合肥工业大学 水电站课程设计.docx

1.水利工程概况1.1工程综合说明合肥是安徽省的政治、经济、文化中心，也是全国重要的科教基地，位于江淮之间，正以“快速、健康、持续”发展为目标，逐步建成全方位、多功能、综合性的现代化大城市。董铺水库位于南淝河上游，HF西北部，流域面积207.5平方公里，水质良好，是合肥的优质供水源。HF市已动工兴建的大房郢水库，可与董铺水库联合运行，对流域内优质水加大了调节度，但因两库天然来水量少，依然无法满足合肥市对优质水的需要量。九五年以来，利用董铺水库和淠史杭灌区的滁河干渠相通的特点，已从P灌区引水入肥。供水工程，就是修建供水专线，连接董铺水库、大房郢水库和其上游的三大水库。从淠史杭灌区总干渠把产自大别山的天然优质水引入供水专线，经南淝河，入董铺水库，源济合肥市的城市供水，实现合肥市供水工程规划提出的目标。1.2 水文气象及自然地理供水工程地处安徽省淠史杭灌区内，界于滁河干渠与大蜀山分干之间。淠史杭灌区位于东经116.4。至117.6。，北纬31.5。至32.5。，地处安徽省中西部地区，辖六安地区的寿县、六安、舒城、合肥市的肥东、肥西、长丰等县市，是一个以灌溉为主，兼营水力发电、城市供水、航运、水产和多种经营的大型综合利用水利工程。灌区周边：西抵淠河；北以22.5米高程的沿淠洼地、正南洼地、寿西湖洼地和瓦埠湖的边缘以及朱集、庄墓提灌区为界；东边与炉桥、驷马山两提灌区接壤；南以杭埠河灌区以及肥西、肥东、合肥市郊区的沿巢提灌区为界。供水工程所属的淠史杭灌区，地处湿润季风气候带。其特征是：季风显著，雨量集中。灌区气候受冷锋、低涡及台风等因素影响，冬冷夏热，四季分明，无霜期较长，光、热、水配合良好，适宜各类农作物生长。由于本域属于气候上的过渡带，年际间季风强弱程度不同，进退的早迟不一，因而年际气候变化较大，造成雨水不均，常引起旱涝灾害。据气象站资料，本地区多年平均气温为14.615.6。一年中最热是7月份，月平均气温为27.228，极端最高气温多年平均38左右；最冷是1月份，月平均气温1.4，多年平均极端最低气温为零下10左右。全灌区无霜期多年平均210230天，年际差别较大，最长可达270天，最短为170天。一般年份初霜出现在11月上旬，终霜在次年3月下旬结束，初霜出现一般北早南迟，山区早于丘陵，而终霜则相反。由于地处湿润季风气候带，灌区四季分明，降雨蒸发年际间差别很大。例如干旱年份：1966年、1967年和1978年均为大旱年，年度雨量分别为557.0毫米、661.0毫米及531.6毫米，只有多年平均值的56.3%，66.9%和53.8%，主要灌溉期的雨量分别为264.5毫米、298.3毫米及302.0毫米，只有多年平均值的 38.9%、43.9%和 44.5 %。同时干旱年份降雨量小而蒸发量大。这三年全年度的灌区平均蒸发量分别为1426.6毫米、1354.8毫米及1286.3毫米，为多年平均值的的127%、120%及114%；主要灌溉期的灌区平均蒸发量分别为1059.4毫米、987.5毫米及933.8毫米，为多年平均值的134%、124%及118%。 而雨量充沛年份如：1954、1975和1991年，年度雨量分别为 1602.6毫米、1372.6毫米及 1512.8毫米，占多年平均值的 162.1%，138.9%和153%。这三年全年度的灌区平均蒸发量分别为 900.2毫米、907.1毫米及816.7毫米，为多年平均值的的85 %、85.6%及 77.3%。1.3 工程地质供水工程上段自淠河总干渠将军岭枢纽，设进水闸布专线至袁湾村附近，下段利用袁湾河，经南淝河入董铺水库。供水专线沿线为低山区和岗区，地形沿拟建专线高低起伏不平。总体地势：从专线进口（将军岭闸枢纽）副出口（袁湾村附近）逐渐降低，地面高程2650m。进出口自然落差约24米。根据工程地质勘察报告，供水专线地层在勘探范围内自上而下依次是：堤身填土、中重粉质壤土、粉质粘土和粘土、全风化砂岩、强风化砂岩5层。第1至第4层呈紫红色，稍湿、坚硬；强风化砂岩层未揭穿，也呈紫红色，稍湿、坚硬。从将军岭闸到袁湾村地段，地层主要以3层粘土、粘质粘土为主，局部地段为2层中重粉质壤土。第3层层位相对稳定，强度较高，工程地质条件较好，但土具有弱膨胀性。2层土由于压缩变形略偏大，条件相对较差，但也能满足轻型建筑物对地基的要求。供水专线基本位于肥西县境内，地层均为中生界侏罗系以来地层，地震烈度为六度，对本工程对抗震可不做特别要求。工程所在场地内无明显含水地层，地下水为潜水或上层滞水，地下水位大致随地形起伏变化。工程勘察期间测得地下稳定水位为0.756.10m，高程32.8046.10m。场地内未发现明显的污染源。1.4 水电站工程本电站是该引水工程的重要组成部分，根据工程总体布置：设计引水流量18m3/s，引水线进口（将军岭闸枢纽）至出口（袁湾村附近的袁湾）地势逐渐降低，其中：进水口将军岭渠底高程42.0m，多年平均设计水位47.2m，最高洪水位49.0m；袁湾河最低水位26m，多年平均设计水位26.5m，100年一遇洪水位29.98m。2、水电站设计2.1水电站引水系统的设计2.1.1 引水线路的的选择引水管定线的原则如下：1)与城乡规划相结合；2)为节省投资，尽量缩短线路长度；3)减少拆迁，少占农田；4)便于管渠施工与运行维护；5)保证引水水量及水质的安全。由水源引水，在供水工程中，通常采用双路管线，目的在于增加供水保证程度，但同时也增加了工程投资和水头损失。在本项目中，可考虑引水系统的水先进入D水库，然后才进入净水厂，有了董铺水库的调节，引水系统可采用一条，以节省投资。经比较引水系统线路选择见供水专线管线布置图（附图1）。2.1.2引水系统断面型式的选择1）引水道的功用是集中落差，形成水头，并将水流输送到压力管道引入机组，然后将发电后的水流排到下游。此项目在对下游供水的同时可以利用这将近20m的水能来发电。要求引水系统要有符合要求的输水能力，减少水头损失，保证水质。通常的引水断面形式有明渠引水、无压暗管引水和压力管引水等。从便于管理，保护水质、水量、占用农田少的角度出发，引水系统形式选择压力管道。2）压力管道断面的形式有门洞型、圆管型、矩型。这里选择圆管形断面。3）管道断面尺寸的选定：根据工程项目的设计流量和设计水头，可用以下彭德舒公式初步确定管道的经济直径：D=（Qmax3H）1/7式中：Qmax为钢管的最大设计流量，m3/s;H为设计水头，m。设计流量为18m3/s，设计水头20.7m，经计算的D=2.8m。管壁的厚度，按平面应变问题考虑，估算管壁厚度公式如下： HD2 =10HD2式中： 为水的重度，N/m3；H为设计水头，m；D为管道直径，m；为焊缝系数，按规范取为0.90.95；钢管的允许应力，N/mm2。钢管材料Q235钢，s=235N/mm2，查规范允许应力=0.55s=130N/mm2，取0.92。经计算得 =2.4cm。管壁厚度不宜小于D/800+4=7.5mm，也不宜小于6mm；考虑钢管运行期间的锈蚀、磨损及钢板厚度误差,故 可取为2.6 cm。4.1.3 引水系统的水利设计1）管道进水闸位于将军岭闸枢纽。（略）2）电站引水系统的水力计算由前面引水管线平面布置，大致估计引水管线路长度3150m，引水管路沿程水力坡降 J=HL=20.7/3150=0.0066，管道断面D取2.8m， 取2.6cm。糙率系数n取0.012 。根据前面已估算的经济管径D=2.8m和设计流量Q=18m3/s得到引水流速V=2.92m3/s。沿程水头损失的计算：此引水管道长度3150m，属于长管。在此工程中采用有压管道，水流一般属于湍流的水力粗糙区，其水头损失可直接按谢齐公式计算。公式如下： hf=Q2LK2 K=ACR C=R1/6n式中：hf为沿程水头损失，Q为流量，K为流量模数，L为水流沿程长度，A为管道断面面积，C为谢才系数，R为水力半径，n为糙率。计算得hf=6.24m。局部水头损失计算：计算公式： hj=V22g式中： 为局部水头损失系数；V 是流速。进水口局部水头损失系数，根据水电站进水口设计规范抛物线形入口水头损失系数取0.1，矩形拦污栅条的拦污栅水头损失系数取0.2,门槽水头损失系数取0.1，矩形断面渐变圆形断面的渐变系数取0.05 。引水弯管局部水头损失系数按下式计算： =0.131+0.1632（d）72（90o）12式中 d 为管道直径， 为弯管中心线半径， 为弯管圆心角引水管有四处弯管，半径为10m，弧段圆心角分别为11o、21o、23o、14o，计算得各弯管处水头损失系数为0.0465、0.0642、0.0672、0.0524。引水管与调压室的连接处水头损失系数取0.2局部总水头损失系数：=0.1+0.2+0.1+0.05+0.0465+0.0642+0.0672+0.0524=0.6803则局部总水头损失：hj=0.6803*2.9222*9.8=0.295m管道总水头损失：hw0=6.24+0.295=6.535m3）电站压力管道调压室稳定计算考虑引水管道较长，用惯性时间常数Tw值来判断设置上游调压室的条件，其式为： Tw=LivigHPTw式中 Li 压力引水道（包括蜗壳及尾水管）各段之长度； vi 各段水道相应的流速； g 重力加速度； Hp 水轮机的设计水头； Tw-Tw的允许值，一般取24s。水轮机设计水头Hp=20.7-6.54=14.16m计算得Tw=3150*2.929.8*14.16=66.28s4s，则需要设置上游调压室，调压室的断面形式取简单圆筒式。调压室水位波动稳定的条件是要保证调压室断面大于最小断面，即托马断面,其式为： Fk=FThLf2g(H0-hw0-3hwT0)式中 L 为引水道从进水口到调压室的长度，取2900m； f 为引水道的断面积，f=3.14*2.824=6.15m2；hw0 为Q0时引水道的水头损失，hw0=6.243150*2900+0.295=6.04m； 为引水道的水头损失系数，在简单圆筒式调压室中 =hw0v2=5.7452.922=0.675； g 为重力加速度； H0 为静水头； hwT0 为压力管道的水头损失,压力管道将近250米，则该段水头损失为: hwTo=6.243150*250=0.495 m 计算托马断面： Fk=103.82m2FTh=2900*6.152*0.675*9.8*(20.7-6.04-3*0.495)=102.32m2 则 D调压=4*103.823.14=11.5m4）调压室水位波动计算解析法：丢弃全负荷时最高涌波水位计算式： ln1+1+Xmax-1+Xmax=ln1-1+X0-(1+)X0丢弃全负荷时最低涌波水位计算式：ln1-1+X2+1+X2=ln1-1+Xmax+(1+)Xmax其中 X0=ho , X=-Z , =Lfv022gFhw0 ，=hr0h0 ，式中 hw0,hr0 为流量Q0时引水道和水流进调压室所引起的的水头损失； L 为引水道从进口到调压室的距离； f、F 为引水道和调压室的断面积； v0 为流量Q0时引水道中水流速度； g 为重力加速度； 为调压室阻抗系数；计算过程： =2900*6.15*2.9222*9.8*103.82*6.04=12.373 X0=6.0412.373=0.4882对无无阻抗的圆筒式调压室，即 =0, X0=-ln1+Xmax+Xmax ，X2+ln1-X2=Xmax+ln(1-Xmax)通过表格试算可知-Xmax= zmax=0.6931 , -X2=z2=0.4719，则 zmax=8.55m, z2=5.84m。增加负荷是的最低涌波水位计算：由部分负荷增加到全负荷，水电站的流量由 mQ0增加到 Q0（mz2,取大值，即zmin=8.637 m 。则调压室最高涌波水位47.2+8.55=55.8m，最低涌波水位47.2-8.637=38.5m。调压室底板高程取38m，室顶高程取56m，调压室总高度18m。4.2 水电站布置设计4.2.1水电站厂房 1)布置方案为集中利用水头，考虑调压室位置选择，与压力钢管的进水方向，厂区布置在袁湾附近。具体布置见水电站枢纽布置图。 2)主要机电及金属结构设计1) 主要机械设备选择： 水轮发电机组及主要附属设备有两种选择参考表1.表1可供选择的水轮机参数表转轮型号ZD560ZD660转轮直径（mm）14001100设计水头（m）11.011.0设计流量（m3/s）9.298.84额定出力（kW）842839额定转速(r/min)300500额定点效率(%) 8488最高效率(%)8590机组造价(万元)约97.5约75 2)辅助设备选择 包括起吊设备、选用空压机为机组制动和检修提供气源、技术供水采用水泵供水、检修排水和渗漏排水合用一套自吸离心泵、油系统等设备设施的布置，主要设备可参考表2。表2 水力机械主要设备材料表序号名称型号规格单位数量备 注1水轮机ZD660-LH-110台22发电机SF800-12/1430台23调速器MMT-600台24励磁装置静止可控硅套25行车起重量10t跨度6.5m台16供水泵IS100-80-160，Q=100m3/h H=32m台27排水泵3TC-15，Q=40m3/h H=15m台28空压机排气压力0.8Mpa，排气量1.5 m3/min台29压力滤油机LY-50台110齿轮油泵2CY-3.3/3.3台111立柜式空调器冷暖两用，制冷（热）量12000W台112台钻Z512台113手电钻J3Z19台114手提砂轮机S3S-150台115交流电焊机台1 3）主副厂房电气设备布置 4.2.2主厂房平面布置设计 1）机组段长度的确定 机组段长度L1按下式确定： L1=L+x+L-x 式中 L+x 机组段+x方向的最大长度; L-x 机组段-x方向的最大长度。 蜗壳层： L+x=R1+1 L-x=R2+2 式中 R1 蜗壳半径，取1.22m，R2 蜗壳半径，取1.2m，1，2 蜗壳外部混凝土厚度，取1.4m，L1=1.22+1.2+2*1.4=5.22m 尾水管层： L+x=B2+2 L-x=B2+2 其中 B尾水管宽度，取2.42m，2尾水管边墩厚度，取1.7m，L1=2.42+2*1.7=5.82m 发电机层： L+x=32+b2+3 L-x=32+b2+3 其中 3发电机风罩内径，取2.66m； 3发电机风罩壁厚，取0.3m； b两台机组之间风罩外壁净距，取2m。 L1=2.66+2+2*0.3=5.26m经比较取大值： L1取5.82m2)端机组长度长度的确定本厂房的装配场设置在厂房的左边，厂房内采用一台起重机吊装发电机和进水阀，预留1m的裕量，则L2取6.82m。3）主厂房宽度的确定根据行车设备的跨度6.5m，最后选取厂房宽度8m。4）装配场尺寸的确定装配场的长度一般取11.5倍L1，此电站采用轴流式水轮机系数取偏大值，最后确定装配场的长度为10m。装配场的宽度与主厂房同宽。5）主厂房长度的确定厂房的长度取决于机组段的长度、机组台数和装配场的长度。端机组段附加长度取0.36m。主厂房的总长度L取23m。 由上述已选定的机组和各设备的形式和尺寸，设定主厂房的长度为23m，宽度为8 m，各机电设备布置见厂房的剖面图、厂房发电机层布置图、水轮机层水平布置图。4.2.3主厂房剖面设计（1）发电机层楼板高程2根据