石门子水利枢纽工程厂房设计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∇1316.51.3.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 t2. 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。

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50～400m1.5.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。

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 ） Z1 Z0 b0 1.16D2.6D 蜗壳进水口 转轮直径 叶片数目活动导叶数目导叶高度 导叶直径 转轮到尾水管底部的距离 进口直径进水口中心线距离100.014.0 24.025.0 116.1 260.9 112.7 133.3肘管 尾水管水平段上端面直径 上端面高程 下端面直径 下端面水平距离 尾水管出口高度 尾水管出口水平距离尾水管水平宽度 尾水管水平长度 62.2 62.2 31.1 80.2 56.9 207.0 126.4 126.8 135.2135.267.6174.4123.7 450.0 274.8 275.7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 ）2.1.2. 确定水轮机蜗壳尺寸max 0360Q Q ii Φ= （2-1）cii v Q r π360max Φ=（2-2）i a i r r R 2+= （2-3）式中 i Φ——从鼻端到计算断面的包角；i Q ——通过计算断面的流量； i r ——计算断面的半径；i R ——从蜗壳中心到计算断面外包线上点的距离； max Q ——最大引用流量；c v ——断面平均流速，可查图3得到； a r ——水轮机导叶外半径，取0.82D 1；b r ——水轮机导叶内半径，取0.68D 1。

根据1.6.1中水轮机的数据，s m Q /8.73max =，设计水头m H r 50=。

查图1-1得到s m v c /8.5=。

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x x L L L +-+=1 （2-4） 11δ+=+R L x （2-5） 22δ+=-R L x （2-6）式中，-21,δδ蜗壳外部混凝土厚度，此处取1.4m-21,R R 蜗壳两侧外包线到轴心的距离。

R 1 R 2 δ1 δ2L +xL -x L 1 2.1011.7061.4001.400 3.5013.1066.607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）x x L L L +-+=1 （2-7）22δ+=+BL x （2-8）22δ+=-BL x （2-9）式中，-2δ尾水管混凝土边墩厚度，此处取1.9m 。

-B 尾水管宽度。

B δ2 L +x L -x L 1 2.7481.9003.2743.2746.548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x x L L L +-+=1 （2-10）3322δφ++=+bL x （2-11）3322δφ++=-bL x （2-12）式中，-3δ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 。

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m L 7.91=。

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m L L 7.912==。

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：x s B B B += （2-13）A B s ++=332δφ （2-14）式中，-s B 上游侧宽度。

-x B 下游侧宽度。

-A 风罩外壁至上游墙壁内侧的净距，此处取3m 。

-3φ发电机风罩内径。

-3δ发电机风罩壁厚，此处取0.4m 。

依据式2-14，计算得到m m m m B s 1.64.07.23=++=。

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m B x 11.4=。

由式2-13得到，m B 21.10=，实取m B 0.11=。

2.2.4. 装配场长度的拟定装配场的长度3L 一般取1-1.5倍的机组段长度1L ，此处取 1.2倍的1L ，即m L 64.113=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。