.4％和20.14％。从振动模式这个角度来看，无论模型A或模型B，有裂缝结构的振动模式（无论方案Ⅰ，Ⅱ）和没有裂缝的结构的振动模式基本是一致的。但对于模型C，在方案Ⅰ振动模式与方案Ⅱ不同。以第一种模式为例，图4显示方案Ⅰ和Ⅱ模式之间的差异。在模型C方案Ⅲ，同阶的振型基本上与方案Ⅰ相同。从固有频率和振型，就可以得出结论，在蜗壳周围混凝土裂缝将减少仅局部结构刚度，但对整个重地尤其上层建筑没有很大的影响。(a)模型A(b)模型(c)模型C图3有限元模型A，B和C 表一每个模型方案的前二十阶固有频率序号模型A模型B模型C方案1方案2方案3减少百分比方案1方案2方案3减少百分比方案1方案2方案3减少百分比11.211.201.210.833.493.413.512.8517.2816.0517.659.0722.512.502.510.404.064.004.071.7217.3516.1717.748.8532.912.912.910.004.184.134.181.2023.2122.1123.606.3143.183.173.180.314.844.764.851.8625.0122.4326.4615.2353.403.403.400.005.375.335.391.1125.6522.4528.1120.1463.973.863.870.266.005.916.021.8332.3929.1833.0511.7173.873.973.980.257.297.217.311.3735.6230.6736.8416.7584.414.404.420.457.597.557.631.3536.3331.1838.3118.5194.964.964.970.207.837.607.954.4038.2032.4339.3917.67105.395.345.401.118.778.658.832.0439.0833.4940.5117.33115.585.545.601.079.559.399.602.1941.2535.3943.2718.21125.795.675.822.5810.079.9510.131.7842.2536.5145.3919.56135.945.935.940.1710.2810.1410.352.0343.9338.0846.7518.55146.206.166.200.6511.8211.5811.872.4444.9139.0847.4217.59156.756.726.760.5912.1711.9712.352.2945.8440.5947.7915.07167.006.987.010.4312.8712.6112.912.3247.2342.1048.5113.21177.407.387.410.4012.9612.8013.102.2949.6343.3551.0314.85187.527.517.530.2713.2913.1313.321.4350.0344.5752.2014.62197.637.607.640.5213.5613.3413.632.1352.1645.5953.4314.67 207.707.687.710.3913.8113.5413.882.4553.4548.1754.5111.63 (a)第一阶振动模态，方案Ⅰ(b)第二阶振动模态，方案Ⅰ(c)第三阶振动模式，方案Ⅰ(d)第四阶振动模态，方案Ⅰ (e)第五阶振动模式，方案Ⅰ(f)第一阶振动模态，方案Ⅱ (g)第二阶振动模态，方案Ⅱ(h)第三阶振动模态，方案Ⅱ(i)第四阶振动模态，方案Ⅱ(j)第五阶振动模态，方案Ⅱ图四模型C方案Ⅰ，Ⅱ之间的前5个振动模式的比较3.液压力的动态响应为了进一步探讨裂缝对在压力和液压力作用下的蜗壳和尾水管厂房结构动力反应的影响，对以上三种方案进行时程分析。根据实验室试验，在正常操作的情况下流动通道水压力脉动的典型时程被选择作为输入的数据模型A。蜗壳，座环，发电机围墙，定子基础，发电机层楼板的最大动态响应列于表2。从表2，可以看出：（1）钢构件，如蜗壳座环的位移，三个方案之间的速度和加速度，没有太大的差异；（2）发电机定子基础，围墙和发电机层楼板，总的来说，在方案Ⅱ动力响应是比方案Ⅲ应大。这表明，裂缝对于下部结构动态响应影响很大，对于上部结构的影响很小，从而验证了混凝土裂缝周围的螺旋情况下，只降低局部结构刚度，对于尚层结构没有很大的影响。在过去的十年中，有数以百计的关于振动估算和机组厂房控制报告和论文。总结了一些对人类健康，建筑，设备及仪器振动控制标准后，马等人提出三峡工程的厂房振动响应的限制，如表3所示。 表2脉动水压力下的典型结构的最大动力响应结构构件方案位移（μm）速度（mm·s−1）加速度（m·s−2）UyUxUzVyVxVzayaxaz蜗壳方案一6.8973.9411.130.5830.4500.1920.0250.0200.008方案二5.8077.0711.070.5900.4690.1930.0260.0210.008方案三7.4474.3411.220.5900.4500.1910.0260.0200.008座环方案一25.625.9311.080.1570.0450.0820.0070.0020.003方案二28.964.0710.430.1840.0440.0780.0090.0030.004方案三23.355.2310.310.1860.0570.0780.0100.0030.003定子基础方案一24.9810.8124.020.1590.0750.1540.0070.0040.007方案二34.3213.8734.010.2300.0960.2250.0110.0050.011方案三23.808.7122.250.1600.0680.1550.0080.0030.008发电机围墙方案一21.0710.5819.500.1390.0810.1290.0070.0040.006方案二28.8713.6728.340.2010.1090.1930.0100.0060.009方案三20.589.7518.200.1500.0760.1320.0080.0040.007发电机层地板方案一20.669.2613.660.1390.0950.1330.0070.0050.006方案二28.8011.7812.340.2010.1100.1370.0100.0060.007方案三20.217.7714.360.1500.0830.1350.0080.0050.006 表3三峡工程厂房振动响应的限定结构构件位移(mm)速度（mm·s−1）加速度（m·s−2）铅直水平铅直水平地板0.25.01.0发电机围墙0.210.01.0蜗壳周围混凝土0.25.01.04.结束语在三峡工程设计，制造和管理阶段，涡轮和厂房安全运行一直是学术界和工程组的关键问题。由于受巨大的HD值和运行条件限制，蜗壳周围混凝土裂缝的动力特性是通过数值模拟研究。然而，很少有公开的关于这一主题的文献。根据模拟结果，从对局部结构和整个厂房的自然频率的影响这一角度来看，与无裂缝的整个厂房相比，蜗壳周围混凝土裂缝所引起的影响不大。此外，从对压力和液压作用下厂房动态响应的影响的观点来看，裂缝仅很大程度降低局部结构的刚度但对整个厂房尤其是上部结构的影响不大。可以得出以下结论：在蜗壳周围的混凝土裂缝的存在导致高HD值但是不会影响厂房结构的动态性能。在本文中，并没有考虑裂纹的扩展和发展，并且在厂房振动的过程中裂缝都是裂开的。与实际处于静水压力下的蜗壳相比，压力脉动的振幅通常减小20%。然而，设计的室内模型试验和现场试验验证结果本文提出的数值逼近。