柳园水电站毕业设计

摘要 I 柳园电厂房设计柳园电厂房设计 摘摘 要 要 柳园电厂房是以防洪为主 结合灌溉 工业用水 发电 发展旅游综合利用的水利枢纽工程 本毕业设计承担水利水电枢纽工程中水电站厂房设计的部分工作 根据已有的原始资料和该处地 形图进行设计 主要内容有 水电站站址的选择 总体布置 压力前池 水轮机层 压力管道 水轮机型号的选择 蜗壳尺寸的确定 尾水管尺寸的确定 水电站厂房尺寸的确定 上部结构计算 水电站厂房整体稳定及地基应力计算等 并根据要求绘制相应的 平面布置图和剖面图 关键词关键词 水电站 枢纽布置 厂房布置 Abstract The Liuyuan project is mainly for flood control irrigation industrial water electricity generation tourism development of comprehensive utilization of water conservancy project This graduation design to bear part of the plant design work of water conservancy and Hydropower Engineering in hydropower station Designed according to the original data and the topographic map the main contents include the overall layout of the site selection hydropower station hydraulic turbine type selection determine the size of the spiral case determine the tail pipe size speed and valve type selection determine the size of the powerhouse of hydropower station tailrace channel layout type selection excavation volume etc and draw the floor plan and section map according to the requirements Keywords Hydropower station layout plant layout 目录 I 目录目录 摘 要 I 目录 II 1 基本资料 1 1 1 水文分析 1 1 1 1 年径流 1 1 1 2 洪水 1 1 1 3 泥沙 1 1 1 4 典型年选择及电站设计代表年 1 1 1 5 气象 5 1 2 工程地质 5 1 2 1 压井 压力管道工程地质条件 5 1 2 2 厂址区工程地质条件 5 1 3 当地建筑材料 6 2 枢纽布置 7 2 1 工程等级及主要建筑物级别的确定 7 2 2 坝型的选择 7 2 3 厂房型式选择 7 2 4 枢纽总体布置 8 2 4 1 主厂房位置选择 8 2 4 2 副厂房位置选择 9 2 4 3 主变压器场及开关站选择 9 2 4 4 厂区交通及附属建筑物布置 9 2 4 5 尾水渠布置 9 3 水轮发电机组选择 9 3 1 水轮机的选型 10 3 1 1 水轮机选择的基本资料 10 3 1 2 机组台数及单机容量的选择 10 3 1 3 水轮机型号的选择 11 3 2 确定水轮机的尺寸 11 3 2 1 HL310 型水轮机主要参数的确定 11 3 2 2 ZZ560 型水轮机主要参数的确定 14 3 2 3 水轮机方案选 17 4 蜗壳层计算 18 4 1 蜗壳型式及应用水头 19 4 2 断面形式 19 4 3 蜗壳的水力计算 19 4 3 1 进口断面面积 19 4 3 2 蜗壳进口断面各部分尺寸计算 19 目录 II 4 3 3 蜗壳中间断面尺寸计算 20 4 4 蜗壳层的布置 21 5 尾水管 21 5 1 尾水管的功用 22 5 2 水轮机尾水管的类型 22 5 3 弯肘形尾水管尺寸计算 22 5 3 1 进口直锥段 22 5 3 2 肘管 22 5 3 3 出口扩散段 23 6 压力前池设计 25 6 1 是否设置调压室判断 25 6 2 调压室位置的选择 25 6 3 调压室的布置方式与型式的选择 26 6 4 调压室的水利计算 26 6 5 水击及调节保证计算 28 6 5 1 调保计算目的 28 6 5 2 调节保证计算的内容 28 6 5 3 调节保证计算的过程 28 7 压力管道设计 31 7 1 压力管道的布置 32 7 2 压力管道直径的选择 32 7 3 调节保证计算 32 7 4 压力管道的结构设计及稳定计算 32 7 5 防止地下埋管产生外压失稳的措施 34 8 厂房布置设计 34 8 1 主厂房平面设计 35 8 1 1 主厂房长度 35 8 1 2 主厂房宽度 36 8 2 主厂房剖面设计 36 8 2 1 水轮机安装高程 36 8 2 2 尾水管底板高程 37 8 2 3 进水管地面高程 37 2 8 2 4 水轮机层地面高程 37 4 8 2 5 发电机层地面高程 37 5 8 2 6 确定吊车轨道顶高程 38 6 8 2 7 确定厂房顶部高程 38 7 参考文献 38 致谢 39 基本资料 1 1 1 基本资料基本资料 1 11 1 水文分析水文分析 1 1 11 1 1 年径流年径流 流域径流的年内分配因受补给条件的影响四季分明 径流年内分配不均匀 汛期 5 10 月集中 了全年 70 以上年径流 枯季 11 4 月则不足 30 枯季径流补给主要是上游林区地下水和沿程支 流汇入 枯水流量比较稳定 据文县水文站资料统计 径流量最大月出现在 7 月 最小月是 2 月 白水江主汛期一般为 5 9 月 进入 5 月份降雨明显增多 造成径流增加 白水江径流主要由降水补给为主 有少量融雪径流 据文县站径流资料分析 多年平均流量 92 5m3 s 多年平均径流总量 29 17 亿 m3 表 1 1 白水江柳园坝址设计径流成果表 流量单位 m3 s 各种频率设计值 P 坝 址项 目均 值 5102050759099 全年 79 3103 196 890 478 569 862 751 5 柳 园 枯期 68 188 583 177 667 459 953 844 3 1 1 21 1 2 洪水洪水 白水江洪水主要由暴雨形成 并伴有少量融雪 发生在汛期 5 9 月 7 9 月发生的频率相对 较高 占洪水发生次数的 85 7 由于地形和植被的差异以及局地暴雨的影响 上 中 下游洪峰 往往不对应 暴雨自上游至下游越来越大 中下游成为主要产洪区 一般年份可发生多次洪水 一 次洪水过程 1 3d 引水口至厂房处流域面积之差约为 1 34 因此厂房处满意水设计值可直接采用 引水口处的设计值 正常尾水位 1001 0m 设计洪水位 1001 17m 校核洪水位 1001 70m 表 1 2 柳园电站闸 坝 址设计洪水成果表 单位 m3 s 各 种 频 率 设 计 值 P 坝址流域面积 km2 均值 CvCs Cv 0 20 51210 3510 柳园 65153500 6241590135011801010885788623 1 1 31 1 3 泥沙泥沙 闸 坝 址多年平均悬移质含沙量 0 59kg m3 输沙量 170 2 万 t 其中悬移质沙 量 156 万 t 推移质沙量 14 2 万 t 泥沙主要集中在汛期 5 9 月占 92 左右 1 1 41 1 4 典型年选择及电站设计代表年典型年选择及电站设计代表年 由于柳园电站是引水式电站 水库无调节库容 采用日平均流量进行调节计算 按典型年选择原则 即设计枯水年 设计平水年和设计丰水年 枯水年设计保证 率按 P 85 确定 平水年设计保证率按 P 50 确定 丰水年设计保证率按 P 15 确定 在频率曲线上查得三个年份对应的流量 按照就近原则选出代表年 选择鹄依坝站丰 本科毕业设计 柳园水电站调压系统及地下部分布置 2 平 枯三个典型年分别为 1981 年 2001 年和 1995 年 由于柳园电站为无调节水电站 代表年的选择还应以枯期径流量控制 同样选择 枯期径流的三个不同保证率的代表年 即 P 15 1982 年 P 50 1990 年 P 85 1996 年 三个设计代表年的逐日流量见表 1 3 表 1 6 表 1 3 白水江柳园电站 P 85 设计枯水年逐日平均流量表 单位 m3 s 月 日 1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月 10 月 11 月 12 月 147 038 835 138 279 412810391 910720491 965 3 246 938 634 637 877 911910285 610918287 264 2 348 038 235 437 779 811295 583 513316687 363 1 448 238 235 538 284 811190 179 013415487 962 9 548 037 735 139 287 410485 275 412214590 161 8 646 037 335 042 390 110181 474 211213989 061 2 745 837 334 341 210395 577 075 411213286 859 9 845 337 334 242 411399 974 277 310812786 559 2 945 337 334 243 111011272 673 510512085 358 2 1044 936 834 244 210312874 271 110911382 956 9 1143 736 434 242 895 513010571 210711181 656 8 1243 237 234 242 210213210770 010510680 456 8 1343 237 234 240 710112798 174 510310779 156 3 1443 236 434 339 310311891 078 199 011577 955 6 1542 736 335 039 310511285 673 396 311976 654 5 1641 836 035 140 110811082 573 294 612475 453 3 1741 735 935 140 611310280 176 597 212174 153 3 1841 635 935 141 810497 278 481 495 511972 953 2 1941 235 935 149 498 191 976 814512511671 652 2 2041 735 935 163 994 693 775 812116511471 551 6 2141 535 934 788 091 998 177 610415811270 550 8 2241 136 035 174 890 192 874 792 815610670 349 9 2341 136 736 870 095 591 973 288 416210369 248 7 2410 836 039 669 911390 172 385 920610369 047 5 2540 635 938 369 311587 271 984 220810668 047 5 2640 136 037 368 011283 873 080 518210367 947 5 2739 836 337 367 910484 680 679 616799 967 848 5 基本资料 3 2839 635 836 672 899 986 810379 815699 066 748 1 续表 1 3 月 日 1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月 10 月 11 月 12 月 日 2939 236 474 810111010478 923496 365 547 5 3039 236 579 799 011210791 923495 565 446 8 3139 238 411310111094 645 9 表 1 4 白水江柳园电站 P 50 设计枯水年逐日平均流量表 单位 m3 s 月 日 1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月 10 月 11 月 12 月 141 233 828 534 770 888 079 767 396 375 674 947 7 241 033 328 833 598 111681 972 490 182 473 947 5 340 132 328 834 092 811879 474 185 084 073 147 0 439 131 728 533 381 211476 469 381 882 371 646 9 537 931 028 033 175 911674 067 378 382 169 245 5 636 630 928 031 074 614273 165 574 986 168 244 8 736 630 928 131 275 114374 161 974 891 066 643 4 837 331 728 831 074 313974 260 074 394 665 642 7 937 031 428 532 175 113271 459 174 896 364 442 7 1037 131 228 032 976 511971 262 285 092 863 242 7 1137 430 928 036 783 110668 611298 188 062 442 3 1237 430 928 046 192 898 166 411287 684 761 142 6 1336 930 928 056 896 389 170 687 680 386 259 942 3 1436 630 928 053 287 894 675 678 876 181 859 142 2 1536 530 927 746 777 610287 275 775 385 156 842 1 1636 530 928 450 875 010194 684 674 383 456 641 7 1736 430 928 157 979 610298 184 974 681 955 941 2 1835 630 828 061 280 793 714880 178 184 055 840 6 1935 530 128 157 188 988 912278 179 586 456 040 1 2035 530 028 568 492 884 410779 379 888 054 840 0 2135 630 029 673 085 684 397 291 076 487 154 138 6 2235 530 031 471 081 599 089 285 974 387 253 437 5 2335 530 031 766 480 293 784 280 572 699 951 737 5 2435 529 631 367 487 588 880 910972 095 549 537 6 本科毕业设计 柳园水电站调压系统及地下部分布置 4 2535 529 131 763 210985 778 610570 190 148 338 0 续表 1 4 月 日 1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月 10 月 11 月 12 月 2634 728 829 859 297 282 573 791 084 986 449 237 8 2734 628 830 563 593 779 370 788 784 183 749 336 1 2834 628 533 265 395 576 069 285 277 982 149 236 0 2934 636 563 590 181 069 793 774 679 448 235 5 3034 633 762 790 181 174 099 971 376 747 635 5 3134 235 791 969 699 075 835 1 表 1 5 白水江柳园电站 P 15 设计枯水年逐日平均流量表 单位 m3 s 月 日 1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月 10 月 11 月 12 月 144 237 534 436 148 998 612982 416918511170 7 243 437 933 937 450 595 812480 917919210868 6 343 137 934 737 450 412212178 020619410669 0 442 737 534 237 250 514916074 323019910569 4 542 437 533 540 750 213217272 322520310469 1 642 337 533 443 548 911616572 522120410168 6 742 137 133 542 153 911115777 525420899 666 7 842 036 832 941 456 511615586 428521199 665 9 942 736 533 442 356 212417887 630020596 866 1 1042 136 232 942 469 112518810432619694 965 3 1141 636 132 840 970 614018491 331818993 964 4 1241 035 832 842 560 713016895 830517993 464 8 1340 735 532 941 158 711624093 532817091 864 8 1441 335 133 741 259 010829188 031817190 664 0 1540 735 534 641 056 610123094 930217089 963 8 1640 235 733 441 755 110019314929216688 362 8 1739 635 233 547 554 310717213827116285 860 9 1839 635 733 764 558 011315613425015885 159 9 1939 935 833 261 657 511614316423415484 558 3 2039 334 932 952 259 813213327822515183 657 8 2139 234 832 250 464 018712623320914582 558 2 基本资料 5 2238 834 832 255 164 016811623321114181 558 3 续表 1 5 月 日 1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月 10 月 11 月 12 月 2338 934 833 559 562 215210925722113780 957 1 2439 235 036 857 160 718211028920913379 456 6 2539 234 236 753 259 318910926919813477 857 0 2639 234 235 350 557 816710124818513177 356 3 2738 633 835 850 760 215693 922117812376 856 2 2838 534 136 452 280 314790 619517912275 956 6 2938 135 552 911314488 018617411975 256 6 3038 134 549 310613687 417917611574 256 3 3137 234 310384 517011055 8 1 1 51 1 5 气象气象 白水江流域地处北亚热带半干旱区 属内陆性气候 洪水主要由暴雨形成 主汛期 5 月 9 月 据文县气象站实测资料统计 多年平均气温 14 8 历年极端最高气温 37 7 多年平均降雨量 450mm 左右 多年平均蒸发量 2047 1mm 多年平均风速 2 4m s 最大风速 16m s 水库吹程 D 0 92km 表 1 6 柳园水电站气象要素特征值表 项 目单 位 特 征 值备 注 多年平均气温 14 8 极端最高气温 37 7 极端最低气温 7 4 多年平均降水量 mm458 8 多年平均蒸发量 mm2047 0 多年平均日照时数 h1706 多年平均风速 m s 2 4 最大冻土深度 cm9 1 21 2 工程地质工程地质 1 2 11 2 1 压井压井 压力管道工程地质条件压力管道工程地质条件 调压井布设在引水隧洞的洞尾处 岩性为细砾岩 变砂岩 穿插有花岗岩脉 建议值 围岩类 别 岩石强度 A 5 10 单轴抗压强度为 Rb 20 岩石完整性系数 kv 0 4 评分 B 9 14 压力管 道位于 级阶地冲洪积扇碎石土段 级阶地项面平坦 坡度 10 顶面高程 1025 0m 与河水面相差 37 0m 上部为 0 5 1 0m 砂壤土 下部为碎石土 疏松 稍密 底部基岩推测高程 999 0m 压力管道以碎石土作持力层 建议值 承载力 300 500kPa 变形模量 30MPa 渗透系数 本科毕业设计 柳园水电站调压系统及地下部分布置 6 20 40m d 边坡开挖比 1 1 1 1 5 1 2 21 2 2 厂址区工程地质条件厂址区工程地质条件 厂房轴线与压力管道道线正交 其布设有两种方案 使轴线方位向南偏离 150 由 SE104 变为 119 将调压井 管道 厂房均布设在冲沟东大 片 级阶地上 压力管道成涵洞跨冲沟 厂房轴线与管道轴线正交 布设于 级阶地 阶地顶面高 程 1025 0m 岩性为碎石土 建议值 承载力 300 500kPa 变形模量 30MPa 渗透系数 20 40m d 边坡开挖比 1 1 1 1 5 厂房区地下水埋深为 1 70m 水位高程 996 3m 地下水补给白水江水 地下水的矿化度 496 5mg L 水质量好 对混凝土无侵蚀性 尾水渠长度为 13m 位于 级阶地前缘和河漫滩砂砾石层中 地质条件比较简单 地震按 8 度设防 建议场区引水枢纽 隧洞 调压井以及厂房等水工建筑物地震水平峰值加速 度按 0 2g 地震动反应谱特征周期 0 40s 1 31 3 当地建筑材料当地建筑材料 砂砾石料场 3 处 总储量 质量均满足技术规范要求 平均运距离 1km 块石料场 1 处 为砂 岩 质地优良 另外输水洞洞渣可作为补充块石料 枢纽布置 7 2 2 枢纽布置枢纽布置 由于水电站的开发方式 枢纽布置 水头 流量 装机容量 水轮机组型式等因素 水文 地 形 地质等条件等不同 加上政治 经济 技术 生态及国防等因素的影响 厂房的布置形式也各 不相同 所以厂房的类型有不同的划分方法 2 12 1 工程等级及主要建筑物级别的确定工程等级及主要建筑物级别的确定 柳园水电站主要为发电任务 同时兼有航运 养殖 旅游开发等综合利用效益功能 水库设计 洪水位 1001 17m 装机容量 18MW 根据水利水电工程分等指标及本次电站设计资料中库容可查得 该工程规模为小 2 型 工程等别为 等 永久建筑物大坝 厂房为 5 级建筑物 临时建筑物为 5 级 表表 2 12 1 永久性建筑物的级别永久性建筑物的级别 永久性建筑物的级别 工程等别 主要建筑物次要性建筑物 13 23 34 45 55 2 22 2 坝型的选择坝型的选择 大坝的型式有多种 它包括重力坝 土石坝 拱坝及水闸 根据坝址区的地形 地质条件 河 流洪水特性及工程布置要求 本阶段设计考虑在主河床布置泄洪坝段 本工程属低水头河床式电站 水库无调节能力 汛期洪水流量大 历时短 要求洪水全部经由 大坝枢纽宣泄 本工程可利用的最大水头为 15 6m 上游库区内的隆回县城区高程较高 高程 1000 0m 以上 拱坝因其特殊的地形地质要求而不能满足本次设计的要求 而土石坝需要有足够 的泄洪能力 而地形图左岸 右岸均为山体 不便于施工导流 对于混凝土重力坝能满足本设计要 求 故综上采用混凝土重力坝 2 32 3 厂房型式选择厂房型式选择 根据工程地形 地质情况 有三种参考方案可选择 分别为 方案一 河床式厂房 河床式厂房本身能承受上游水压力 成为挡水建筑物的一个组成部分 这类电站适用于较低水 头 一般小于 30 40m 方案二 坝后式厂房 当水头较大 机组及厂房的尺寸相对较小 厂房难于独立承受上游水压力 因此需要用坝挡水 将厂房置于坝后 称为坝后式厂房 方案三 引水式厂房 本科毕业设计 柳园水电站调压系统及地下部分布置 8 引水式水电站是建立在河段上游筑闸或低坝取水 经人工引水道引水到河段下游来集中落差所 建的水电站 引水道式电站适用于坡降大的河段 柳园水电站设计水头 15m 最大水头 15 6m 属于低水头水电站 故根据水头范围不宜选择坝后 式厂房 根据坝轴线处地形可知 河流坡降较缓 适合选用引水式电站 故初步选择厂房型式为引 水式厂房 2 42 4 枢纽总体布置枢纽总体布置 厂区枢纽是水电站主厂房 副厂房 引水道 尾水道 主变压器场 高压开关站 交通道路和 行政及生活区建筑物等的组合体 厂区布置的目的是确定厂房和厂区其他建筑物的相对位置 使厂 房与上游的进水口和下游的尾水道之间衔接好 水流顺畅 确定副厂房 主变压器场和高压开关站 的位置和对外交通的连接等 也就是要使各建筑物间配合协调 发挥各自的功能 满足运行安全可 靠 副厂房设在主厂房的上游侧 主变压器场在主厂房及开关站位置选定后 布置在主厂房右侧 靠近主厂房布置 并根据进厂交通要求 安装间放在主厂房左侧 这样布置 开关站 主变压器场 安装间及进厂交通都有较合理 另外 在厂房靠近安装间一侧设一条公路 以方便厂区与外界的运 输 交通道宽为 6 米 本枢纽主要建筑物包括溢流坝 电站厂房 通航建筑物等 在枢纽布置选择时 以尽量减小库 区淹没损失 尽量减少发电和航运的相互干扰 尽量有利于施工导流 缩短工期 尽量方便运行管 理 确保枢纽的安全运行 发挥工程的最大效益为原则 优先考虑溢流坝的布置 将溢流坝尽量置 于河槽的中部 厂房和升船机分置两岸 本阶段对左岸厂房和右岸厂房两个枢纽布置方案 在对外 交通 地形地质 施工 通航 运行条件以及经济指标等方面进行比较 本电站采用河床式发电厂 房 坝轴线左岸有进场公路 便于水轮机 发电机及其他大型设备进场 且右岸岸坡较平直 水流 紊动较少 便于轮船进入船闸 故将河床式厂房布置在河流左岸 右岸布置船闸 根据上述布置方案比选 本阶段推荐采用左岸厂房方案 具体布置如下 左岸 布置河床式厂房 主厂房紧靠左岸岸边非溢流坝段布置 占用河床宽 44m 顺水流向流 道长 65m 主厂房上游侧布置 6m 宽坝顶公路桥和拦污栅 检修门启闭门机及工作门启闭台 主厂 房左侧布置 10 62m 长的安装场 在安装场下游侧布置主变压 安装场下游侧场地内布置室外开关 站 左岸非溢流坝 开关站 安装间 副厂房之间围成的区域修建回车坪 且保证其转弯半径不小 于 20m 便于大型车辆运输大型机电设备 河槽中部 布置六孔溢流坝 闸墩顶设 6m 宽公路桥 在溢流坝与厂房 溢流坝与船闸交接处 设置导墙 防止水流相互干扰 造成岸坡冲刷严重 甚至会导致厂房内水流倒灌 右岸 布置垂直升船机 采用预埋门机轨道梁过坝 升船机上游引航道长 40m 上游段利用溢 流坝导墙作引航导墙 与坝轴线垂直 下游同样利用溢流坝导墙做引航道导墙 2 4 12 4 1 主厂房位置选择主厂房位置选择 由前知 本电站采用河床式发电厂房 坝轴线左岸有进场公路 便于水轮机 发电机及其他大 枢纽布置 9 型设备进场 且右岸岸坡较平直 水流紊动较少 便于轮船进入船闸 故将河床式厂房布置在河流 左岸 右岸布置船闸 2 4 22 4 2 副厂房位置选择副厂房位置选择 为便于副厂房采光 副厂房不宜布置在主厂房的下游 因为为河床式厂房 故上游为保障交通 副厂房也不宜布置在厂房上游 根据地形图可知为了便于车辆进入主厂房安装间 故不宜将副厂房 并排布置在主厂房左岸 故初步设计将副厂房布置在主厂房安装场下游段 具体位置宜根据采光 地形及地质而定 2 4 32 4 3 主变压器场及开关站选择主变压器场及开关站选择 主变压器场在主厂房及开关站位置选定后 布置在主厂房安装场的下游侧 靠近主厂房布置 并根据进厂交通要求布置 开关站布置在左侧坝段下游侧 这样使副厂房 主变压器场 开关站 安装间及进厂交通都较合理 2 4 42 4 4 厂区交通及附属建筑物布置厂区交通及附属建筑物布置 1 厂区交通 在厂房靠近安装间一侧设一条公路 以方便厂区与外界的运输 交通道宽为 6 米 在公路与安 装场处设置一回车场 以便于车辆掉头 2 附属建筑物 主要附属建筑物有绝缘油库 油处理室 事故油池 机修间 仓库等 2 4 52 4 5 尾水渠布置尾水渠布置 尾水渠布置在主厂房的下游侧 用于排走下游尾水 防止尾水与从溢流坝下泄的水流相互干扰 导致岸坡 下游河床被水流严重冲刷 本科毕业设计 柳园水电站调压系统及地下部分布置 10 3 3 水轮发电机组选择水轮发电机组选择 3 13 1 水轮机的选型水轮机的选型 3 1 13 1 1 水轮机选择的基本资料水轮机选择的基本资料 装机容量18 z NMW mHmHmHmH avr 3 15 63 10 6 15 15 minmax 3 1 23 1 2 机组台数及单机容量的选择机组台数及单机容量的选择 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 就可以拟定可 能的机组台数方案 在选择机组台数时可从下列方面考虑 1 机组台数与机电设备制造的关系 机组台数增多时 机组单机容量减小 尺寸减小 因而制造及运输都有比较容易 这对于制 造能力和运输条件较差的地区是有利的 但实际上小机组单位千瓦消耗的材料多 制造也较麻烦 故一般都希望选用较大的机组 2 机组台数与水电站投资的关系 当选用的机组台数较多时 不仅机组本身单位千瓦的造价高 而且随着机组台数的增加 相 应的闸门 管道 调速器 辅助设备和电气设备的套数就要增加 电气结线也较复杂 厂房平面尺 寸也需加大 机组安装维护的工作量也增加 因此从这些方面来看 水电站单位千瓦的投资将随台 数的增加而增加 但另一方面 采用小机组则厂房的起重能力 安装场地 机坑开挖量都可缩减 因此又可减小一些水电站投资 总的来说 机组台数变化要引起水电站投资变化 在大多数情况下 台数增多将增大投资 3 机组台数与水电站运行效率的关系 机组台数增多能够增加水电站的电能 但当增多到一定程度 再增多时对水电站的运行效率 就不会有显著的影响了 当水电站在电力系统中担任基荷工作时 选择机组台数少 可使水轮机在较长时间内以最优 工况运行 使水电站保持较高的平均效率 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 运行方式就比较灵活 机组发生事故后所产生的影响小 检修也 较容易安排 但因运行操作次数随之增加 发生事故的机率增高了 同时管理人员增多 运行费用 也提高了 因此不宜选用过多的机组台数 在技术经济条件相近时 应尽量采用机组台数较少的方案 但为了水电站运行的可靠性和灵 活性 一般应不少于两台 故综合考虑 采用三台机组 单机容量为 MWN f 6 水轮机发电机组选择 11 f f N Nr 式中 水轮机的额定出力Nr 发电机的额定出力 f N 发电机效率 对于中小型水轮机 可取 0 95 0 96 故本次选为 0 95 f f KWW N Nr f f36 6 1032 6 1032 6 95 106 3 1 33 1 3 水轮机型号的选择水轮机型号的选择 根据设计水头 参照 水工设计手册 可以有两种选型方案 当 H 30m 时 可选mHr15 择型水轮机 当 10m H 22m 时 可选择型水轮机 故在以下设计中对两种不同型310HL560ZZ 式的水轮机进行方案比选 3 23 2 确定水轮机的尺寸确定水轮机的尺寸 3 2 13 2 1 HL310HL310 型水轮机主要参数的确定型水轮机主要参数的确定 3 2 1 13 2 1 1 转轮直径的计算转轮直径的计算 3 2 HrHrQ81 9 1 1 Nr D 式中 6 32 103KWNr 15 r Hm 由金钟元 水力机械 附表 1 查得该型水轮机在限制工况下的 3 1 1400 1 4 QL Sms 82 6 由此可假定水轮机在该工况下的效率为 85 1 将以上各值代入公式得 M mD05 3 1 85154 181 9 106320 5 1 3 1 选用与之接近的标准直径 3 0 1 Dm 3 2 1 23 2 1 2 效率修正值的计算效率修正值的计算 由附表 1 查得 型水轮机在最优工况下模型的最高效率 89 6 模型转轮的直310HL maxM 本科毕业设计 柳园水电站调压系统及地下部分布置 12 径 0 39 则原型水轮机的最高效率 M D1m 5 11maxmax 11DD MM 5 0 3 39 0 896 0 11 93 1 考虑到制造水平的情况 取 1 0 由于所应用的蜗壳和尾水管型式与模型基本相似 故取 1 0 则效率修正值为 2 1 maxmax M 0 931 0 896 0 01 0 025 由此可求得水轮机在限制工况的效率应为 M 0 826 0 025 0 851 与原来假定的数值相同 3 2 1 33 2 1 3 转速的计算转速的计算 2 110 DHnn av 式中 11010 nnn M 由附表 1 查得在最优工况下的 88 3 r min 同时由于 M n10 1896 0 931 0 1 maxmax 10 1 M M n n 0 019 0 03 所以可忽略不计 则以 88 3 r min 代入上式得 1 n M n10 88 3 3 0 115 3 r minn35 15 选用与之接近而偏大的同步转速rpmn125 3 2 1 43 2 1 4 工作范围的检验计算工作范围的检验计算 在选定的 3 0 的情况下 水轮机在最大的和各种特征水头下相应 1 Dmrpmn125 max1 Q 水轮机发电机组选择 13 的值分别为 n 在设计水头 15以额定出力 Nr工作时 其相应的最大单位流量为 r Hm 851 0150 381 9 6320 HrD81 9 5 121 5 1 2 max1 Nr Q 1 375 1 4 3 ms 则水轮机的最大引用流量为 HrDQQ 2 1max1max 1 375 3 02 47 93 15 3 ms 对值 在设计水头 15时 1 n r Hm min 8 96 15 0 3125 1 1 r Hr nD n r 在最大水头 15 6时 max Hm min 9 94 6 15 0 3125 max 1 min1 r H nD n 在最小水头 10 63时 min Hm min 1 115 63 10 0 3125 min 1 max1 r H nD n 在型水轮机的主要综合特性曲线图上 分别画出 115 1r min 94 9310HL max1 n min1 n 1375L S 的直线 由图可见 由这两根直线与效率线所围成的水轮机工作范围包min rmax 1 Q 含的特性曲线的高效率区较少 3 2 1 53 2 1 5 吸出高的计算吸出高的计算 由 水电站机电设计手册 水力机械 知 对于转轮 其吸出高可按下式计算 310HL HH zs 900 10 式中为电站装置系数 查得 z 36 0 z 当机组台数为 3 4 台时 水电站建成后下游设计最低水位的确定采用一台机组满发时对应的 本科毕业设计 柳园水电站调压系统及地下部分布置 14 下游水位 且设计资料中已知一台机组满发时下游水位为 1001m 故有 1min XDHS T 式中 水轮机的转轮直径 1 D X 系数 其值约为 0 41 水电站厂房建成后下游设计最低尾水位 minT 1001 1 64 0 412 75 1003 76m 故有 HH zs 900 10 mm133 4 1536 0 900 88 240 10 3 2 23 2 2 ZZ560ZZ560 型水轮机主要参数的确定型水轮机主要参数的确定 3 2 2 13 2 2 1 转轮直径的计算转轮直径的计算 HrHrQ81 9 1 1 Nr D 式中 6 32 103KWNr 15 r Hm 由 水工设计手册 查得该型水轮机在限制工况下的 同时查得汽 3 1 2000 2 0 QL Sms 蚀系数 0 75 在允许吸出高 1 时 相应的装置汽蚀系数 S H H HS Z 900 0 10 代入数据后有 0 7161 所以发生末相水击 压力前池设计 31 317 0 68 6 2 3681 9 42 4 175 0 max s TgH LV 式中 阀门开度变化时管道中水流流量的德相对变化率 371 0 317 0 4317 0 25 317 0 4 2 22 m 水击压强 H mHr 0 371 36 2 13 4m 总压力值 Hr H 36 2 13 4 49 6m 转速变化率 1 5 36 1 22 0 0 GDn fTN s 式中 N0 机组额定容量 取 4 万 KW Ts1 0 85Ts 0 85 6 88 5 848 s F 水击影响系数 查 水电站 9 22 得 f 1 47 N 额定转速 取 107 1 minr 378 01 88 12159 1 107 47 1 848 51045 36 1 2 0 4 机组转速最高值 nmax n0 1 107 1 0 378 1 147 58 minr 最大水头下用全负荷 前面已知 间接水击 42 4 V 88 6292 0 1200 175 22 max sc TH 1 7 1 3881 92 42 41200 2 0 max gH CV 丢弃全负荷时 Z0 1 Z0 7 1 1 发生末相水击 35 0 3 043 0 2 3 0 4 2 3 0 88 6 1 3881 9 42 4 175 22 0 max m s TgH LV 水击压力 H mHmax 0 35 38 1 13 335 总压力值 H H 38 1 13 335 51 435 水击压力系数 查 水电站 表 2 22 知 f 1 45 374 01 88 12159 1 107 45 1848 5400005 36 11 5 36 1 222 0 0 GDn fTH s 本科毕业设计 柳园水电站调压系统及地下部分布置 32 机组转速最高值 nmax n0 1 107 1 1 0 374 147 16 minr 水击压力的计算标准如下 压力升高 当 H 40m 时 0 7 0 5 本设计中 0 371 所以满足要求 3 压力降低 负水击时 一压力管道顶部任何一点不出现负压并有 2H2O 以上余压为限 m 尾水管进口的允许最大真空度为 8H2O m 转速变化率的计算标准 丢弃全负荷时 0 6 机电手册 P98 本设计 max 0 378 0 374 0 378 0 6 满足要求 压力管道设计 33 7 7 压力管道设计压力管道设计 7 17 1 压力管道的布置压力管道的布置 结合电站厂房综合考虑 厂房和机组间距 17 故压力管道中心间距也定为 17 管道内径mm 6 衬砌厚度 60 160 开挖直径 7 2 8 则管道间岩壁厚味 9 9 8 靠近调压室附近的mcmmm 分岔起点处岩壁厚 5 厚度虽小 但围岩岩性较好 节理裂隙不发育 采用混凝土衬砌 可以满m 足设计要求 这种平面布置 从调压室后以 25 角分岔 并设平面线 R 30 中心角 12 m 30 此处在布置压力管道是充分考虑到了地质条件 调压室后压力管道的不只 在立面上适宜位 置处转弯 以避免不了的地质条件 满足厂房安装高程的要求 7 27 2 压力管道直径的选择压力管道直径的选择 依据管内经济流速 4 6 进行直径确定 经计算管径为 6 相应流速为 4 42 毅 m sm m s 力管道直径取值不计算值稍大原因是 压力管道较长 采用较大洞径 相对流速 较低 可改 1 善机组运行条件 太平哨水电站为中水头大流量电站 水流较为宝贵 采用较大洞径可获得 2 较多电能 7 37 3 调节保证计算调节保证计算 经调节保证计算 确定水轮机导叶启闭时间为 8s 最大水击压力为 13 34 压力管道压力值为 51 435 机组转速最大升值 147 16 满足要求 minr 7 47 4 压力管道的结构设计及稳定计算压力管道的结构设计及稳定计算 基本资料 水工设计手册 普通碳素钢 A3 屈服强度 s 235000KPa 低合金钢 16Mn 屈服强度 s 345000KPa 岩石弹性拉力系数 K0 400 为了安全 涉及何在为 外水压力 50水柱高 内水压力 60水柱高 钢材弹性模量 E 为 E 2 06 108KPa 泊松比为mm 0 3 压力管道壁厚初估 为了安全起见 不考虑岩石的弹性拉力 自阿内水压力作用下 荷载由钢管单独承担 依据锅 炉公式 水电站 P143 2 00 HDPv 式中 水溶重 9 81 H 内水压力 为 60m D0 管道直径为 6m 焊缝系数 采用双面对焊 0 95 本科毕业设计 柳园水电站调压系统及地下部分布置 34 钢材允许应力 本设计采用 16Mn 钢 取 0 55 s 再降低 20 m012 0 2 034500055 0 2 66081 9 考虑钢管锈蚀 磨损及钢板厚度误差 管壁应力比计算值增加了 2 所以结构厚度为mm 12 2 14mm 另外 管壁最小厚度除满足上述结构稳定要求 还需考虑制造工艺 安装运输等要求 管壁有 必要的刚度 因此管壁最小机构厚度应满足 D 800 4 11 5 且不小于 6 故利用锅炉mmmm 公式计算出的 12与结构厚度 14 满足要求 mmmm 钢管抗外压失稳计算 1 在外水压力作用下 地下埋藏管为光面管时外压失稳计算 0 25 1 7 3440 crs P 式中 钢称厚度 本设计取为 12 m 钢称半径 TP300 cm 钢称屈服强度 3500kg mm2 s 由上式得 0 25 1 71 72 52 3440 34401 2 30035002 219 crs Pkg cm 光面管外压失稳 安全系数为 2 0 即为允许设计外压 2 21 110 cr PPkg cm 22 98 1101 KN mmkg cm 个工程大气压水柱 然而外压力 2 505 Pmkg cm 水柱 因此光面管无法满足抗外压失稳要求 若采用增加钢称厚度或提高钢称屈服强