毕业设计（论文）-23～44米水头220MW水电站设计.docx

学号 1005040223 年级 2010级 本科毕业设计2344米水头220MW水电站设计说明书专 业 热能与动力工程 姓 名 指导教师 评 阅 人 2014年6月中国 南京BACHELORS DEGREE THESIS OF HOHAI UNIVERSITYThe design of the head of 2344m hydropower station 220MW electrical and machinery part College ：HOHAI UNIVERSITYSubject ：Thermal and Power EngineeringName ：Zhu CongDirected by ：Guo Professor NANJING CHINA学术声明： 郑 重 声 明本人呈交的毕业设计，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本设计（论文）所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本设计（论文）的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘 要本设计是根据提供的原始资料对三门水电站的机电初步设计，设计内容共分为四章：水轮机主机选型，调节保证计算及调速设备选择，辅助设备系统设计，电气一次部分设计。第一章水轮机选型设计是整个设计的关键，根据原始资料，初步选出转轮型号为HL240，共有个12待选方案。根据水轮机在模型综合特性曲线上的工作范围，初步选出3个较优方案，再根据技术经济性及平均效率的比较在较优方案中选出最优方案最终选出的最优方案水轮机型号为HL240，4台机组，转轮直径5.5m，转速79r/min，平均效率92.6%。计算最优方案进出水流道的主要尺寸及厂房的主要尺寸，绘制厂房剖面图。第二章调节保证计算及调速设备的选择中由于本电站布置形式为单机单管，所以只对一台机组甩全负荷情况进行计算。调节保证计算及调速设备选择中分别在设计水头和最高水头下选取导叶接力器直线关闭时间，计算相应的和，使55%，并选取接力器、调速器和油压装置的尺寸和型号。第三章辅助设备设计中分别对水、气、油三大辅助系统设计，按照要求设计各系统的工作方式并按照各计算参数选出油罐、水泵及储气罐和空压机等设备。第四章电气一次部分设计中，按照设计要求，先对接入系统进行设计计算，本设计中送电线路电压等级220KV，2回线路，送电导线型号；接着进行主接线设计，对发电机电压侧、送电电压侧、近区负荷侧及电站自用电侧四部分考虑。发电机电压侧选用单元接线，选取主变型号为，送电电压侧选单母线接线，近区负荷送电线路电压等级35KV，选用两回线路，送电导线型号。采用发电机出线接线，通过近区变压器升压送电，近区变压器型号为。自用电负荷侧采用暗备用的接线方式，其变压器的型号为。然后进行短路计算，按设计要求，取发电机出口侧、主变高压侧和近区变压器侧进行短路计算，分别求出的有名值；最后，按照额定电压和电流选取电气设备进行校验，至此，本设计完成。关键字：水轮机主机选型；水电站机电设计；蜗壳；尾水管；厂房；水轮机调节保证计算；水电站辅助设备；油、水、气系统；电气一次。AbstractIt is the mechanical and electrical initial design of Sanmen hydroelectric power station, including: hydraulic turbine and power generator designed, governor and speed control equipment designed, auxiliary equipment designed and electrical part designed.In the chapter 1 of Hydraulic Turbine and Generator Designed, there is 1 kind of hydraulic turbine HL240 for selection, and there are 12 plans to be compared in this part. First, selecting better plans by comparing power output line of generator and working territories of hydraulic turbine. Second, choosing the best one by assessing investment and average efficiency of every better plan. Finally, deciding to make the third plan as the best one. In the plan, Ill use 4 units, the runner diameter is 5.5 meter,and the speed of running is 79r/min.In the chapter 2 of Governor and Speed Control Equipment designed, the layout of the station is a required use with an invest penstock. Therefore, it needs to calculate for a unit when it rejects whole load. In this part, straight closing time of wicket get servomotor should be calculated in design head and maximum potential head. Then, calculateand, 55%. Finally, choosing servomotor, governor and oil-handling facility.In the chapter 3 of Auxiliary Equipment, this part is designed for watering and drainage system, air supply system and turbine oil system designed. According to designing requirement, Ill select the right kind of turbine oil tanks, water pumps, air receiver and compressor.In the chapter 4 of Electrical part, first of all, it should design intake system. The voltage step of transmitted wire is 220KV, 2 lines, and the wire is . Secondly, it should design main wire. Generator side and 110KV side , load nearby side and using for station side should be included. Generator side: unit wiring, the transformer is . load nearby side: transmit and transformer unit; using for station side: single bus and wiring in sections. Thirdly, it should calculate short current, including . Finally, fixing out electrical equipment according to and . Thats all. Key words: Hydraulic turbline Screel case Regulate and guarantee to calculate Auxiliary Electrical part.目录 第一章、水轮机组选型设计第一节 水轮机型号选定6一、水轮机型式的选择：6二、转轮的形式6第二节 水轮机主要参数的确定7第三节 较优方案的选择8一、较优方案的选择8第四节 技术经济指标计算11（一）水力机械部分.9一、动能经济指标11二、机电设备投资和耗钢量12（二）电气部分13第五节 最优方案选择15第六节 最优方案的进出流水道计算17一、转轮的计算17二、蜗壳计算18三、尾水管计算21第七节 厂房22一、水轮发电机外形尺寸估算22二、厂房尺寸的确定25第二章 调节保证计算及调速设备的选择第一节 设计水头下甩全负荷29一、调节计算的标准29二、已知计算参数29三、压力引水系统平均流速29四、水流惯性时间常数31五、压力上升计算31六、转速上升计算33第二节 最大水头下甩全负荷35一、最大水头下机组流量Q35二、压力引水系统平均流速35三、确定水流惯性时间常数Tw和最短关闭时间TSH36四、压力上升计算37五、转速上升计算39第三节、调节功计算及接力器的选择40一、调节功计算40二、调速器的选择41三、油压装置的选择41第三章 辅助设备第一节 水系统42一、技术供水系统42二、消防和生活供水45三、检修排水47第二节 气系统49一、气系统用户49二、供气方式49三、设备选择49第三节 透平油系统54一透平油系统供油对象54二用油量估算54第四章 电气一次部分第一节 接入系统设计56一、接入系统分析56二、估算送电容量57三、确定可行方案57四、选择送电线路的截面57第二节 电气主接线设计58一、发电机侧59二、送电电压侧59三、近区负荷侧59五、电厂自用电侧60第三节 短路电流计算61一、电力系统接线图61二、统一化标幺值61三、短路计算62表格中红色表示视为无限大系统66第四节 电气设备选择661、断路器选择662、隔离开关选择67三、避雷器选择69四、电流互感器选择69五、电机出口母线选择69六、发电机消弧线圈的选择70七、电压互感器选择70五、参考文献原始资料三门水电站三门水电站位于河南省沱河干流上，电站建成后将向洛阳等地供电。三门水电站为坝后式，坝址选在三门市上游65公里处，河面较宽，中间二个岛，正处在河湾后面，厂房设在右岸，进厂公路自右岸进入厂房，压力钢管长约80米。坝址附近地形图见附图5-1。本电站装机有如下方案：方案序号Hmax米5044H平均米3935Hmin米2723N装机万千瓦242018221816利用小时数小时466056005800450056005800保证出力万千瓦76.5电站下游水位曲线见附图，下游特征洪水位如下：千年一遇洪水尾水位 293 (Q=30000米3/秒)百年一遇洪水尾水位 291.2 (Q=24000米3/秒)五十年遇洪水尾水位 290.7 (Q=22000米3/秒)电站建成后将承担峰荷及部分基荷，本电站有调相任务。本地区年平均气温515，1月份平均气温低于零度，绝对最低气温-15一35，7月份平均气温2225，年降雨在流域内均不同，最少150250毫米，最多为700500毫米。本电站建成后承担基荷，也有相当时间承担峰荷，并考虑调相，本电站将在70公里处的洛阳变电所接入系统(电力系统接线参见附图)，并向三门市供电15万瓦发变电站名称台数单台容量(MVA)短路电压百分数%咸阳变231.510.5186.5潼关变26010.5176.5潼关火电站212010.5洛阳变212010.5176郑州变26010.5176.5郑州火电站26010.5河津变26010.5176.5新绎变26010.5176.5新绎火电站212010.5第一章、水轮机组选型设计第一节 水轮机型号选定一、水轮机型式的选择：根据原始资料， 该水电站的水头范围为2344m，适合此水头范围水轮机的类型有轴流式和混流式。又根据混流式水轮机的优点： （1）比转速范围广，适用水头范围广，可适用30700m；（2）结构简单，价格低；（3）装有尾水管，可减少转轮出口水流损失。故选择混流式水轮机。二、转轮的形式水电站的水头范围为2344m，根据水电站机电设计手册水利机械中的大中型混流式转轮参数，推荐使用水头范围，确定转轮型号为HL240。HL240转轮型号的相关参数如下：各种参数最优工况限制工况导叶相对高度b00.3650.365单位转速n(r/min)72单位流量Q（m3/s）1.124效率（%）9190.4模型空化系数m0.20.2最高单位飞逸转速： 模型转轮参数：DM=0.46m ZM=24第二节 水轮机主要参数的确定按电站建成后，在电力系统的作用和供电方式，电站装机台数分别按2台、3台、4台、5台、6台五种方案进行比较。 1、计算转轮直径由水轮机P325页可知，水轮机额定出力：式中 -发电机效率,取0.98 -机组的单机容量取最优单位转速与出力限制线交点的单位流量为设计工况下的单位流量，则可取,对应的模型效率，暂取效率修正值，,模型最高效率为。 式中： Pr水轮机出力，KW. Q11r设计工况下的单位流量，m3/s.原型水轮机效率.Hr设计水头，初步设计时，对于坝后式水电站 Hr=0.95Ha=0.9532=30.4m2、计算原型水轮机的效率 3、同步转速的选择4、计算水轮机的运行范围各种方案计算结果如下表：方案台数 直径（m）转速(r/min)n11max (r/min)n11a(r/min)n11min(r/min)136.565.5388.3771.6463.892670.9989.3372.4164.58345.577.4586.0169.7362.19477.4590.6073.4465.505585.1986.8570.4062.79685.1991.9574.5466.4875585.1986.8570.4062.79885.1991.9574.5466.4894.594.6688.0171.3563.631064.594.6688.0171.3563.63114.1103.8985.4969.3061.81124.1103.8991.5674.2266.20第三节 较优方案的选择一、较优方案的选择（一）选择方法将以上各待选方案的n11max、n11A、n11min三条直线画在各自的模型综合特性曲线上，以每两个方案为一个比较组。选择三条直线包围高效区最好，并且n11A通过最高效率区的方案为较优的方案。当在一张图上有两个或两个以上的方案都能较好的包围高效区时，则用迭代法计算水轮机的单位流量，包括设计水头与最大水头。绘制（Q11min，n11max）（Q11r，n11r）的连线，尽可能多的包围最高效率区。其中Q11r超过了出力限制线，说明D1选的太小；若小于出力限制线，则说明D1选的太大。计算的公式如下：式中：Pr机组的单机容量kW；D1转轮原型直径m；H水头m；n水轮机额定转速r/min；水轮机原型效率；说明：a、在最小水头下，水轮机不能发出额定出力，此时水轮机受到出力限制线的限制，所以不需要试算最小水头下的Q11 b、在最大水头和设计水头下的Q11值，所用的原型水轮机效率计算出来的Q11。但是Q11和此水头对应的n11的交点的模型水轮机效率加上修正值并不一定等于，这就需要试算。 C、在设计水头下，有些方案的Q11偏大，无法从特征曲线上找到设计工况单位流量： 试算法作发电机出力限制线，并换算到水轮机运转综合特性曲线同时也返算出设计水头。由Q11T=Pr/9.81D12H1.5=C，假定一个T，由此公式计算出一个Q11,再由Q11和对应水头的N11在图上找到一点，并查出此点的m,将此m转换成原型效率T（按限制工况点效率误差计），此时可比较T和T是否相等，如果不等，则从新将T代入公式计算，重复前面的过程，直到计算值同假设值相等为止，为了减少试算次数，一般只要前面两次单位流量相差值小于5%就认为可以了。 按上述方法求出发电机出力限制线并换算到水轮机运转综合特性曲线上。此发电机出力限制线与水轮机出力限制线的交点，通过交点的值反求设计水头的值。（二）初选较优方案根据前面拟定的各方案的工作范围是否包含高效区，或者包含高效区的面积大小；发电机出力限制线是否靠近水轮机出力限制线；设计水头与平均水头是否接近等原则来初选较优方案。所列较优方案如下：HL240方案I： 3/6.0m/ 71.4r/minHL240方案II： 4/5.5m/ 79r/minHL240方案III: 6/4.5m/ 93.8r/min第四节 技术经济指标计算一、动能经济指标根据运转特性曲线，求出各个较优方案的平均效率1、绘制转轮运转综合特性曲线 等效率曲线的绘制：（1）在水轮机工作水头内取5个水头值（包括最大、最小水头和平均水头），计算各水头对应的单位转速，以各值在模型综合特性曲线上作水平线与其等效率线相交得一系列交点，根据交点处的和计算出原型水轮机的效率和出力具体结果见附表。然后对每个水头分别做等效率曲线。（2）曲线上过某效率值水平线与曲线相交，记下各点，值。（3）各个点的、值绘制在图上，将各点连成光滑曲线，即为某的效率值。（4）绘制出力限制线。在之间，是一条的直线。在之间出力限制线一般由模型综合特性曲线的出力限制线换算而得。各个较优方案运转综合特性曲线附图2、根据绘制的运转特性曲线，利用面积法求出各个较优案的平均效率式中 特性曲线上相邻等效率线上的效率值特性曲线上相邻等效率线上的效率值为两相邻效率线之间的面积具体计算结果如下：效率方案191.6-92.692.6-93.693.6-94.694.621.25714.590316.457235.541392.55方案291.5-92.592.5-95.593.5-94.594.512.61811.697910.024823.288993.1方案391.3-92.392.3-93.393.39.58856.881728.470692.51二、机电设备投资和耗钢量（一） 水力机械部分1.水轮机总重G（t）式中： K、b为与水头有关的系数； a为与水轮机转轮直径有关的系数各种方案的水轮机的重量: 方案项目123台数346直径(m)65.54.5水轮机单重(t)651.69522.54321.88水轮机总重(t)1955.072090.181931.29水轮机单价(万元/t)2.52.52.5水轮机总价(万元)4887.695225.454828.222、调速器按一台80万元来考虑，各个方案总价估算如下：项目 方 案123台数346调速器单价(万元/台)808080调速器总价(万元)2403204803、起重设备的选用起重设备；选用桥式起重机1. 转子带轴重发电机重量：式中：取为8转子带轴重：计算结果如下：起重机重量台数单价发电机造价发电机重量I8143373262442 II6284375362512 III427.7637698.6 2566.2 4、辅助设备部分和设备安装运输费辅助设备投资=（水轮机+调速器价格）估算如下：K%水轮机调速器辅助设备投资k%安装运行费I0.044887240205.080.081415.29II0.0455225320249.50.08443.6III0.0554828480291.90.09477.7（二）电气部分1、水轮发电机在（一）中已计算过，现求发电机总价按3.0万元/吨计算起重机重量台数单价发电机造价发电机重量I8143373262442 II6284375362512 III427.7637698.6 2566.2 2、变压器高压按单母线接线方式；线路的输送容量为220MW，选220KV的电压等级。初步设计时，按发电机变压器单元接线，则主变压器容量应不小于或等于一台发电机的视在功率。项目 方 案视在功率（KVA）735536变压器台数346变压器重(t)219220216变压器单价(万元/t)4.04.04.0变压器总价(万元)8768808643、开关设备在初步设计时开关单价按100万元/台计算，每台机组设有两台开关，投资如下：方案 总价 方案 总价 方案 总价 4、电气自动化设备根据设计任务书P2说明，估算时以发电机、变压器和开关设备总价的10%计算计算如下：方案 总价 方案 总价 方案 总价 5、电气部分运输费设备安装运输费=设备总价查原始资料汇编可得各个方案的值，投资估算如下：方案 总价 方案 总价 方案 总价 第五节 最优方案选择一、各待选方案的综合比较水力机械投资估算表IIIIII水轮机单重t/台651522321水轮机总重 t195520901931水轮机单价 万元/t2.5水轮机总价 万元/t499752254828调速器单价 万元/台80调速器总价 万元240320480起重机重量 t238147127起重机总价 万元285.6176.4152.4辅助设备投资 万元205.08249.5291.9安装运输费 万元415.29443.6477.7总投资 万元6142.976414.56230单位千瓦投资 元/kW279.23291.57183.18电气部分投资估算表IIIIII发电机单重 t/台814628427.7发电机总重 t244225122566.2发电机单价 万元/t3.0发电机总价 万元732675367698.6变压器开关总价 万元147616802064自动化设备总价 万元860.2913.6706设备安装运输费 万元766.44784.33660.11总投资 万元10428.6410913.9311128.71单位千瓦投资 元/千瓦474.03496.09505.85二、 最优方案的选择项目最大水头Hmax(m)444444最小水头Hmin(m)232323平均水头Ha(m)353535装机容量Ny(万kw)222222水轮机型号HL240HL240HL240单机容量N(万kw)7.35.53.6机组台数346转轮直径 (m)65.54.5机组转速(r/min)71.47993.8水轮机最高效率94.6%94.6%93.3%水轮机平均效率93.1%92.6%92.5%总投资(万元)16571.6117328.4317358.71由以上表可知， 从上表可以看出：方案1较方案2而言总投资低，方案2较方案1而言效率高由电站原始资料知，电站年利用4500小时，保证出力6.5W千瓦，按0.3元每千瓦时计算，方案1和方案2比较=（0.931-0.926）=0.005电能差=220000X0.005=1100kw每年收益差=1100X4500X0.3=148.5w元所以投资回收年限n=（17328.43-16571.61）/148.5=5.1年7所以选择方案2在经济上比较有利所以选择方案2为最优方案。四、最优方案吸出高度的计算由等效率曲线图可得方案设计水头：=33.25m 设计水头对应的单位转速与出力限制线的交点的，则 式中：Pr机组的单机容量kW；D1转轮原型直径m；Hr设计水头m；设计水头与出力限制线交点效率加修正值；Q11r设计单位流量m3/s；D1转轮原型直径m；Hr设计水头m；机组台数为4台，尾水位水轮机过流量为一台水轮机的额定流量。 查原始资料可得： =1.15 用最大水头验算得取Hs=-1m式中 水轮机安装位置的海拔高程（m），在初始计算是，可取为下游平均水位的海拔高程 模型空化系数，各工况下的空化系数可从该型号水轮机的模型综合特性曲线查得。 水轮机的空化安全系数，根据技术规范，对混流式水轮机， =1.15第六节 最优方案的进出流水道计算一、转轮的计算 转轮可根据型谱中的流道单线图按比例放大再参照水电站动力设备手册得到：D1D2D3D4D5D6b0h1h2h311.0041.070.920.720.480.360.280.590.165.55.525.895.063.962.641.981.543.250.882、 蜗壳计3、 蜗壳进口断面进口断面流量式中：蜗壳包角；QR设计流量m3/s；进口断面流速式中：K金属蜗壳流速系数K=0.92；进口断面半径式中：Q0进口断面流量m3/s；v0进口断面流速m/s；进口断面中心距=式中：Da座环进水边直径m；K座环进水边间隙m；蜗壳进口断面半径m；h座环半高m；由进口断面尺寸求出蜗壳系数和蜗壳常数式中：蜗壳包角；a0蜗壳进口断面中心距m；蜗壳进口断面半径m；进口断面外径式中：a0蜗壳进口断面中心距m；蜗壳进口断面半径m；圆断面计算（式中：各参数含义见计算示意图；椭圆断面的计算当计算圆形断面半径S时，蜗壳由园断面过渡到椭圆断面。故 采用椭圆形断面。 椭圆短半径与圆的同等面积式中：座环蝶形边中心角；C蜗壳系数；其他参数含义见计算示意图；椭圆断面长半径椭圆断面中心距椭圆断面外径式中：各参数含义见计算示意图；具体计算见附表。蜗壳计算示意图D1D2D3D4D5D6b0h1h2h311.0041.070.920.720.480.360.280.590.165.55.525.895.063.962.641.981.543.250.88三、尾水管计算本电站选用弯肘形尾水管，由进中锥管、肘管和出口扩散段三部分组成。如下图所示，其尺寸按推荐