水电站课程设计.doc

水电站课程设计前 言通过本学期水电站系统的学习，我们已经掌握了水电站设计的基础知识。为了进一步培养我们理论联系实际的能力，特别是为了能使我们尽快的适应即将面临的工作，成为一名合格的水利水电工程技术人员，我们进行了历时两个星期的课程设计。本次课程设计是设计者根据自己所学的知识、参考许多相关的教材、设计手册和规范，并在指导教师的指导下独立完成的。通过这次课程设计，我们提高了如下的几方面的能力： 综合运用所学理论知识分析和解决实际问题的能力； 培养了我们的自学能力和科学研究能力，使我们逐步具有更新和丰富自己科学知识的能力和创新能力；提高了我们设计、计算、绘图的能力以及编写设计说明书和计算书的能力；培养了我们严谨的工作作风和正确的设计思想。由于时间仓促，水平有限，本设计中难免有些不足之处，还希望老师批评指正。第一章 基本资料1.1工程基本概况本电站是一座引水式径流开发的水电站。拦河坝的坝型为5.5米高的砌石滚水坝，在河流右岸开挖一条356米长的引水渠道，获得平均静水头57.0米，最小水头50m，最大水头65m。电站设计引用流量7.2立方米每秒，渠道采用梯形断面，边坡为1：1，底宽3.5米，水深1.8米，纵坡1：2500，糙率0.275，渠内流速按0.755米每秒设计，渠道超高0.5米。在渠末建一压力前池，按地形和地质条件，将前池布置成略呈曲线形。池底纵坡为1：10。通过计算得压力前池有效容积约320立方米。大约可以满足一台机组启动运行三分钟以上，压力前池内设有工作闸门、拦污栅、沉砂池和溢水堰等。本电站采用两根直径1.2米的主压力钢管，钢管由压力前池引出直至下镇墩各长约110米，在厂房前的下镇墩内经分叉引入四台机组，支管直径经计算采用直径0.9米。钢管露天敷设，支墩采用混凝土支墩。支承包角120度，电站厂房采用地面式厂房。2.2设计条件及数据2.2.1厂区地形和地质条件：水电站厂址及附近经地质工作后，认为山坡坡度约30度左右，下部较缓。沿山坡为坡积粘土和崩积滚石覆盖，厚度约1.5米。并夹有风化未透的碎块石，山脚可能较厚，估计深度约22.5米。以下为强风化和半风化石英班岩，厂房基础开挖至设计高程可能有弱风化岩石，作为小型水电站的厂址地质条件还是可以的。2.1.2水电站尾水位：厂址一般水位9.0米。厂址调查洪水痕迹水位15.0米。2.1.3对外交通：厂房主要对外交通道为河流右岸的简易公路，然后进入国家主要交通道。2.1.4地震烈度：本地区地震烈度为六度，故设计时不考虑地震影响。第二章 水轮机选型设计本设计略去选型过程，拟定水轮机型号为HL702（220）WJ50。第三章 蜗壳的型式及主要尺寸确定3.1 蜗壳的型式本设计拟定采用金属蜗壳，圆形断面，为防止渗漏和减少磨损，在蜗壳内壁作钢衬，钢板的厚度取10mm。3.2蜗壳主要参数选择3.2.1 断面的型式金属蜗壳均做成圆形，以改善其受力条件。蜗壳的进口断面为经过转轮中心线与引水道中心线垂直的过水断面。3.2.2 蜗壳的包角对于金属蜗壳，由于其过流量较小，允许的流量较大，因此其外形尺寸对厂房造价影响较小。为了获得良好的水利性能以及考虑到其结构和加工工艺条件的限制，一般采用。3.2.3蜗壳进口平均流速Vc由水电站图28a查金属蜗壳进口断面平均流速，取Vc=6.3m/s3.3蜗壳水力计算座 环 固 定 导 叶 外 径 Da = 1.7D1 = 0.85m ra=Da/2=0.425m。对于任一断面，为了保证流量均匀地进入导水机构，则任一断面i的流量应为式中：为从蜗壳鼻端至断面i的包角。如近似的取断面i的过水面积为一个紧靠在固定导叶外侧的完整的圆形断面面积。断面半径：断面中心距：断面外半径：计算结果如下表1 金属蜗壳参数aR3450.295 0.720 0.990 3000.275 0.700 0.951 2550.254 0.679 0.908 2100.230 0.655 0.861 1650.204 0.629 0.808 1200.174 0.599 0.748 750.138 0.563 0.675 300.087 0.512 0.574 图1 金属蜗壳的平面单线图第四章 尾水管的型式及其主要尺寸的拟定4.1尾水室的尺寸图2 弯锥形尾水管尾水室尺寸由图2所示： ，经济流速取。已知，L=3.7m，h=0.75m；求出c=0.425，b=0.51，所以尾水室的宽度为B=0.51+0.51+1.08=2.1m。该水电站的设计引水流量7.2立方米每秒，并且由于有4个水轮机所以，尾水室的流量，经济流速，。所以该尾水室的宽度取2.0m，高度取1.5m。4.2 尾水渠的尺寸尾水渠的流量，经济流速，。所以该尾水渠的宽度取2.0m，高度取1.5m。第五章 吸出高度和安装高程5.1吸出高度的确定查小型水电站中册，水轮机部分，天津大学主编，P812-813表2-3和P840图2-24得气蚀系数0.17（限制工况），气蚀系数修正值0.022（当时）由此可求出水轮机的吸出高度为：5.2安装高程对于卧轴式水轮机，Zs是指主轴中心线的位置高程。其安装高程：5.3 水轮机地面高程由水轮机的布置方式可以知主机房地面高程为9.3m，即水轮机的地面高程为9.3m。第六章 各种高程的确定6.1 尾水管底板高程和出口高程由水轮机发电机组横剖面图AA得尾水管高度为3.70m，尾水管出口距离尾水室地板高度为0.75m，所以尾水管地板高程为尾水管底板高程=尾水管出口高程= 尾水管高度，m ；尾水管出口距离尾水室地板高度，m6.2 基础开挖高程基础开挖高程=底板高程-混凝土厚度（经验值）根据尾水管底板高程5.45m，底板混凝土厚度取1.0m，则厂房基础开挖高程为4.45m。6.3 吊车轨顶高程吊车轨顶高程=发电机层地面高程+发电机层楼板至吊车轨顶高度发电机层楼板至吊车轨顶高度，根据吊车吊运最长部件的方式，外形尺寸及安全距离确定，厂房内最长吊运部件为尾水管，高度为3.7m。对于卧式水轮机吊车轨顶高程：为机组部件外露高度取1.5m为吊运部件与固定的机组或设备间的垂直净距；水平净距0.3m，垂直净距0.6m1.0m。取0.8m，最大吊运部件的高度取尾水管的高度为2.1m。吊运部件与吊钩之间的距离（一般在1.01.5m左右）取1.2m主钩最高位置（上极限位置）至轨顶面高程，已知吊车梁采用柳州起重工具厂的，跨度为11m，对应的吊钩极限位置为0.98m，取1m。即吊车轨顶高程=9.9+1+0.8+2.1+1.2+1=16.0图3 吊装过程各部分尺寸示意图6.4厂房天花板高程和厂房顶高程为了检修吊车和布置灯具，需在小车顶端到厂房天花板或屋顶大梁底面之间，留出至少0.3m的安全高度。吊车在轨顶以上的高度由吊车规格决定。天花板高度=吊车轨顶高程+吊车在轨顶以上的高度+安全超高综合考虑，厂房天花板高程定为17.5m。第七章 蝶阀坑的尺寸拟定查小型水电站中册，对于卧式机组不必设置贯通全厂的主阀廊道，单个设置主阀坑即可。主阀坑应便于主阀的安装、检修和操作,操作主阀一侧的空间应不小于1m，对于侧主阀外廓与坑壁的距离不小于0.8m。厂内有吊车时，应将主阀布置在吊车工作范围之内。蝴蝶阀参数：0.8m手电动操作；重 量：阀体340Kg；活 门：277Kg；启闭方式：电动操作；主要尺寸：a=1730mm；b=880mm；c=350mm；d=850mm；e=470mm。图4 立式蝴蝶阀外形示意图所以，蝶阀坑宽度=d+1000+800=2650mm=2.65m 蝶阀坑高度=1730+1000=2730mm=2.73m第八章 主厂房的尺寸拟定8.1主厂房的长度和宽度8.1.1机组间距机组的布置方式：机组的布置方式对确定厂房轮廓尺寸有较大的影响。其布置方式有纵向布置、横向布置和斜向布置三种。本设计厂房中的机组布置采用横向布置，机组等距离布置。卧式机组厂房尺寸的原则有：1、机组间距应满足两点：发电机转子安装、检修时能抽出和套入；设备外廓之间的距离，一般为2m左右。靠机组设备外端与侧墙的距离，同样满足上述要求。2、电气屏柜与设备之间的距离，对于有吊车的厂房，一般不宜小于1.5m。控制屏、动力屏后端离墙应有0.81.0m的距离。3、当厂内设有主阀时，应设主阀坑，上下游侧与压力钢管连接的法兰面与墙的距离，一般不应小于300毫米。4、安装间的面积，应满足一台机组扩大性检修的需要，一般可取为一个机组段长度的1.01.3倍，视机组容量和台数而定。5、当厂内设有吊车时，确定厂房宽度应考虑到吊车的标准跨度要求。根据以上原则确定：机组间距取6m。 8.1.2边机组段长度 与安装间相邻的边机组长度，必须满足发电机层设备布置要求，下部块体结构尺寸应考虑蜗壳外围或尾水管边墙的混凝土厚度0.8m以上，而与安装间相对一端边机组段长度，除满足设备布置外，为了保证边机组在吊桥工作范围以内，则，其中J为吊桥主钩至桥吊外侧的距离，x为吊车梁末端挡车板的长度，x一般为0.40.9m。由此取边机距离墙壁的长度=4.5m，=5.5m。8.1.3安装间的长度安装间的长度当机组台数不超过46台时，可按检修一台机组时能放置四大部件并留有做够的工作通道来确定。初步设计时，可采用=(1.01.5) ，故取安装间的长度为8m。8.1.4主厂房的总长度 当、确定后，则主厂房的总长度为：厂房两边的墙体采用的厚度为0.37m，墙壁中轴线距离外墙的距离为0.2m。柱子的尺寸为m。8.1.5厂房的宽度主厂房的宽度应从厂房上部和下部结构的不同因素来考虑。上部宽度取决于吊车的跨度，发电机尺寸、最大部件的吊运方式、辅助设备的布置与运行方式等条件。厂房下部宽度取决于蜗壳和尾水管的尺寸。根据水轮机发电机组横剖面图AA得机组总长约为6m，并考虑厂内交通及10t吊车的标准跨度为10m和保证能套入和抽出发电机转子，墙体宽度等因素，定出厂房的宽度为11m。8.2安装间的布置8.2.1安装间的位置安装间一般均布置在主厂房有对外道路的一端，高程和主厂房高程一至。对外交通通道必须直达安装间，车辆直接驶入安装间以便利用厂房桥吊卸货。水电站对外交通运输道路可以是铁路、公路、或水路。对于中小型水电对外交通运输道路站采用公路。8.2.2安装间的尺寸安装间与主厂房同宽以便桥吊通行，所以安装间的面积就决定了它的长度。安装间的面积可按一台机组扩大性检修的需要确定，一般考虑放置四大部件，即发电机转子、发电机上机架、水轮机转轮、水轮机顶盖。四大部件要布置在主钩的工作范围内，其中发电机转子应全部置于主钩起吊范围内。发电机转子和水轮机转轮周围要留有12m的工作场地。8.2.3安装间的布置 安装间内要安排运货车的停车位置主变压器有时也要在安装间进行检修，这时要考虑主变压器运入的方式及停车点。主变压器大修时常需吊芯检修，在安装间上设尺寸相同的变压器坑。发电机转子放在安装间上时主轴要穿过地板，地板上在相应位置要设大轴孔，下要设大轴承台，并预埋底脚螺栓。安装间大门尺寸选用4.0m4.5m。8.3主厂房内机电设备布置及交通运输8.3.1主厂房内机电设备的布置主厂房内的机电设备主要的有水轮发电机组及其辅助附属设备（调速器、励磁盘及机旁盘），蝴蝶阀等。机组及其辅助附属设备：调速器布置在发电机房，四周均留有大于1.0m宽的空间，以便于操作维修。调速器紧邻发电机，以缩短管路和运行操作方便。励磁盘与机旁盘装置在距离墙壁0.8m处。8.3.2吊物孔水电站厂房只在发电机层设有吊车，其他层如水轮机层的一些小型设备需要检修时，要将其吊运到发电机层的安装场，这就需要在发电机层的楼板上设置吊物孔，用于起吊发电机层以下几层的一些小型设备。孔尺寸为2.2m1.6m的吊物孔，盖有承重盖板。8.3.3调速器型号：XT-300台数：4台接力器全行程：150mm接力器全行程时间：1.55s外形尺寸：长（mm）1635重量：1081kg参考价格：20000元安装位置为机组右边组成：压力油罐、储油槽和油泵。第九章 副厂房的尺寸拟定水电站厂房除了装设运行必须的水轮发电机组、调速设备和装配场的主要厂房外，还需要有设置机电设备运行、控制、试验、管理、和运行人员工作和生活的房间，称为副厂房。副厂房：应紧靠主厂房，基本上布置在主厂房的上游侧，下游侧和端部，可集中一处，也可分两处布置，本设计布置在主厂房的上游侧。副厂房的组成、面积和内部布置取决于电站装机容量、机组台数、电站在电力系统中的作用等因素。9.1 中央控制室中控室是为了集中地对整座电站发电、配电、变电设备以及下游水位、流量进行监视和控制而集中布置各种控制仪表的专门房间。其中布置有各种指示盘、同步盘、记录盘等控制盘、直流盘、保护盘和信号盘等，它是电站的神经中枢。中控室应尽量靠近主机房，交通方便。同时与开关站之间有方便通道联系。引水式厂房中央控制室应尽量靠近主机房和开关站之间，并靠近机组。一般也常布置在主厂房的一端，此时应结合装机顺序对初期发电和分歧过度的各种电缆、维护通道等进行统盘考虑，以保证中控室的安全运行。中控室的净高度一般为44.5m.。中控室和发电机层之间最好用玻璃做成隔音墙。中控室下层应设电缆层或电缆夹层，净高度一般不小于2m，也不宜大于2.5m。中控室附近应设置交接班室、值班室及厕所等。中控室的长为10m，宽为6m，中控室内放置7面保护屏，7面控制屏，3面厂用屏，3面直流屏，外形尺寸均为（cm）60，并设置一个工作台。中控制的净高取4m 。由于该电电站为小型电站，故不设载波电话室，只在中央控制室中设一载波机。9.2 高压开关室发电机低压配电设备是指发电机引出线至主变压器升压前的低压配电设备。位于发电机和主变压器之间，并尽可能缩短其距离。发电机低压配电设备通常布置于成套的开关柜中，其副厂房称为高压开关室。高压开关室，当其长度超过7米时，应设两个向外开的门出口，通向其他房间或室外。不应布置在厕所、浴室的下面。高压开关室长为10m，宽为6m，里面放置13个高压开关柜，将开关柜设置成两排，中间的维护通道为1m，尺寸为长（cm）120。开关室布置在安装场上游侧，开关室设有一宽度为1.5m的门和一宽度为0.9m的门。9.3 厂用设备的布置厂用电大部分是交流电，厂用变压器常设两台，一台备用，布置在厂用开关室内。厂用电小部分是直流电，主要供给操作电路、信号以及继电器用电。直流电来自蓄电池，厂房一般需设直流电设备室。直流配电室一般包括蓄电池室、酸室、套间、充电机室、通风机室、直流配电盘等，它们应作为一个整体而布置在一起，并接近中控室。蓄电池室应尽量布置在中控室及配电装置室上部。其入口设有酸室和套间，以防酸气歪流。根据以上要求将贮酸室布置在中控制的旁边，宽度为2.5m，长度为6m；蓄电池室布置在贮酸室的旁边，宽度为3.5m，长度为6m。9.4 楼梯厂房各层之间用楼梯作主要交通通道，运行人员上下各层从楼梯上通行。从副厂房到安装间的楼梯宽为1.5m，从主厂房到副厂房的楼梯宽为1.2m。9.5 值班室和卫生间值班室和卫生间布置在中控室旁边，值班室长为6m，宽为3m；卫生间长为4.5m，宽为3m。9.6休息室和工具间工具间布置在发电机层旁边，邻近安装间的位置，作为放置日常工具与零碎用品的场所。故将工具间布置在开关室的旁边，邻近安装场，长度为3.5，宽度为3,m,。休息室布置在卫生间附近，长为3m，宽为2.5m。9.7主变压器场变压器场应尽量布置在露天场地，保证良好的通风条件；最好能靠近低压配电装置和主厂房，可减少事故几率；其场地最好与装配厂高程一致，并有轨道相连，以便与将变压器运送到装配场进行检修。变压器场面积为2520m。9.8 对外交通引水式厂房一般沿河岸布置，进厂公路可沿等高线从厂房。公路要直接通入主厂房的安装间，临近厂房一段应是水平，长度不小于20m，并有回车场地。公路的坡度不宜大于10%12%，转弯半径大于20m。公路宽采用6米。第十章 钢管应力分析10.1基本资料确定本电站采用两根直径1.2米的主压力钢管，钢管由压力前池引出直至下镇墩各长约110米，在厂房前的下镇墩内经分叉引入四台机组，支管直径0.9米。钢管露天敷设，支墩采用混凝土支墩。支承包角120度，电站厂房采用地面式厂房。根据工程经验和设计要求，在压力前池后设一上镇墩，与下镇墩用内径为1.2m的压力钢管相连，支敦间距10m，管轴线与地面倾角，上镇墩以下2m处设伸缩节，填料长，与管壁摩擦系数，支墩为滚动式，摩擦系数，钢材糙率，钢材允许应力，焊缝系数，钢管末跨跨中心处工作静水头，水击压力，要求对末跨跨中断面校核管壁应力强度。校核11断面的0和180。简图如下：图5 压力钢管示意本次设计的荷载组合选定为正常运行情况，轴向力主要有A1、A5、A6、A7、A8。10.2 管壁厚度的确定10.2.1 管壁厚度的初步确定管壁的计算厚度按锅炉公式计算：带入公式，计算得：考虑钢板厚度的误差及运行中的锈蚀和磨损，加上2mm的裕度，所以初步确定钢管壁厚为。10.2.2管壁的刚度校核：已知 ，且，。所以，且，故满足刚度校核要求。10.2.3稳定校核：已知若管壁稳定则要满足，但，所以稳定不满足要求，因此在实际安装的过程中应该加加劲环。10.2.4管壁厚度选择考虑到稳定要求，制作上方便及已有材料，实际制作厚度为8mm。 10.3 跨中1-1截面应力分析10.3.1切向应力管壁的切向应力主要由内水压力引起的，对于倾斜的管道，若管轴与水平线的倾斜为，则切向应力为 又因为，所以上式等号右端的第二项是次要的，可以不要计入，则原公式如下：10.3.2 径向应力管壁的内表面的径向应力等于该处的内水压强，即“-”表示压力，“+”表示拉应力，表示内压应力为-0.727Mpa，管壁的外表面。10.3.3 轴向应力跨中断面的轴向应力由两部分组成，即由水重和管重引起的轴向弯曲应力及表各轴向力引起的应力，其中。由上述基本资料可得：。当时，当时，。10.4 跨中1-1截面强度校核当时： ，故当时，1-1截面满足强度要求当时：，故当时，1-1截面满足强度要求。第十一章 结束语 11.1 成果评价本设计从设计资料分析、水轮机型号选择、主厂房的各层高程确定、尺寸布置、副厂房的布置等都是按照课本所学方法进行计算，符合设计规范，其设计计算成果具有较高的可靠性。但在整体的设计过程中，由于设计资料的不完善，导致出现了一些问题。第一，没有说明厂房、开关站各比较方案的地形、覆盖层厚度、岩性、构造、基岩风化深度、水文地质条件及主要工程地质问题，提出地质选择意见、岩土物理力学性质参数和处理意见。在厂房布置上没有考虑地形地质条件，没有考虑厂房机组之间应设伸缩缝。应把整个厂房划分成中间机组段边机组段及安装间段三种独立体并分别对每段进行整体稳定及地基应力计算满足规定的安全度。第二，缺少电气部分的设计，包括水电站接入电力系统地理位置、电气主接线方案、厂用电接线图等。厂房设计工程中只考虑了土建部分的设计，没有考土建部分内部的布线。第三，没有进行消防设计，没有根据防火间距及疏散要求，说明厂区内各建筑物、主变压器、露天油罐或油罐室以及道路等的布置，提出各主要生产场所、主要机电设备的消防设计及主要消防设施配置，对有特殊要求的生产场所，提出通风、防烟及排烟等设计要求。如选定消防水源、供水设施、消防供水量和水压力、主要设备及其布置。生产场所火灾事故照明、疏散标志的配置。因此，本次设计完成了学习的任务，但也发现了一些存在的问题，需要以后的努力学习达到要求。11.2 问题展望11.2.1 未进行经济技术方案比较一个水利工程的建设，需要通过对经济效果的评价和论证，结合考虑政治、经济、社会、环保等因素，根据有关的技术经济政策，选择工程在经济上合理和财务上可行的方案。为进行经济技术方案比较，无法确定工程的可行性。11.2.2 未进行环境评价：现代水利工程,在发挥防洪、发电、航运、灌溉、养殖供水等一种或多综合效益的同时,对工程所在地、上下游、河口乃至全流域的自然环境和社会环境都会产生一定的不利影响。环境不利影响的大小，已经成为评价一个水利工程设计成败的重要依据。充分利用有利条件，避免或减轻不利影