水电站规划设计.doc

水轮机课程设计学院：水电学院 班级：08水工本03班姓名：顾文钰学号：080290301目 录一、基本资料 41.1基本资料 41.2 设计内容 4二、机组台数与单机容量的选择52.1机组台数与机电设备制造的关系52.2机组台数与水电站投资的关系52.3机组台数与水电站运行效率的关系52.4机组台数与水电站运行维护工作的关系 52.5单位容量的选择 5三、水轮机型号、装置方式、转轮直径、转速、及吸出高度与安装高程的确定63.1 HL240型水轮机 63.1.1转轮直径D计算63.1.2转速计算 63.1.3效率修正值的计算73.1.4工作范围校核83.1.5吸出高度Hs的计算93.1.6装置方式 103.1.7安装高程的确定103.2 ZZ440型水轮机 103.2.1转轮直径D计算 103.2.2 转速计算 113.2.3效率及单位参数修正113.2.4工作范围的检验计算133.2.5 吸出高度Hs的计算143.2.6 装置方式143.2.7 安装高程的确定143.3 两种方案的比较分析 15四、水轮机运转特性曲线的绘制 164.1 基本资料164.2 等效率线的计算与绘制 164.3 出力限制线的绘制 184.4 等吸出高度线的计算 18五、蜗壳设计 205.1蜗壳型式的选择 205.2主要参数确定205.2.1 断面形状的确定 205.2.2 蜗壳包角的选择205.2.3蜗壳进口断面面积及尺寸 205.3 蜗壳的水力计算及单线图，断面图的绘制215.3.1 根据以选择的蜗壳断面形状，确定具体尺寸225.3.2 中间断面尺寸22六、尾水管设计236.1 尾水管型式的选择 236.2 尺寸确定及绘制平面剖面单线图 23七、发电机的选择 25八、调速设备的选择 268.1 调速器的计算 268.2 接力器的选择 268.2.1 接力器直径的计算 268.2.2 接力器最大行程的计算 268.2.3 接力器容量的计算 278.3 调速器的选择 278.4 油压装置的选择 27九、参考资料 27十、附图 28水 轮 机 选 型 设 计第一节 基本资料1.1基本资料某梯级开发电站，电站的主要任务是发电，并结合水库特性、地区要求可发挥水产养殖等综合效益。电站建成后投入东北主网，担任系统调峰、调相及少量的事故备用容量，同时兼向周边地区供电。该电站水库库容小不担任下游防洪任务。经比较分析，该电站坝型采用混凝土重力坝，厂房型式为引水式。经水工模型试验，采用消力戽消能型式。经水能分析，该电站有关动能指标为：水库调节性能 年调节保证出力 4万kw装机容量 16万kw多年平均发电量 42000 kwh最大工作水头 38.0 m加权平均水头 36.0 m设计水头 36.0 m最小工作水头 34.0 m平均尾水位 152.0 m设计尾水位 150.0 m发电机效率 96%-98%1.2设计内容水轮机是水电站中最主要的动力设备之一，它关系到水电站助工程投资、安全运行、动能指标及经济效益等重大问题，正确地进行水轮机选择是水电站设计中的主要任务之一。本次设计的内容有：（1） 确定机组台数与单机容量。（2） 确定水轮机的型号、装置方式、转轮直径、转速、吸出高度与安装高程。（3） 绘制水轮机运转特性曲线。（4） 确定蜗壳型式与尺寸。（5） 尾水管的型式与尺寸。（6） 发电机的选择。（7） 选择调速器与油压装置。第二节 机组台数与单机容量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，就可以拟订可能的机组台数方案，当机组台数不同时，则单机容量不同，水轮机的转轮直径、转速也就不同，有时甚至水轮机型号也会改变，从而影响水电站的工程投资、运行效率、运行条件以及产品供应。选择机组台数与单机容量时应遵守如下原则：2.1 机组台数与机电设备制造的关系机组台数增多，单机容量减少，尺寸减小，制造及运输较易，这对制造能力和运输条件较差的地区有利的，但实际上说，用小机组时单位千瓦消耗的材料多，制造工作量大，所以最好选用较大容量的机组。2.2 机组台数与水电站投资的关系当选用机组台数较多时，不仅机组本身单位千瓦的造价多，而且相应的阀门、管道、调速设备、辅助设备、电气设备的套数增加，电气结构较复杂，厂房平面尺寸增加，机组安装，维护的工作量增加，因而水电站单位千瓦的投资将随台数的增加而增加，但采用小机组时，厂房的起重能力、安装场地、机坑开挖量都可以缩减，因而有减小一些水电站的投资，在大多数情况下，机组台数增多将增大投资。2.3 机组台数与水电站运行效率的关系当水电站在电力系统中担任基荷工作时，引用流量较固定，选择机组台数较少，可使水轮机在较长时间内以最大工况运行，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，需要更多的机组台数。2.4 机组台数与水电站运行维护工作的关系机组台数多，单机容量小。水电站运行方式就较灵活，易于调度，机组发生事故产生的影响小，检修较易安排，但运行、检修、维护的总工作量及年运行费用和事故率将随机组台数的增多而增大，故机组台数不宜太多。上述各种因素互相联系而又相互对立的，不能同时一一满足，所以在选择机组台数时应针对具体情况，经技术经济比较确定。遵循上述原则，该水电站的装机容量为16万kw，由于1.5万kw16万kw25万kw，该水电站为中型水电站，并担任系统调峰、调相及少量的事故备用容量，同时兼向周边地区供电。且宜选用偶数机组台数（两个合用一个变压器，方便变电和配电）：4台。2.5 单位容量的选择:单机容量N=16万4=4万KW,水轮机额定出力: (：发电机效率：96%-98%,取96%)即 =N98=4000096=41666.7KW。第三节 水轮机型号、装置方式、转轮直径、转速、及吸出高度与安装高程的确定根据该水电站的水头变化范围34.0 m38.0 m，参照水电站表3-3和表3-4的水轮机系列型普表查出合适的机型有HL240型水轮机（适用范围2545）和ZZ440型水轮机（适用范围20-40）两种。现将这两种水轮机作为初步方案，分别求出其有关参数，并进行比较分析。3.1 HL240型水轮机表3-1叶片数导叶相对高度最优单位转速限制工况单位流量气蚀系数模型直径140.365721.240.200.463.1.1 转轮直径D计算由表3-1可得HL240型水轮机在限制工况下的单位流量，效益，由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流益,效率 。上述的、=41666.7KW 、和Hr=36.0带入选用与之接近而偏大的标称直径=4.6m.3.1.2 转速计算 式中： 由表3-1查得在最优工况下的=72.0，初步假定。 r/min上式中： 单位转速采用最优单位转速 r/minH采用设计水头，36.0m采用选用的标准直径=4.6m采用与其接近的同步转速n= 93.8r/min，磁极对数p=323.1.3 效率修正值的计算由水利机械附表1查得HL240 在最优工况下最高效率为92.0%，模型转轮直径=0.46m，所以原型水轮机的最高效率可采用下式计算，即 =1-（1-0.92）=0.95.0=95.0则效率修正值为，考虑到制造水平的情况，常在以求得的中再减一个修正值，取=0.2；则效率修正值为 =0.95-0.92-0.002=0.028由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为=0.92+0.028=0.948（与上述假定相同） 单位转速的修正值按下式计算:=0.0150.03由于0.03， 按规定单位转速可不加修正，同时，单位流量Q也可不加修正。由上可见，原假定的， ,是正确的，那么上述计算及选用结果=4.6m和n=93.91r/min也是正确的。3.1.4 工作范围校核在选定=4.6m，n93.91r/min后，水轮机的最大的及各特征水头相对应的即可计算出来水轮机在Hr=36.0、Nr=41666.7下工作时，其相应的最大单位流量即为，故: =1.00-4m3.1.6 装置方式：采用立轴安装方式3.1.7 安装高程的确定：由立轴混流式HL240水轮机=150.0+1.624+4.60.365/2=152.46m所以，HL240型水轮机方案的吸出高度满足电站要求H. 3.2 ZZ440型水轮机表3-2叶片数导叶相对高度最优单位转速限制工况单位流量气蚀系数模型直径实验水头60.3751151.030.380.650.463.53.2.1 转轮直径D计算 式中N,H均同前.对于值,可由表3-2查得该型水轮机在限制工况下的=1030L/S.但在允许的吸出高为-4m时,则相应的装置气蚀系数为 -=在满足-4m吸出高度的前提下，值可在ZZ440型水轮机主要综合特性曲线中可查得选用工况点（，）处的单位流量为1030。同时可查得该工况点的模型效率=88.4，并据此可以初步假定水轮机的效率为92。将以上的各参数值代入， =4.56m基本符合标准直径,故选用直径=4.6m3.2.2 转速n计算水轮机的转速为: n=150.0r/min 选用与之接近而偏大的同步转速n=150r/min.磁极对数p=203.2.3 效率及单位参数修正对于轴流转浆式水轮机，必须对其模型综合特性曲线图上的每个转角的效率进行修正。当叶片转角为时的原型水轮机最大效率可用下式计算,根据表3-2知、，并已知=4.6m，H=36.0m，带入上式则得:叶片在不同转角时的可由模型综合特性曲线查得，从而可求出相应的值的原型水轮机的最高效率。当选用效率的制造工艺影响修正值时，即可计算出不同转角时的效率修正值。其中计算结果如下表(3-3):表3-3 ZZ440型水轮机效率修正值计算表叶角转角（）-10-50+5+10+15（%）80.083.886.085.283.079.8（%）87.089.591.090.489.086.9（%）7.05.75.05.26.07.1（%）6.04.74.04.25.06.1由r/min及查得ZZ440型水轮机最优工况的模型效率为=90.40。由于最优工况接近于等转角线，故可采用作为其修正值，从而可得原型最高效率为：=90.4%+4.2%=94.6已知在吸出高度-4m限制的工况点（，=1030）处的模型效率为=88.4,而该工况点处于和等转角之间，用内插法求得该点的效率修正值为=4.10%，由此可得该工况点的原型水轮机效率为： =88.4%+4.10%=92.50(与上述假定的效率=92相近。) 由于：-1=-1=0.0227-4m所以，ZZ440型水轮机方案的吸出高度满足电站要求3.2.6 装置方式：采用立轴安装方式3.2.7 安装高程的确定：立轴轴流式水轮机=150.0-3.78+0.3964.6=148.04m3.3 两种方案的比较分析为了便于分析比较,现将上述两种方案的有关参数列表如下:表3-2 水轮机方案参数对照表序号项目HL240ZZ4401模型转轮参数推荐使用的水头范围（m）254520402最优单位转速721153最优单位流量124010304最高效率92895气蚀系数0.1950.426原型水轮机参数工作水头范围（m）34.038.034.038.07转轮直径4.64.68转速93.91150.09最高效率94.894.610额定出力41666.741666.711最大引用流量126.96130.7712吸出高度1.62-3.7813安装高程ZA152.46148.04从上列对照表来看,两种不同型号的水轮方案在同样水头下的同时工作满足额定出力的情况下,两者比较来看,HL240包含了较多的高效率区,气蚀系数小，安装高程较高等优点,这可以提高水电站的年发电量和减少厂房的开挖量;而ZZ440型方案的优点仅表现在水轮机的转速高,有利于减小发电机尺寸，降低发电造价，但这种机型的水轮机极其调节系统的造价较高。由此看,若在制造供货方面没有问题时,初步选用HL240型方案较为有利.在技术设计阶段,尚需要计算出个方案的动能指标和经济指标,进一步进行分析比较,以选出合理的方案. 本设计就采用HL240型号的水轮机.第四节 水轮机运转特性曲线的绘制4.1 基本资料 转轮的型式 HL240型,主要综合特性曲线图3-1; 转轮的直径和转速 =4.6m,额定转速n=93.91r/min; 特征水头 =38.0m, =34.0m, =36.0m, 水轮机的额定出力 =41666.7kw 平均尾水位 152.0 m设计尾水位 150.0 m安装高程 152.46m效率修正值为 =95.0%-92%-0.2%=2.8%4.2 等效率线的计算与绘制 由于水电站的水头变化范围较小,现取水轮机工作范围内3个水头,列表4-1分别进行计算.依据表4-1中的数据绘制对应每个H值的效率特性曲线，如图4-1所示。在该图上作出某效率值的水平线，它与图中各等H线相交，绘制HN坐标图，连成光滑曲线，既得出等效率线，如图4-2。表4-1 HL240型水轮机等效率曲线计算表=34.0m(%)(%)(%)(%)(%)(%)870.8389.836.22870.84 89.833.82870.8589.831.41880.8690.837.97880.8790.835.42880.9090.833.63890.9191.840.62890.9391.838.28890.9591.835.89900.9492.842.42900.9692.839.95900.9792.837.04910.9893.844.70911.0093.842.06911.0293.839.37911.1893.853.83911.2193.850.89911.2193.846.70901.2292.855.06901.2392.851.18901.2592.847.73891.2491.855.36891.2691.851.87891.2791.847.98881.2890.856.52881.2990.852.52881.3190.848.95871.3189.857.21871.3289.853.15871.3489.849.52861.3488.857.87861.3588.853.75861.3688.849.70851.3587.857.64851.3787.853.94851.3887.849.8682.51.4185.358.4982.51.4285.354.3182.51.4385.350.19图4-1 HL240型水轮机效率特性曲线图4-2 HL240型水轮机运转等效率曲线4.3 出力限制线的绘制出力限制线表示水轮机在不同水头下实际允许发出的最大出力。由于水轮机与发电机配套运行，所以水轮机最大出力受发电机额定出力和水轮机5%出力储备线的双重限制。依据表4-2绘制出力限制线，如图4-2。表4-2 5%出力限制线上的点89.51.2392.355.21901.2392.851.1890.51.2393.347.224.4 等吸出高度线的计算取3个水头,计算数据列表4-3分别进行计算.1、绘制辅助曲线，如图4-3所示。2、求出各水头下的值，并在相应的模型综合特性曲线上查出水平线与各等气蚀系数线的所有交点坐标，,值，填入下表。3、在辅助曲线上查出相应于上述各的N值，填入下表。4、利用公式计算出相应于上述各的值，填入下表。5、根据表中对应的，值，做出曲线，如图4-4所示。6、在图上任取值，做水平线与曲线相交，记下各交点的、N值，绘于HN坐标图上，将各点连成光滑曲线即为等吸出高度线。表4-3 HL240水轮机等吸出高度线计算表H(m)N(MW)(m)38.0=0.02970.130.210.8529.640.2399.0820.7490.201.0036.150.2298.7021.1290.201.2243.640.2298.7021.1290.211.3245.510.2399.0820.7490.221.3645.790.2499.4620.3690.231.3745.900.2599.842-0.0110.241.3846.010.26910.222-0.39136.0=0.03072.000.210.8426.810.2408.641.1910.200.9631.660.2308.281.5510.201.2841.460.2308.281.5510.211.3242.130.2408.641.1910.221.3642.680.25090.8310.231.3742.750.2609.360.4710.241.3842.810.2709.720.11134.0=0.03274.080.210.8323.530.2428.2281.6030.200.9528.450.2327.8881.9430.201.2938420.2327.8881.9430.211.3339.100.2428.2281.6030.221.3539.320.2528.5681.2630.231.3639.390.2628.9080.9230.241.3739.450.2729.2480.583图4-3辅助曲线 图4-4 辅助曲线第五节 蜗壳设计5.1 蜗壳型式选择 由于本水电站水头高度小于40m，所以采用混凝土蜗壳。5.2 主要参数确定5.2.1 断面形状的确定 由于水轮机为中型水轮机，由相关资料确定，考虑在蜗壳顶部布置调速接力器的方便选择平顶梯形断面，即 当时，选取；选择；由水利机械附录二水轮机标准座环尺寸系列查取：座环内直径Db=5.5m，即rb=2.75m；座环外直径Da=6.35m，即ra=3.18m。 5.2.2 蜗壳包角的选择 混凝土蜗壳，选取5.2.3 蜗壳进口断面面积及尺寸表5-1设计水头，5102030405010.8550.8270.8230.8220.82与水头及蜗壳材料有关的系数，按表5-1查用。进口断面流速： =0.8224=4.93(m/s)表5-2 水轮机具体数据转轮直径设计水头设计流量座环相对高度座环高度外直径内直径4.6m36.0m131.240.3651.21m6.35m5.5m进口断面流量: 按公式计算确定蜗壳进口断面面积: 5.3 蜗壳的水力计算及单线图，断面图的绘制图5-15.3.1 根据以选择的蜗壳断面形状，确定具体尺寸 如图5-1所示。5.3.2 中间断面尺寸顶角的变化规律采用直线变化规律，则： 进口断面的最大半径： =3.18+4.00=7.18m 在至之间设不同的，求出、，计算见表5-1。根据表5-1绘制辅助曲线5-1，根据需要，选定若干个（每隔）由图5-1查出相应的及其断面尺寸，如表5-2所示。便可绘制蜗壳平面单线图,如图5-2。进口宽度取=7.18+4.6=11.78m。表5-1 中间断面尺寸计算7.186.66.15.65.14.64.13.6备注4.003.422.922.421.921.420.920.42=-6.405.4724.6723.8723.0722.2721.4720.6726.085.1984.4383.6782.9182.1581.3980.638=20.6515.0911.007.564.762.611.090.232701962041026435153表5-2 R关系编号1234567角度27022518013590450半径R(m)6.846.66.25.75.24.63.18第六节 尾水管设计6.1 尾水管型式的选择 图6-1 尾水管的形式很多，最常用的有直锥 形、弯锥形和弯肘型三种型式，本设计中尾水管型式采用弯肘形。弯肘形尾水管由进口直锥段、中间肘管段和出口扩散管三部分组成。6.2 尺寸确定及绘制平面剖面单线图如图6-1HL240的转轮流道尺寸图。1、进口直锥段，采用，HL240取单边扩散角2、肘管段：，可不设金属里衬，采用推荐的尾水管尺寸，列表6-2。3、出口扩散段：底板水平，仰角，设支墩，支墩厚度采用m4、尾水管高度：由,最低不得小于。5、尾水管的水平长度：6、查表计算：，取可得： 7、由表6-1和表6-2中尺寸绘制尾水管平面剖面和单线图，如图6-2所示。表6-1 混凝土推荐的尾水管尺寸表2.64.52.721.351.350.6751.821.22L11.9620.7012.516.216.213.118.375.61表6-2 混凝土标准肘管尺寸表1.01.02.0150.360.861.0950.60.180.696.216.2112.512.245.346.803.731.124.28第七节 发电机的选择由于n=93.91r/min150r/min，采用伞式发电机。利用水电站机电设计手册发电机参数及外形尺寸表选用SF45-56/900发电机。SF45-56/900发电机相关参数如下：型式：SF45-56/900半伞式；额定容量：Sf=53000KVA,Nf=45000KW；功率因数cos=0.85；额定电压：U=10500V；转速： =91.27r/min, =96.49r/min；飞轮力矩：；推力轴承负荷：；重量：转子GZ=250T，定子Gd=109T，总重GF=500T；定子铁芯主要直径：外径Da=9m，内径Di=8.42m，长度Lt=1.35m；定子机座高度：h1=2.59m；上机架高度：h2=0.838m；推力轴承高度：h3=0.87m；后力磁机高度：h4=2.07m;永磁机及转速继电器高度：h6=0.455m；下机架高度：无参数；定子支承面至下机架支撑面距离：h8=0.785m；下机架支承面至法兰盘距离：无参数；转子磁轭轴向高度：h10=1.98m；发电机主轴高度：h11副2.035，主7.026.5m；定子水平中心线至法兰底面距离：h12=6.12m；法兰盘底面至法