向阳口引水式水电站课程设计

河北工程大学课程设计1第 1 章 基本资料 -1第 2 章 水轮机选型设计 -22.1 机组台数与单机容量的选择 -22.1.1 水轮机的选型原则和任务-22.1.2 机组台数的选择-22.1.3 单机容量的选择-32.2 水轮机特征水头的确定 -42.2.1 最大水头 -4maxH2.2.2 最小水头 -5in2.2.3 设计水头 -6P2.3 水轮机型号及主要参数的选择 -62.3.1 水轮机型号的选择-62.3.2 HL220 型水轮机方案的主要参数选择 -62.3.3 HL160 型水轮机方案的主要参数选择 -122.3.4 两种方案的比较分析-172.3.5 绘制 HL220 运转特征曲线-182.4 蜗壳的形式和尺寸的确定 -202.4.1 蜗壳形式的选择-212.4.2 蜗壳设计的基本要求-212.4.3 蜗壳主要参数的选择-212.4.4 蜗壳的水力计算-222.5 尾水管形式和尺寸的确定 -242.5.1 尾水管形式的选择-252.5.2 尾水管尺寸的确定-252.5.3 尾水管的局部尺寸变动-26河北工程大学课程设计2第一章 基本资料该电站在系统中担任调峰与调相的任务，其日调节水库为大青岩水库，入库径流由官厅水库控制，所以用官厅水库下泄流量作为本电站的发电水量，而官厅水库的出库年径流系列及均值为 14.04 亿立米（19551972 年）作为大青岩水库入库系列的均值。电站首部为拦河坝，位于丰沙线沿河城车站和幽州车站之间的大青岩坝址上游距幽州车站 2.8km，下有距沿河城车站 3.2km，拦河坝采用重力坝，其主要数据如下：最大坝高 27.5m坝顶高 5.0m坝长 112.5m正常高水位 409.0m最高洪水位 409.0m死水位 405.0m总库容 645 万 3m调节库容 245 万坝顶高程 411.0m最大泄流量 2200 s3溢流坝段长 27.5m非溢流段长 27.5m最大单宽流量 32.7 sm3发电引水隧洞全长 4876.6m，进口底高程 395.0m，纵坡 2.3%，圆形断面，洞径7.5m，沿洞线主要穿过中厚层硅质灰岩，走向与洞线近正交，中段穿过霏细岩石。冲沙导流隧洞位于拦河坝左岸，施工期间可作导流用，建成后用以冲砂，放空水库及分泄部分洪水用，洞长 219.8m，直径 5.0m，进口底高程 388.0m，纵坡 6.6%，出口底高程 388.5m，其最大最小流量分别为 156 和 126 。为了利于冲砂以保护发电洞，sm3s3冲砂洞进口在坝上有 30m 处，位于发电洞下部，形成双层进水口。高压管道穿过薄层，厚层和中层硅质灰岩，穿过 F5 断层。主管直径 3.4m，高压管道全部采用钢板衬砌。电站总装机容量 6 万 kW,电站厂房在向阳口村上游 300m 处，靠永定河左岸，该处河岸为 70m 高的陡壁，厂址放在断层下盘紧靠陡壁的基岩上，考虑到沿河城大断层为活动性断面，因此，将变电站与厂房按“一”字型布置在断层底基岩上。向阳口 II 级电站尾水位与流量关系如下表：向阳口 II 级电站尾水位与流量关系表水位（m） 348.6 349.5 350 351 352流量（ ）s30 58 106 265 480水位（m） 353 354 355 356 357河北工程大学课程设计3流量（ ）sm3760 1150 1750 2570 3540第二章 水轮机选型设计水轮机是水电站中最主要的动力设备之一，它关系到水电站的工程投资，安全运行和经济效益等重大问题，因此在水能规划的基础上，根据水电站水头和负荷的工作范围，正确地进行水轮机选择是水电站设计的主要任务之一。2.1 机器台数与单机容量的选择2.1.1 水轮机的选型原则和任务（一）水轮机选型的一般原则为：（1）机型的技术特性应适应该电站的水资源条件。（2）尽可能缩短水电站的施工期，使机组早日投产，满足国民经济的需要。（3）水轮机的运行稳定可靠，机动灵活，满足安全供电。（4）力求水轮机的平均效率较高，使水电站获得较大的动能效益，尽可能降低水电站造价，做到经济合理。（5）考虑到供货的现实性，中小型水电站的水轮机要符合通用化、系列化、标准化、的要求。（6）水轮机的制造、运输、安装、运行方便。上述原则应根据水电站的具体条件，权衡利弊，选出技术上先进可靠、经济上合理的水轮机方案。（二）水轮机选型的主要任务是：（1）确定水轮机的特征水头（最大水头、最小水头、设计水头、加权平均水头等）。（2）选择水轮机的台数和型号。（3）选定水轮机的标称直径、额定转速、吸出高程、安装高程等参数。（4）确定水轮机的蜗壳和尾水管的型式和尺寸。（5）确定调速器、油压装置的型式和尺寸。（6）估算发电机的尺寸和重量等。2.1.2 机组台数的选择水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量可以拟定出不同的机组台数方案。当机组台数不同时，单机容量不同，水轮机的转轮直径、转速也就不同，有时甚至水轮机的型号也会改变，从而引起水电站的工程投资、运行效率、运行条件以及产品供应等情况的变化。目前上不可能从理论计算上求得合理的单机容量，因此在选择机组台数时应从下列几方面综合考虑：（1）机组台数与机电设备制造的关系机组台增多时，机组单机容量减小，尺寸减小，因而制造及运输都比较容易，这时由于制造能力和运输条件较差的地区是有利的。但实际上小机组单位千瓦消耗的材料多，制造也较麻烦，故一般都希望选择较大的机组。（2）机组台数与水电站投资的关系河北工程大学课程设计4机组台数较多时，不仅机组本身的单位千瓦造价较高，而且随着机组台数的增加，相应的阀门、管道、调速器，辅助设备和电器设备的套数就要增加，电器结线也较复杂，厂房平面尺寸也需加大，机组的安装维护工作量也将增加，因此从这些方面来看，水电站的单位千瓦的投资将随机组台数的增加而增加。但另一方面，采用小机组则厂房的起重能力、安装场地、基坑开挖量都可缩减，因此又可减少一些水电站的投资。总的来说机组台数变化要引起水电站投资变化，在大多数情况下，机组台数增多将增大投资。（3）机组台数与水电站运行效率的关系当机组数目不同时水电站水轮机的平均效率也不同。机组台数增多能够增加水电站的电能，但当增多到一定程度，在增多时对水电站的运行效率就不会有显著的影响了。当水电站在电力系统中担任基荷工作时，选择机组台数少，可使水轮机在较长时间内以最优工况运行，使水电站保持较高的平均效率。当水电站担任系统尖峰负荷时，由于负荷经常变化，而且幅度较大，为使每台机组都可以高效率工作，就需要更多的机组台数。此外，由于水轮机类型的不同，机组台数对水电站平均效率的影响也不同。如：轴流转桨式水轮机，犹豫其高效率区比较宽广，单机效率变化比较平稳，故机组台数的增减对水电站平均效率的影响不大。但对轴流定桨式水轮机，当出力变化时效率变化就比较剧烈，因此增加机组台数，对于提高水电站的平均效率就比较显著。（4）机组台数与水电站运行维护工作的关系当机组台数较多时，单机容量就小，水电站的运行方式机动灵活，机组发生事故后所产生的影响小，检修也较容易安排。但因运行操作次数随之增加，发生事故的几率增高了，同时管理人员增多，运行费用也提高了。因此不宜选用过多的机组台数。上述各种因素既相互联系又相互影响，不可能都一一满足，所以在选择机组台数时应针对电站具体情况而定。为了水电站运行的可靠性和灵活性，一般不少于两台且大多数情况下机组台数用偶数。同时为了制造、安装、运行维护及设备供应的方便，在一个水电站内尽可能的选用同一型号的机组。本设计为引水式水电站，电站的总装机容量为 6 万千瓦，属中型水电站（2.5 万kwN25 万 kw），按老师布置的课设要求本设计选用三台机组。2.1.3 单机容量的选择水轮机的单机容量 N 为：）（ 万总 kwn（2.1）式中： 总的装机容量，本设计为 6 万 kw；总n机组台数，本设计为 3 台将数据代入上式得: (万 kw)236总N水轮机额定出力： QHNT81.9（2.2）河北工程大学课程设计5FTNe式中： 发电机额定出力，kweN发电机效率，大中型发电机 0.950.98；本设计取 0.96。F kw083.296.e万FTN2.2 水轮机特征水头的确定水轮机型号的选择中起主要作用的是水头。水轮机的任一工作状况的工作性能可采用水轮机的水头、流量、效率、出力和转速等工作参数之间的关系来描述。水轮机的水头也称工作水头，指单位重量水体通过水轮机时能量减小值，水轮机水头随电站上、下游水位而变化。为此常用最大水头，最小水头，设计水头来表征水轮机的运行范围和工作特性。2.2.1 最大水头 maxH最大水头 ，是允许水轮机运行的最大净水头，通常由水轮机强度所决定。可由下式进行估算水电站出力： ）（水 kwQHNA（2.3）式中： 水电站引用流量（m/s）；QH水电站的净水头，为水电站上、下游水位之差减去各种水头损失（ m）；A出力系数，一般采用 6.58.5，大型水电站取大值，小型的取小值。本设计为中型水电站取 A=7.5。图 2.1 尾水位与流量关系拟合曲线图 1河北工程大学课程设计6试算：（ 1）初选定 ,由向阳口 II 级电站尾水位与流量关系拟合曲线图查得/s20mQ3时，相应的 ，已知 ，考虑沿程等水头损失，则/s02Q395.48Z下 m0.49Z上（2.4）25.83.797.H1 ）（）（ 下上kw8.7360.1AQHN其它流量的时候以此类推得出如下试算表：表 2.1 最大水头试算表Q Z 下 Z 上 H=0.97*（Z 上 -Z 下 ） N=AQH20 348.95 409.00 58.25 8736.98 30 349.11 409.00 58.09 13071.32 40 349.25 409.00 57.95 17386.44 41 349.27 409.00 57.94 17816.99 42 349.28 409.00 57.93 18247.37 43 349.29 409.00 57.92 18677.59 44 349.31 409.00 57.90 19107.65 45 349.32 409.00 57.89 19537.56 46 349.33 409.00 57.88 19967.30 46.01 349.33 409.00 57.88 19971.60 46.02 349.33 409.00 57.88 19975.90 46.03 349.33 409.00 57.88 19980.19 46.04 349.33 409.00 57.88 19984.49 46.05 349.33 409.00 57.88 19988.79 河北工程大学课程设计746.06 349.33 409.00 57.88 19993.08 46.07 349.33 409.00 57.88 19997.38 46.08 349.33 409.00 57.88 20001.68 46.09 349.33 409.00 57.88 20005.97 46.1 349.34 409.00 57.87 20010.27 而实际 ，由上表可知实际最大水头约为 57.88m，此时对应的kw20N， 。/s.8m64Q3m3.49Z下故最大水头为 。857Hax2.2.2 最小水头最小水头 ，是保证水轮机安全稳定运行的最小净水头。当 3 台机组同时发电min时，所对应的流量也同理由试算法求得，负荷出力应与 相接近。kw6N万图 2.2 尾水位与流量关系拟合曲线图 2（1）令 ,由向阳口 II 级电站尾水位与流量关系拟合曲线图得3Q06m/s,已知 。考虑沿程等水头损失，则35Z下 45Z上 35.0.9797.0H）（）（ 下上 213106.1AQN它流量的时候以此类推得出如下试算表：表 2.2 最小水头试算表Q Z 下 Z 上 H=0.97*（Z 上 -Z 下 ） N=AQH河北工程大学课程设计8106 350.00 405.00 53.35 42413.25 126 350.11 405.00 53.24 50314.46 146 350.25 405.00 53.11 58155.09 147 350.25 405.00 53.10 58546.59 148 350.26 405.00 53.10 58938.05 149 350.27 405.00 53.09 59329.47 150 350.27 405.00 53.09 59720.84 150.1 350.27 405.00 53.08 59759.97 150.2 350.27 405.00 53.08 59799.11 150.3 350.27 405.00 53.08 59838.24 150.4 350.28 405.00 53.08 59877.38 150.5 350.28 405.00 53.08 59916.51 150.6 350.28 405.00 53.08 59955.64 150.7 350.28 405.00 53.08 59994.77 150.71 350.28 405.00 53.08 59998.69 150.72 350.28 405.00 53.08 60002.60 150.73 350.28 405.00 53.08 60006.51 150.74 350.28 405.00 53.08 60010.43 当 时 ，由上表可知实际最小水头约为 53.08m，此时对应的kw60N， 。/sm72.15Q3m28.50Z下故最小水头为 。.3Hin2.2.3 设计水头 P(2.5)4.51083.7H422minaxP）（所以设计水头 。m.HP2.3 水轮机型号及主要参数的选择2.3.1 水轮机型号的选择河北工程大学课程设计9水轮机型号的选择是在已知机组单机容量和各种特征水头的情况下进行的，一般有根据水轮机系列型谱选择和采用套用机组两种方法。本设计根据水轮机系列型谱进行选择。每种型号的水轮机都有其适用的水头范围，由此根据水电站的水头情况，可直接从型谱表中选择出适合于该水电站的水轮机型号。有时可能选出两种型号同时都能适用，这样可将两种机型均列入比较方案进行比较。根据该水电站的水头变化范围 53.0857.88m ，在水电站附表 2 大中型混流式水轮机转轮型谱参数（水电站高等学校教材 徐招才刘申合编）中查出合适的机型有HL220 和 HL160 两种。现将这两种水轮机作为初选方案，分别求出其相关参数，并进行比较分析。2.3.2 HL220 型水轮机方案的主要参数选择HL220 型水轮机适用水头为 5085m，模型具体参数如下表 2.3 所示。表 2.3 HL220 型水轮机模型转轮主要参数表模型转轮 最优工况 限制工况直径D1（ mm）叶片数Z1导叶相对高度b0/D