圖爾古松水電站廠房設計

王其利

摘 要：圖爾古松水電站采用河床式布置，對工程總體和發電廠房布置進行詳細介紹，結合工程所處嚴寒環境和冬季來水少的特點，進行了防冰凍設計和采用大小機組組合設計，給類似工程提供借鑒。

關鍵詞：河床式廠房；廠房布置；防冰凍設計；大小機組合

中圖分類號：TV731 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）18-0074-03

Abstract： The river bed arrangement is adopted in Tulgusong Hydropower Station. The overall project and the house layout of the power plant are introduced in detail. Combined with the cold environment of the project and the characteristics of less water coming from winter， the anti-freezing design and the combination design of large and small units are carried out. To provide reference for similar projects.

Keywords： riverbed factory building； plant layout； anti-freezing design； size machine combination

1 工程概況

圖爾古松水電站工程位于哈薩克斯坦圖爾古松河上，多年平均徑流量13.53億m3，水庫總庫容880萬m3，有效庫容640萬m3，設計引用流量為121m3/s，具有日調節性能。電站裝機容量24.9MW，多年平均發電量0.798億kW·h。電站廠房為河床式布置，洪水設計標準按50年一遇洪水設計，1000年一遇洪水校核。工程區氣候屬于極端大陸性氣候，冬季寒冷漫長，夏季短暫炎熱，季節和晝夜溫差大。根據該國的“技經報告”，項目所在地多年平均氣溫-1.5℃，最低月平均氣溫-17.7℃，絕對最低氣溫-51℃。

2 工程總體布置設計

電站壩址處河床開闊，壩線范圍內有足夠的空間布置發電廠房及其附屬建筑物，同時結合電站的裝機規模及工作水頭，選用河床式布置較為適宜。結合泄洪及施工導流的布置方案，泄洪建筑物布置于主河槽內，廠房布置在泄洪建筑物左側的階地上，左、右岸擋水建筑物均為混凝土重力壩。發電廠房作為獨立的擋水建筑物，與樞紐大壩一字排列，此種布局的優點是樞紐建筑物布置緊湊，交通便利。電站建筑物由主廠房（包括進水口、主機間、副廠房及安裝間）、主變室、進水渠、尾水渠及其他建筑物組成。主機間布置在安裝間右側，沿壩軸線呈“一”字形布置，其中主機間與進水口段按獨立的擋水建筑物設計，安裝間布置在擋水壩段下游。副廠房在主機間上、下游側均有布置，主變室布置在左岸階地上。安裝間下游場地地坪高程為548.70m，通過進廠道路與外界相通。

主廠房總長55m，寬46.8m，其中主機間長34m，安裝間長21m，主機間與安裝間之間設0.1m抗震縫。主機間裝有2臺11.5MW的大機組和1臺1.9MW的小機組，小機組布置在左側與1臺大機組做為一個機組段，另1臺大機組單獨作為一個機組段，兩機組段之間設0.01m伸縮縫。進水渠長35m，寬53.8m，上游以小角度與主河槽相接，尾水渠長83.4m，寬30.5m，下游斜向匯入主河槽。

3 廠房布置設計

3.1 機組型式和裝機容量

河床式水電站可以選擇混流式或軸流式機型，根據分析，兩種機型的混凝土工程量相當，對于混流式機組土方開挖量要少一些，但混流式機組的造價要高一些，且不能滿足在二期導流期間發電的要求，故選擇軸流式機組。分析工程河段裝機容量開發潛力的基礎上，對工程裝機容量方案進行裝機比選，采用最大經濟效益法進行分析，最后推薦采用電站總裝機24.9MW，平均裝機利用小時數為3190h，計算水能利用率為82.5%。由于工程所處地區冬季嚴寒，來水流量較小，根據業主要求，電站需要在冬季持續發電，經過綜合比較，選用1臺1.9MW的小機組加2臺11.5MW的大機組組合方案，可以滿足要求。

3.2 主廠房布置

主廠房順水流方向依次為進水口、主機間、下游副廠房和尾水平臺。其中進水口段長19.6m，主機間段長15.5m，尾水段長11.7m。廠房橫剖面見圖1。進水口為整體式，采用正向進水，由喇叭形進水口、攔污柵（檢修閘門與攔污柵共用門槽）和快速門及其啟閉設備組成。進水口分為5孔，每孔凈寬4m，對應2臺大機組及1臺小機組。進水口采用上翹式喇叭形流道進口，進水口底高程為541.00m，攔污柵處孔口高度為10.4m，末端逐漸收縮與機組混凝土流道平順相接。進水口前緣布置有混凝土胸墻，胸墻下端采用1：1.2斜段過渡與進口流道平順連接。進口段每孔布置一道直立式攔污柵，為減少攔污柵被堵塞，采用淹沒式布置，攔污柵底檻高程為541.00m，檢修門為潛孔式平面滑動鋼閘門，與攔污柵共用門槽，非檢修期放置于深孔泄洪壩段的門庫內?？焖匍T布置在下游側，平時懸于孔口上方待命，在機組發生故障時快速關閉，截斷水流，保護機組，以免事態擴大。快速門門型為平面定輪鋼閘門，啟閉設備為固定卷揚式啟閉機。交通橋頂高程為571.00m，與壩頂交通相連，交通橋上布置有一臺門機，供啟閉檢修閘門及清污之用，并與右岸深孔泄洪壩段共用。主機間內布置3臺水輪發電機，總裝機容量為24.9MW，其中安裝2臺立式軸流轉槳機組，單機容量11.5MW，安裝高程535.67m，采用梯形斷面180°包角混凝土蝸殼；安裝1臺混流式機組，單機容量1.9MW，安裝高程538.30m，金屬蝸殼。主機間在兩臺大機組設置一道伸縮縫，縫寬0.01m。主機間從下而上依次為蝸殼層、水輪機層和發電機層。蝸殼層高程533.50m，在兩臺大機組右墩墻側布置有寬1m的連通廊道，可進入大機尾水管和檢修排水廊道層，檢修排水廊道高程526.80m，布置有檢修排水泵和滲漏排水泵，檢修排水泵在檢修時直接將尾水管的水排至下游尾水渠內，滲漏排水泵布置在集水井內。水輪機層高程538.00m，同時作為小機的蝸殼層，經進人孔可進入大機水輪機室和小機尾水管內，布置有調速器、油壓裝置等設備。發電機層高程545.10m，距軌頂高度為16.40m，上游側布置有吊物孔，經水輪機層可直通至檢修排水廊道層。主機間上下游側各布置有副廠房，上游側利用主機間與進水口之間的空間布置有兩層，下面一層與發電機層等高，布置有通風機室和電鍋爐房，作為整個廠房供熱的源頭；上面一層與地面層等高，布置有油罐室、油處理室和柴油發電機房等。下游側副廠房地面以下4層，分別為技術供水泵室、空壓機室和生活消防水泵房、電纜夾層以及10kV開關柜室；地面以上3層，分別為35kV開關柜室和蓄電池室、中控室和繼電保護室以及最頂層的辦公室等房間。在下游副廠房的左右兩側各布置了一部上下連通的樓梯，并在左側樓梯邊上布置了吊物孔，滿足副廠房的設備運輸需要，在上游副廠房右側、主機間和安裝間之間均設有樓梯，滿足日常的運行和安全消防通道要求。發電尾水通過尾水管進入尾水渠，尾水管采用平直管，出口處設置直升式平面鋼閘門，由設置在副廠房下游側的電動葫蘆進行起吊。尾水管出口處底高程大機組為527.82m，小機組為534.60m，尾水管出口548.70m高程設置尾水平臺，與地面等高，可滿足電站運行時的人員巡視以及閘門的簡易維修的功能要求。

3.3 安裝間及主變室布置

安裝間布置在主機間左側，長21m，寬15.3m，框架結構，安裝場高程為549.00m，采用鋼筋混凝土板梁結構。安裝間平面尺寸滿足一臺機組檢修時，上機架、定子、轉子及轉輪同時放置檢修的要求。進廠大門設在安裝間下游，拖車可由進廠公路直接進廠。主機間和安裝間的屋架采用輕型鋼結構屋架，雙面排水。主變室布置在安裝間下游側，以利于主變的運輸和檢修。主變室長20.3m，寬11m，室內布置2臺SCZ10-16000/37/10.5主變壓器。

3.4 進水建筑物布置

進水建筑物上游設置攔沙坎，以防河道內的推移質進入流道，攔沙坎采用衡重式的漿砌塊石結構，軸線斜向順著主河道邊坡布置，與河床水流方向成56°角，與上游廠閘導墻相接，坎頂高于河床0～5m，能有效將推移質導向深孔泄洪閘并排向下游。為減少底孔泄洪時的水流擾動對發電機組的影響，廠房進水口與深孔泄洪壩段之間布置了上游廠閘導墻，導墻為半重力式混凝土結構，向庫內延伸20m，墻頂高程554.60m，與死水位相同。在靠近廠房進水口的底部留了三個斜向的排沙孔，底孔泄洪時利用吸力帶走一部分進水渠內淤積泥沙，減輕機械清淤的工作量。進水渠左側布置導流明渠上游外導墻，在一、二期導流期間作為導流明渠的岸坡擋墻，雙向擋水，后期作為進水渠的邊坡擋墻，做到永臨結合，節省工程量。

3.5 尾水建筑物布置

尾水管出口與尾水渠相接，尾水渠前段采用1：4的反坡過渡至538.00m河床高程，并經平段與下游河床相接，因大機尾水管出口高程與小機尾水管出口高程有6.78m的高差，利用閘墩2m厚的寬度以1：0.3的坡比進行放坡過渡，將兩個尾水出口進行很好地銜接。尾水渠與右側深孔泄洪壩段之間布置下游廠閘導墻，左岸采用衡重式擋墻結構，墻后采用透水性好的石渣回填，減小凍脹土對擋墻穩定的影響，擋墻頂高程為548.70m。

4 防冰凍設計

因工程地處嚴寒地區，最長冰凍期可達6個月，多年平均冰厚0.8m，最大結冰厚度2m，冰凍、凌汛問題極為突出，做好冬季防冰凍措施至關重要。施工圖設計階段對電站運行調度、水工建筑物抗凍設計、金結和機電設備防凍融冰保溫措施、冬季低溫季節土建施工、廠房內采暖通風等相關的問題進行研究，精心設計并補充完善嚴寒地區河床式水電站防冰凍設計方案。電站運行調度方面，冰凍初期水庫盡量維持較高水位運行，確保冰蓋形成在較高水位，合適時段加大發電放水流量，抬高下游河道封冰位置。需注意避免產生尾水在冰上流水而抬高尾水位的問題，以免對電站運行和下游居民生命財產安全造成影響。廠房結構抗凍設計方面，混凝土在長期處于水下或水位變動區，采用C30W6F300二級配混凝土，在進水口迎水面水位變動區噴涂2mm厚的聚脲材料，以便適應嚴寒地區的低溫環境，抵抗低溫時混凝土開裂引起的形變而不滲漏，通過加強混凝土防滲來改善抗凍效果。擋土墻墻后填土頂面做好防水和排水措施，擋土墻設置排水孔，墻后設置反濾層，降低墻后地下水位，減小墻后回填土凍脹的影響。金屬結構方面，進水口攔污柵孔口上方的冰蓋采用人工除冰法清除，以便清污；進水口及尾水檢修閘門水封處因滲水而結成的冰采用電熱法融化，孔口上方的冰蓋采用人工除冰法清除；快速閘門處利用電熱法在閘門井內取暖，井頂加蓋保溫，該系統為常開狀態，保證閘門井內水體不結冰。根據需要相應設置電熱融冰設備，在臨近位置布置配套的電氣柜?；炷恋蜏丶竟澥┕脑牧蠝蕚?、骨料加熱、混凝土拌和、混凝土運輸、混凝土澆筑與保溫、拆模與養護、質量監控等施工環節進行了詳細考慮，因篇幅有限，在此不展開敘述。建筑外墻采用500厚加氣混凝土砌塊，屋面采用保溫材料，外窗采用雙層窗，主要出入口設置門斗等措施較小室內外溫度傳導?？紤]到冬季生產設備的安全運行、值班辦公人員的舒適性需求，設置了采暖設施，采暖系統采用散熱器采暖、空調采暖、暖風機系統相結合的方式，保證室內溫度發電時不低于10℃，維護檢修時室內溫度不低于5℃。

5 結束語

本電站借鑒國內外類似水電站的工程設計經驗，工程總體布置、廠房結構布置緊湊合理，運行管理方便，工程投資節省，結合工程所處嚴寒的環境和冬季來水少的特點，進行了抗冰凍設計及采用大小機組組合設計，給類似工程提供借鑒。

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