水电站设计.doc

本科学生毕业论文 2012 年 5 月 10 日 论文题目： 绿桦水电站设计 学 院：水利电力 年 级：2008 级 专 业：水利水电工程 姓 名：刘欢 学 号：20082865 指导教师：于奎 i 摘要 绿桦水电站位于黑龙江省绿桦市境内的公别拉河中游，是一座以发电为主，结合 养鱼、拦洪、旅游综合利用，多年调节大型水库、中型水电站。 该工程挡水建筑物为沥青混凝土心墙堆石坝，泄水建筑物为溢洪道，设计洪水位 为 343.1m，相应的下泄流量为 1077m3/s；校核洪水位为 343.8m，相应的下泄流量为 1242m3/s，正常蓄水位为 342.2m，设计低水位为 326.0m. 本枢纽坝顶全长 646m，最大坝高 36m，顶宽 5m，溢洪道建在右岸垭口处，由引水渠， 控制段，泄槽段，消能段和尾水段五部分组成。 该工程采用引水式水电站布置方式，通过计算选用了混流式水轮机型，转轮直径 为 1.4m，转速为 500r/min。安装水轮发电机组 4 台， 单机容量 9473.7kw，总装机容 量为 3.6 万 kw。主厂房宽为 12.6m，长为 41.6m，副厂房长度：25.96m，宽度 14.3m。 本设计还包括机墩的结构设计。 关键词 引水式水电站；沥青混凝土心墙堆石坝；水轮机；发电机；进水口；厂房 ii abstract lv-hua hydroelectric station is located on long-quan stream which is the first hydroelectric station of the upper mainstream of ou river. the primary effect of the whole engineering is generating electricity that also meets the demand of shipping, drift wood, flood control and etc. this engineering use concrete gravity dam to prevent the water and overflowing dam to sluicing. the design water level is 343.1m ,its corresponding flow amount is 1077m3/s .the check level is 343.8m ,its corresponding flow is1242m3/s.the regular water retaining level is342.2m .the crest elevation of the non-over-fall dam is 326.0m , this engineering uses such disposal that the hydroelectric station is behind the dam. we choose the mixed hydraulic turbine, whose diameter is 1.4m and r.p.m is 500r/min. one of generator has 9473.7 kw electricity. it is ensured to generate 36000 kw electricity. the width of the main power house is 12.6m,the length is41.6m. the width of other kinds is 14.3m the length is 25.96m. this design concludes the penstock embeded in dam. key words power station at the toe of the dam; concrete gravity; overflow spillway; turbine; generator; intake; powerhouse 目录 摘要 .i abstract.ii 前言.1 1. 综合说明.2 1.1 基本资料 .2 1.1.1 基本情况.2 1.1.2 用电规划.3 1.1.3 气象资料.4 1.1.4 径流资料.5 1.1.5 洪水资料.7 1.2 地形地质资料 .10 1.3 天然建筑材料 .12 2. 枢纽布置.13 2.1 坝址与坝型的选择 .13 2.1.1 坝址的选择.13 2.1.2 坝型的选择.13 2.1.3 建筑材料.14 2.2 枢纽建筑物的组成 .14 3. 主要机电设备选择.15 3.1 基本资料 .15 3.1.1 机组台数选择和单机出力.15 3.1.2 水头.15 3.2 水轮机的选择 .16 3.2.1 水头范围是.16 3.2.2 转轮直径计算.16 3.2.3 转速的计算 .17 n 3.2.4 效率及单位参数修正.17 3.2.5 工作范围的检验.18 3.2.6 吸出高度计算.18 3.3 计算安装高程 .19 3.4 水轮机几何参数选择 .19 3.5 水轮机的进出水设备 .19 3.5.1 进水设备蜗壳.19 3.5.2 出水设备尾水管.21 3.6 水轮机辅助设备的选择 .22 3.6.1 调速器.22 3.6.2 主阀：选用蝴蝶阀 .23 3.7 发电机的选择 .23 3.7.1 发电机型号的选择.23 3.7.2 发电机的外型尺寸及参数 .23 4. 引水系统设计.24 4.1 基本资料 .24 4.2 引水隧洞的布置设计 .24 4.3 进口的布置设计 .24 4.4 引水隧洞的水力计算 .25 4.4.1 水头计算.25 4.5 调节保证计算 .29 4.5.1 水锤波速的计算.29 4.5.2 求水击压力.30 4.6 求机组转速的不均衡率.32 4.7 调压室水力设计 .33 4.7.1 调压室的型式.33 4.7.2 调压室最小稳定断面的确定.34 4.7.3 调压室水力计算.34 5. 水电站厂房.37 5.1 枢纽设备资料 .37 5.2 进水和出水设备资料 .37 5.3 水文气象资料 .37 5.4 主厂房的布置 .37 5.4.1 主厂房高度方向布置.37 5.4.2 桥式吊车选择.39 5.4.3 主厂房长度的布置.39 5.5 主厂房宽度的布置 .40 5.5.1 发电机层上游侧宽度 b1.40 5.5.2 发电机层上游侧宽度 b2.40 5.6 副厂房的布置 .41 5.7 厂房的结构设计机墩的结构设计 .41 5.7.1 基本资料.41 5.7.2 荷载的计算和荷载组合.42 5.7.3 内力计算.44 5.7.4 机墩的动力计算.46 结论.50 参考文献.51 致谢.52 绿桦水电站设计 1 前言 绿桦水电站位于黑龙江省绿桦市境内的公别拉河中游，地理坐标是东经 126 3012730，北纬 49405010。据绿桦村 5km，距哈拉台河入口以上 1km，公别拉河，河谷深切狭窄，河道平均坡降 5该电站可设计成一座以发电为主， 结合养鱼、拦洪、旅游综合利用，多年调节大型水库、高水头中型水电站。建成后 将承担起北安地区的全部用电，并可解决北安火电站的远距离输电问题。属于多年调 节大型水库、中型水电站。 本次毕业设计的主要内容是绿桦水电站的布置设计，主要包括电站枢纽布置；坝 轴线坝型选择坝址选择、坝型选择、枢纽布置；水力机械基本数据，机组机 型的选择； 进水建筑物设计；引水建筑物设计；调节保证计算； 水电站厂房尺寸设计。 随着我国国民经济的发展，必然促使水电的大发展，可以预计 21 世纪是我国水电 工业大发展的世纪。水能是可再生的，清洁的能源，一旦建成，长久受益。水利事业 的建设者为我们提供了许多水电站建设方面的宝贵经验，作为年轻的一代我们应该继 承和发扬他们所留下的，充分利用他们提供的宝贵资料，为我们今后的水电站设计做 好铺垫。 绿桦水电站设计 2 1. 综合说明 1.1 基本资料 1.1.1 基本情况 （1）工程地理位置 绿桦水电站位于黑龙江省黑河市境内的公别拉河中游，据绿桦村 5km，厂房位于 青春河入口 1km 处。坝址位于绿桦村上游 33km 处，距哈拉台河入口以上 1km，控制 流域面积 1668km2。 （2）流域情况 公别拉河为黑龙江中游右侧的一条支流，发源于小兴安岭山脉大黑山峰东麓，由 西向东汇入黑龙江。河流全长 147km，流域面积 2700km2，河道平均坡降 3，总落 差 460m。全流域均在黑龙江市内（见图 11） 。其地理坐标是东经 126 30127 30，北纬 49 4050 10。源地最高山峰 867m，河口仅 120m。 本流域两峰支流分布较均匀，多数短而湍急，水形呈网枝状。上游森林密布，植 被良好，山谷狭窄；义气罕河口至团山子段，山谷逐渐开阔，河道弯曲，两峰多湿地， 有少量耕地。从团山子河到绿桦水文站是本河流的中段，是一个 30km 的大甩弯，河 谷深切狭窄，河道平均坡降 5，水流湍急。绿桦水文站以下，为本河流的下游，河 谷开阔平坦，有大片农田。 （3）黑河地区经济概况 黑河地区位于黑龙江省北部边境地区，全区辖三市（黑河、北安河五大连池）四 县（孙吴、逊克、德都和嫩江）总面积 68276km2，其中林地 6210 万亩，耕地 1883 万 亩，可垦荒地 220 万亩。境内森林资源丰富，林木蓄积量大；商品粮率高；矿产和水 力资源丰富。境内有黑龙江和嫩江两大水系的大小河流 612 条；已查清：水能资源 75 万千瓦，年发电量可达 18 亿度。境内的矿产资源有：金、煤、珲瑙石、石灰石、珍珠 岩等 20 多种。 1993 年全区工农业总产值 28.2 亿元中，工业占 31.5%，农业占 68.5%；在地方工 农业总产值 70037 万元中，工业占 37%，农业占 63%。规划到 1995 年和 2000 年全区 国民经济总产值将分别达到 32.6 和 46.8 亿元。 绿桦水电站设计 3 1.1.2 用电规划 黑河地区属北安电网供电范围，该网于 1983 年 11 月与东北主网联接。北安电网 内各发电厂总装机容量为 71550kw， （其中北安火电厂装机容量 65500kw） ，1983 年发 电量为 3.478 亿度，最大负荷利用小时数为 2629 小时。网内电源点的额定容量仅能按 6 万 kw 的负荷供电，而实测的最高负荷为 12.1 万 kw，发电能力缺少一半，且无水电 调峰电源。为适宜本地区国民经济发展的需要，应该优先安排水电调峰电源。 北安火电厂为北安电网的主要电厂，1983 年发电标准煤耗率为 591 克/度，单位产 品成本 72.18 元/千度，产品总成本 2389.2 万元，而工业总产值 2351.0 万元，系高耗亏 损单位，故将逐步改为备用和辅助电源。北安电网电力供应将逐步移向富拉尔基二厂， 送电距离 480km，形成南电远距北送的不合理局面，从长远看，北安网内调峰电源更 需进快解决。 为适应全地区工农业总产值每年以 7.5%的速率递增，相应的年用电量增长率预计 为 8.6%，1993 年的供电量为 10.54 亿度。 推算电力系统总负荷时，输电线路损失和厂用电率采用 12%最大负荷，利用小时 数为 6000，夏季进静态下降系数采用 0.7。 北安电网设计典型负荷曲线，见表 11 至 14。 表 11 北安电网春季（2 月4 月）典型日负荷值 时 间（h）12345678 供电负荷(103kw)65.564.565.565.570.772.894.693.6 时间（h）910111213141516 供电负荷(103kw)73.868.669.768.668.671.873.892.6 时间（h）1718192021222324 供电负荷(103kw)96.710410498.890.584.272.872.8 表 12 北安电网夏季（5 月7 月）典型日负荷值 时间（h）12345678 供电负荷(103kw)61.16061.161.1666888.387.3 时间（h）910111213141516 供电负荷(103kw)68.96465646466.968.986.3 时间（h）1718192021222324 绿桦水电站设计 4 供电负荷(103kw)90.297979284.478.66868 表 13 北安电网秋季（8 月10 月）典型日负荷值 时间 （h）12345678 供电负荷(103kw)62.46162.462.467.369.39089.1 时间（h）910111213141516 供电负荷(103kw)70.365.366.365.365.368.370.388.1 时间 h）1718192021222324 供电负荷(103kw)92.1999994.186.180.26969 表 14 北安电网冬季（11 月1 月）典型日负荷值 时间（h）12345678 供电负荷(103kw)6362636368709190 时间（h）910111213141516 供电负荷(103kw)7166676666697189 时间（h）1718192021222324 供电负荷(103kw)931001009587817070 1.1.3 气象资料 本流域属寒温带气候，夏季多雨，冬季寒冷而漫长，冬季温差很大，多年平均气 温0.3，夏季最高气温 36.5，冬季最低气温-44.5。流域多年平均降水量 550mm 左右，年内降水主要集中在 59 月份，占年降水量的 87%以上。 河流冰冻期从 10 月末到次年 4 月下旬，平均 160d 左右，最大冰冻厚达 1.80m， 最大冻土深度可达 2.2m。多年平均无霖期 124d，霜期最早日期为 9 月 6 日，最晚终止 日期为 5 月 26 日。 流域内冬季多西北风，夏季多西南风和东南风，多年平均风速为 3.9m/s，最大风 速为 26.7m/s，汛期最大风速为 18m/s。 主要气象要素见表 1-5，其中降雨量为绿桦站资料，气温及风速为黑河站资料。 表 1-5 公别拉河流域气象 月份 项目 一二三四五六七八九十十一十二全年 降雨 平均3.53.47.925.056.591.8141.1 120.668.620.18.06.8551.6 绿桦水电站设计 5 最大9.711.425.263.6164166.3 252.4 311.2 142.4643.124.816.8686.1量 （毫 m） 最小0.100.71.610.628.624.339.522.10.101.2383.1 平均 -23.9 -19.7-9.12.711.217.720.418.011.31.6-12.1 -22.1 -0.3 最高 -6.43.21026.235.737.736.5 32.729.925.213.2-3.737.7 气温 () 最低 -44.5 -40.9 -33.3 -19.4-6.21.26.14.6-6.4-19.2-32.1 -39.4-44.5 平均4.14.04.75.14.43.72.93.13.94.13.93.63.9 最大1714242426.71812162018141626.7 风速 （m/ 秒） 风向 nwnwnwssessessw sw ene sw sw nw wnwnwnwssw 1.1.4 径流资料 绿桦水电站厂房下游 4km 处有绿桦水文站，该站自 1956 年 8 月至 1983 年，共有 27a 实测水文资料。据此资料用面积比方法移至坝址后进行参数计算，多年平均流量 9.92m /s，多年平均径流总量 3.13 亿 m ，多年平均径流深 188mm。年径流参数计算 33 成果见表 1-6。 蒸发量资料移用黑河气象站资料，用水量平衡法计算。多年平均水库水面蒸发增 损值为 467.5mm，约分配见表 1-7。 坝址处年月平均流量见表 1-8。 表 1-6 绿桦水电站坝址年径流成果表 流量：m /秒 3 系 列设计值 p（%） 起讫年份n 控制面 积 多年平均 流量 cvcv/cs线形 10152050758590 195719832716689.920.502.0p 16.6 14.9 13.7 9.13 6.35 5.16 4.35 表 1-7 绿桦水电站水库蒸发增损月分配表 项目 月份一二三四五六七八九十十一 十二 全年 蒸发月增损值（mm）3.35.619.6 51.9 91.2 85.5 69.2 55.6 43.0 30.98.92.8467 月分配0.71.24.211.1 19.5 18.3 14.8 11.99.26.61.96.6100 表 1-8 绿桦电站坝址处年月流量 f=1668km 表单位：m /s 23 月 年 一二三四五六七八九十十一十二 平均 值 19566.3531.619.04.770.4810.3 绿桦水电站设计 6 5700014.59.177.3813.423.535.714.85.130.3516.4 580.076 0.0089014.037.318.114.246.542.519.83.180.2613.4 590.02000.7033.803.173.5217.446.857.419.57.480.489.17 600.0240019.212.939.08.426.9214.787.242.170.449.88 610.0890020.99.265.128.3432.030.49.701.870.4510.9 620.068006.456.263.1023.621.353.811.92.750.30312.0 630.01600.05116.116.212.522.150.314.97.532.690.4185.33 640.0860.06108.0810.624.79.264.103.902.860.510.0243.44 650002.917.492.784.318.587.755.551.420.18711.8 660.01200.00513.715.817.550.123.39.975.953.050.743.4 续表 5 绿桦电站坝址处年月流量 f=1668km 表单位：m /s 23 月 年 一二三四五六七八九十十一十二平均值 1967 0.0510020.826.537.225.522.316.18.343.130.2945.27 680.0330.0010.2511.69.7914.18.999.175.292.811.150.08616.4 6900028.912.68.6823.874.935.88.401.910.2766.42 700004.4712.63.738.128.2625.812.80.770.027.21 7100014.628.820.13.397.306.953.801.200.10714.7 720005.507.9528.235.015.825.232.63.680.6710.6 730.38300.0225.6581.423.410.65.854.733.300.810.2763.31 740005.144.149.615.233.685.984.231.240.1686.11 7500012.813.410.911.710.76.385.891.320.1168.07 760002.819.88.9925.425.68.633.930.7210.0825.14 77000.0044.5110.26.4416.814.84.632.800.6680.12311.0 780.01100.00410.823.516.449.413.310.85.171.680.1947.81 790.0040016.86.8920.511.57.8021.96.941.100.47611.0 800.062005.796.0941.327.910.530.28.131.830.42313.0 810.082003.5439.324.435.534.810.84.761.350.2737.70 820.01900.00310.830.23.991.1117.08.906.182.590.54718.0 830.1720.0480.05437.053.227.620.574.946.111.23.541.01 840.2200.0670.082 绿桦水电站设计 7 总数 1.428 0.1859 1.176 341.09 484.77 439.24 521.56 566.31 576.81 255.11 63.719 10.273 267.76 平均 0.0510.0070.04212.618.016.3 19.320.020.69.112.280.3179.92 （% ） 0.040.010.0410.615.1413.716.2417.017.337.661.920.31100 1.1.5 洪水资料 流域内大洪水多发于夏季 7、8 月份，系由暴雨形成。根据历史洪水调查，公别拉 河自 1896 年以来，近 90 年间共发生三次较大的洪水为 4896、1922、1953 年。其中 1953 年为最大一次，洪峰流量为 1330m /s。 3 洪峰、洪量均采用历史洪水 1953、1922 年和 19561983 年连续系列组成的不连 续系列进行频率计算/频率曲线采用 p型，用绘线读点补距法计算频率曲线的统计 参数，经适线比较采用 cs=2.5cv，经单站及地区和例行检查和分析后，最终确定参数。 洪峰采用面积比的 2/3 次方，洪量采用面积比的 0.8 次方移到坝址。洪峰、洪量计算成 果见表 1-9。 分期洪水根据施工设计的要求，以绿桦水文站 19561983 年实测洪水资料进行频 率计算，分别给出各分期洪峰流量各种频率设计值，并用面积比的 2/3 次方推到各工 程地点，成果见表 1-10。 设计洪水过程线根据电站工程设计和下游防洪的要求，选择峰高最大，峰型集中 及资料较完整，精度较高的实测 1966、1978 年洪水过程线作为典型，采用峰量同频率 控制放大（、控制）成果见表 1-11、表 1-12。坝址及厂房出口水位流量关qm s ww1 系曲线见表 1-13 及表 1-14。 表 1-9 绿桦水电站设计洪水成果表 单位：qmm /s， w10 m 363 系 列设计值 p(%) 地点项目 nna 均值cvcs/cv 0.050.10.20.51251020 m q62683431.262800 2490 2190 1790 1500 1220855595362 w162315.1 1.042.513312010789.276.363.346.7 34.6 23.0 厂房 f=1 km 2 w2628337.4 0.902.527324722218816313810580.4 55.7 m q2590 2300 2030 1660 1390 1130791551335 坝址 f=1668 km 2 w112110997.581.369.557.742.5 31.5 21.0 绿桦水电站设计 8 w224922520217114812697.5 73.2 50.7 表 1-10 绿桦水电站坝址分期洪峰流量表 洪峰流量：m /s 3 频率 p（%） 洪峰流量(分期) 3.35102050 四 月 3.2427720314087.3 五、六月48139326517175.8 七、九月94479155133511.0 十 月85.173.655.037.117.4 十一 月26.222.116.210.55.86 表 1-11 绿桦电站一九六六年坝址设计洪水过程线 单位：m /s 3 1966 年典型过程线 设计值 p（%） 月 日时流量0.050.10.20.512510 7 1819160556504454390341297261206 22214744675608522456417329267 1240835756682585512465357275 43001040946852731640517474287 73631100992891747642536400301 10593259023002030166013901130791551 135131550140012501052906756565425 16431130011801060887762637475358 19416126011401020857736614459345 2240112101100984825709592442333 20137211201020913766658549410309 43581080978879737633529395297 73101050957860712617526382287 102821010909821688602523369277 13269936848764660578508356267 16238828750676590518452344257 19219792690622544477416334248 22200696630568498437381307237 211194675611551483424670299228 4177616558503432378329273219 7164570517466400350304254211 绿桦水电站设计 9 10153532482435373326284238205 13147512463417358314273230200 16139483438395439296258218289 表 1-12 绿桦电站一九七八年坝址设计洪水过程线 单位：m /s 3 1978 年典型过程线 设计值 p（%） 月 日时流量 0.050.10.20.512510 7 71045