地面厂房布置设计 第一节立式机组厂房设备布置 一、厂房设备布置的内容和要求 在枢纽布置、厂房类型、电气主结线和主要的设备选择初步确定后 即可进行厂房设备布置。 厂房设备布置工作的主要内容是：(1)确定水轮机、发电机、调速设 备、主阀起重设备以及其他辅助设备在厂房内的合理位置、布置形式和支 承方式：(2)确定主、副厂房的布置方式以及主副厂房的尺寸：(3)确定 主厂房内垂直和水平通道的位置和尺寸：(4)提供设备布置的图纸和数据 以供设备安装和厂房结构设计使用。 设备布置应满足以下基本要求： (1)必须结合水电站枢纽的地形、地质条件、自然环境和水工建筑 物在布置上的特点等、尽量减少土建工程量、使总造价经济合理。 (2)设备布置紧凑，位置合理，便于安装、运行、检修和操作管理。 尽量减少安装工程量。 (3)能满足劳动保护、遥控、防空等特殊要求，以及防火、防淹、 防潮等要求。并能适应水电站分期建设和提前发电的需要。 (4)应能满足水工结构和建筑的施工方面的要求，力求布置整齐美 观。 二、立式机组地面厂房的结构轮廓 1、主厂房的总体轮廓 主厂房中布置有许多机电设备，由于各种设备安装高程不同而将厂房 在高度上分成几层。习惯上以发电机层楼板高程为界将厂房分为上部结构 和下部结构。上下部结构高度之和（即由尾水管基底至屋顶的高度）就是 主厂房的总高度。水轮机轴中心的连线称为主厂房的纵轴线，与之垂直的 机组中心线称为横轴线。每台机组在纵轴线上所占的范围为一个机组段， 各机组段和安装间长度的总和，就是厂房的总长度，厂房在横轴线上所占 的范围，就是主厂房的宽度。 2、主厂房的上部结构 上部结构包括屋顶结构、围墙、门窗、楼板、吊车梁以及支承屋顶结 1
构和吊车梁的排架柱等。这些构件在水电站中多为钢筋混凝土结构。主厂 房发电机层楼板以上布置有发电机上机架，励磁机、机旁盘、调速器操作 柜和油压装置、桥式吊车等机电设备及走道，楼梯、吊物孔等厂内交通设 施。安装间一般位于主厂房的一端，进厂大门设于安装间处，对外可与进 厂公路相连接，有时还铺设有变压器进厂轨道以利变压器进厂检修。 3、主厂房的下部结构 下部结构一般可分为水轮机层和蜗壳尾水管层。如水轮机层高度较 大，可在发电机层与水轮机层之间增设发电机出线层，水轮机层以下是混 凝土块体结构。 (1)水轮机层。这里布置有水轮机顶盖，调速器的接力器，发电机 机墩，蜗壳进人孔，油、水、气系统和电缆等，左端布置有低压空压机， 贮气筒，楼梯等，右端布置有油库，油处理室，楼梯等。上游侧为蝴蝶阀 室，走廊和母线道。 (2)蜗壳尾水管层。水轮机层以下一般都是埋设蜗壳和尾水管的混 凝土块体结构，但有时为了运行上的需要常在尾水管上游侧的空间布置进 人孔和主阀室，如果这部分空间较大，则形成蜗壳水管层。在上游侧布置 有蝶阀，油压装置，蝶阀基础、楼梯等。 (3)基础结构。它是整个厂房和地基连接的部分，作用在厂房上的 所有荷载都将由基础传给地基。因此厂房必须建造在坚固可靠的地基上， 且对于不同的地基采用不同的地下轮廓线。 厂房的下部结构是混凝土块体结构，体积比较庞大，基础开挖和工 程量都比较大，并且下部结构中，埋设部件很多，使施工变得复杂，施工 过程必须特别注意 三、立式机组地面厂房的设备布置 (一)水轮机及其进出水设备的布置 1、水轮机的布置 水轮机选定之后，水轮机的安装高程是厂房的一个控制性标高，应通 过计算确定。 2、进水管和主阀的布置 进水管进入厂房后，应有一水平段，以便布置主阀和与蜗壳连接。此
水平管段的中心线高程应与水轮机安装高程相同。 主阀的布置方式一般有两种：一种是将主阀布置在主厂房内的上游 侧，并使之位于桥吊工作范围之内，阀上各层楼板都设有主阀吊物孔，可 利用主厂房内的桥式吊车来安装和检修主阀。这种布置比较紧凑，运行管 理方便，但往往会增加厂房宽度，并且万一主阀爆裂，水流会淹没主厂房。 因此要求主阀必须十分安全可靠。另一种是将主阀布置在厂房外专设的阀 室中，对于高水头的地下厂房，或在特殊的情况下才采用第二种布置方式。 这时主阀的运输、安装、检修需专设起重运输设备和通道，也不便于运行 维护。采用这种布置时，主阀室要设置专门的水流出口，且主阀爆裂可将 水流排走，以免对主厂房造成危险。 3、蜗壳的布置 中、高水头水电站厂房内的混流式水轮机一般均采用金属蜗壳。金属 蜗壳的内圈焊接在座环的上、下环上，上半部通常用弹性垫层与上面的混 凝土隔开。为了在检修水轮机时，能将蜗壳和主阀后面进水管中的水放空 通常在紧靠主阀下游钢管的底部装设通往尾水管或集水井的排水管，并装 设控制阀门。同时，在进水钢管的顶部还应安装通气阀，以便于蜗壳和钢 管放空或充水时，能自动进气和排气。蜗壳进人孔一般可设在主阀下游进 水钢管处，也可从水轮机层向下用垂直孔洞联通一水平短洞进入蜗壳。 低水头的水电站厂房，可采用钢筋混凝土蜗壳，放空蜗壳和引水管的 排水管，常设在进口处底部并通向尾水管。蜗壳进人孔多设在前半段。 4、减压阀的布置 高水头水电站在厂房下部块体中，有时要装设减压阀，以减小水锤压 力。减压阀一般安装在压力水管末端的蜗壳旁边。厂房内装设有减压阀时 机组段长度和厂房的总长度会增加。 5、尾水管和尾水闸门的布置 尾水管中弯曲形尾水管和直锥形尾水管应用较多，一般大、中型水电 站中，大多数采用弯曲形尾水管。小型水电站中才采用直锥形尾水管。尾 水管在布置时，可使直锥段的顶端与水轮机的基础环相接，尾水管出口潜 没于尾水中。 为了检修水轮机，还需要设置尾水管进人孔和排水管。进人孔一般设
在尾水管的直锥段，当上游有主阀室时，尾水管进入孔可设在该处。由主 阀室进入尾水管。如电站没有主阀室（例如坝后式水电站厂房中，上游端 一般不设主阀)则进人孔可布置在下游侧，由水轮机层沿竖井下至尾水管 进人孔高程后，再水平进入尾水管。尾水管的排水管进口应设在尾水管的 最低点。末端通入集水井，排水管上应设控制阀门。 尾水闸门一般设置在尾水管的出口，当检修水轮机或机组作调相运行 时，封闭尾水管出口。尾水闸门常用的有平板闸门和叠梁闸门等。可数台 机组共用一套闸门，平时将闸门存入专设的门库中或放置在尾水闸墩上。 运用时沿尾水平台吊到指定地点。尾水闸门启闭机的型式，可根据起重量 的大小选择门式起重机、桥式吊车、活动绞车或电动葫芦等。 6、下部块体的最小尺寸 一般情况下主厂房的长度及宽度主要取决于下部块体结构的尺寸，只 有在高水头水电站上，才取决于发电机层的尺寸，决定厂房块体结构最小 尺寸时，必须考虑厂房的施工（主厂房块体结构的混凝土一般划分为两期 进行浇筑)，运行及强度，刚度稳定性等多方面的因素。当水轮机安装高 程和蜗壳，尾水管的尺寸选定后，可根据水轮机安装高程及转轮的尺寸定 出尾水管的顶部高程，再减去尾水管的高度就得到尾水管的底部高程。尾 水管的底板厚度可先凭经验估计，以后再进行验算。一般情况下基岩上的 尾水管底板厚度在1~2m左右。蜗壳顶部到水轮机层地面高程之间的混凝 土厚度一般可采用1.2-~2.0m。这样就大致决定了块体结构的高度 图1下部块体结构示意图 块体结构的平面尺寸，主要取决于蜗壳的平面尺寸和施工条件。为了 蜗壳的拼装、焊接，以及便于蜗壳外侧预埋件的布置及绑扎钢筋、烧捣混
凝土等，在蜗壳的四周混凝士土的厚度△L至少要有0.8~1.0m。这样蜗壳两 边各加一个△L后即得到机组段的最小长度。蜗壳下游侧在△L外边再加 上外墙厚度，一般可估取1~3m,在蜗壳上游侧△L之外。再加上主阀室的 宽度及外墙厚，块体结构的平面尺寸地就大致决定了。这样定出的尺寸就 是块体结构的最小尺寸。当然这些尺寸还要通过结构检查校验。 (二)发电机的布置 1.发电机的型式和布置方式 常用的发电机型式：悬式和伞式。 悬式发电机：推力轴承位于转子上方，支承在上机架上。 发电机的传力方式为：转动部分重量（发电机转子、励磁机转子、水 轮机转轮)一推力头—推力轴承——定子外壳一机座；固定部分重 量（推力轴承、上机架、发电机定子、励磁机定子）一一定子外壳一机座。 榨力轴承 上机架 图2悬式发电机 下架 图3 伞式发电机 5
伞式发电机：推力轴承位于转子下方，设在下机架上。 发电机的传力方式为：机组转动部分的重量一推力头和推力轴承 一下机架—机座。上机架只支撑上导轴承和励磁机定子。 悬式发电机的稳定性比伞式好，故转速大于150r/min,多采用悬式发 电机。伞式发电机总高度转低，可降低水电站厂房高度，故转速小于 150r/min时，多采用伞式发电机。 发电机的布置主要有开敞式、埋没式、和半岛式三种，开敞式布置时 一般适用于容量较小的机组：埋没式布置方式一般适用于大、中型电站 半岛式布置由于厂房内场地狭小，设备拥挤给安装、检修造成不便，故采 用不多。 (a)开敞式 (b)埋没式 图4发电机的布置方式示意图 2、发电机的冷却与通风 发电机运行时会引起发热，如不进行冷却，会使机组效率降低甚至损 环。目前主要是依靠通风设备用冷空气冷却。发电机的通风方式与发电机 的布置方式密切相关，主要有开敞式、川流式、半川流式和密闭式等四种。 小型立轴水轮发电机采用开敞式通风，自厂房及机坑内吸入冷空气， 热空气排入主机房中，适用于开敞式布置的发电机。 单机容量在10000kw以下的埋没式或半岛式布置的发电机，常采用 川流式或半川式通风，冷空气自水轮机机坑内或室外进入发电机，从定子 出来的热风排出厂外或机房
对于大容量埋没式或半岛式布置的发电机，宜采用密闭式通风，定子 周围设置空气冷却器，冷却器冷却后的冷风经专设风道进入转子，热风 从定子送入空气冷却器冷却，循环冷却时空气量是固定的。 3、电机的支承结构 立式发电机的支承结构通常称为机墩，它的底部固结在水轮机层大体 积混凝土上，上部与发电机层楼板或风罩连接。它的作用是将发电机支承 在预定的位置上，并给机组的安装、运行、维护、检修创造有利的条件。 对于采用悬式或伞式发电机的立式机组，机墩将承受发电机和水轮机的全 部动、静荷载，有时还要承受发电机层楼板传来的部分荷载并将这些荷载 传给厂房的下部块体结构。为了承受这些荷载，机墩必须有足够的强度、 刚度和稳定性。常用的机墩，有如下几种型式。 (1)圆筒式机墩：它一般为上、下直径相同的等厚的钢筋混凝土圆 筒。有时为了施工立模便利，也有将外围作成正八角形时。圆筒式机墩的 筒壁厚度一般在1.0m以上，其上端与发电机层楼板相联接或与发电机通 风道的外墙（风罩）相连，下端则固结于蜗壳顶部的混凝土上。圆筒的内 部空间称为水轮机井，机组的主轴位于其中。水轮机安装、检修时，转轮 和顶盖可由井中吊进和吊出。水轮机井的下部直经，可略小于座环外径， 般为(1.3~1.4)倍转轮直径，这样可使机墩荷载的一部分经水轮机座环 传至下部块体结构。机墩的一侧需布置接力器，另一侧布置机墩进人孔， 其尺寸一般为2×1.2m左右。 圆简式机墩广泛用于各种水头和容量的机组，其优点是：刚度大，抗 扭、抗震性能好：结构简单，施工方便。缺点是：占水轮机层空间较大， 使辅助设备布置和预埋管路等较为不便：水轮机井空间较小，使水轮机安 装、检修也不够方便。 (2)平行墙式机墩：机墩由两平行承重钢筋混凝土墙及其间的两横 梁所组成。发电机直接支承在平行墙及其间的横梁上
图5美国包德水电站的平行墙式机墩 这种机墩的优点是：水轮机顶盖处宽敞，工作方便，检修水轮机时可 以在不折除发电机的情况下将水轮机转轮从两平行墙间吊出。但其刚度和 抗扭性不如圆筒式机墩。 (3)环形梁式机墩：一般由四或六根立柱以及固接于柱顶的环形梁 组成。发电机支承在环形梁上。这种机墩的优点是：水轮机层可充分利用 立柱间的净空布置设备；机组的出线、安装、检修均较方便；机墩的混凝 土用量少。缺点是：结构刚度及抗扭抗震性能较圆筒式差，结构施工也略 复杂些，多用于中小型机组。 (4)框架式机墩：机墩由两个平行的钢筋混凝土框架和两根横梁所 组成。发电机支承在框架上部的梁系上。这种机墩的优点是：可方便地利 用框架下的空间布置辅助设备和管路等；机组的安装、检修都较方便：施 工简单，节省材料，造价较低。缺点是：刚度、抗扭抗震性较差。一般适 用于小型机组。 8
图6环形梁立柱式机墩 图7框架式机 墩 对大型水电站还有大矮机墩、钢机墩等。 (三)主厂房内附属设备和辅助设备的布置 主厂房内属于水轮机的附属设备有：调速器、油压装置、接力器和减 压阀等。属于发电机的附属设备有主引出线、中性点设备、励磁系统、机 旁盘和发电机的冷却设备等。属于厂房辅助设备有：压缩空气系统，油系 统和水系统等。 1、水轮机附属设备调速器的布置 调速器由操作柜、油压装置和接力器（或称作用筒）三个主要部分组 成并用油管和传动设备联成一体。操作柜在布置时应尽量靠近接力器，以 缩短油管，并便于安排回复装置。同时操作柜应尽可能靠近机旁盘，使值 班人员在操作柜旁能通视机旁盘上的各种仪表，以便在开机或停机时以及 试验时进行手动操作。而油压装置应尽可能地靠近操作柜并布置在同一高 程，以缩短油管。 接力器是直接控制水轮机导叶开度、调节进入水轮机流量，以保持机 组转速稳定的机构，一般布置在蜗壳断面较小的上游侧，固定在机墩的孔 洞中
推拉杆 节 水轮机 接力 总。机a。 图8接力器示意图 调速柜和油压装置均应布置在桥式吊车吊钩的工作范围之内，周围还 应留1m左右的通道，以便安装、检修。通常都是一台机组设有一套调速 设备，且应尽量布置在本机组段内，以免主机组分期安装时给施工和安装 带来困难。 当厂房上游侧设有蝴蝶阀时，如果油压装置的容量足够，则蝴蝶阀的 操作也可以利用它的压力油。否则，应在蝴蝶阀的近旁布置专用的油压操 作设备。 2、发电机的附属设备及其布置 (1)发电机主引出线的布置：主引出线即母线，一般采用方形的汇 流铜排或铝排。由于母线价格较贵，故要求在厂房内母线长度应最短，并 且是明线，没有干扰，出线要畅通，母线道应干燥，且通风散热条件好 故主引出线由发电机定子上的引出端接出后，通过主出线道进入母线道， 经低压配电装置，最后接主变压器。引出线一般固定在出线层天花板的母 线架上，并用铁丝网围护。在引出线上，常接有电压和电流互感器等。中 性点的位置应与发电机主引出线位置错开一定角度。容量大的机组在中性 点需设消弧线圈，可将它布置在机墩附近。 (2)励磁盘的布置：励磁盘是用于控制和调整发电机励磁电流的， 每机有3~5块，它与励磁机联系较多，故最好布置在空气比较干燥的主机 房内，或布置在与发电机层同高的副厂房内。 (3)机旁盘的布置：机旁盘一般包括机组自动操作盘、继电保护盘， 测量盘和动力盘等，每机3~5块，用来监视和控制机组运行。采用电气液 压调速器时，其电气元件盘常和机旁盘并列布置在一起。机旁盘常布置在 10