水电站课程设计

《水电站建筑物》课程设计BL电站计算说明书姓名:学号:指导教师:年月日基本资料1．1工程概况根据某市供水和灌溉的需求，于X河的Y河口坝址修建BL水电站。该电站水库控制流域面积2085km2，坝址处数年平均径流量7.21×108m3。水库属大(2)型，工程等别为Ⅱ等，重要建筑物为2级，次要建筑物为3级。采用混合坝型，拟建一座坝后式水电站。电站尾水泄入灌溉渠道，结合工农业用水进行发电。水电站厂房按3级建筑物设计，厂房经右岸坝下公路对外联系。1．2设计的目的与任务目的：通过本次课程设计，使学生将所学水电站基本知识加以系统化，可以运用基本理论知识解决实际工程问题，使学生在分析问题、理论计算、制图、编写说明书与计算书等方面得到锻炼，初步掌握水电站的设计环节、方法、基本理论，为参与工作打下基础。任务：进行水轮机选型与厂房布置设计。1．3BL电站设计资料气象资料：该地区数年平均气温9.3℃，最低气温－35.8℃。最大风速北风21m/s。最大冰厚0.37m。地面冻结深度一般在1.1m左右。水文资料：(1)水库特性水位与溢洪道泄量特性：特征水位水位(m)库容(×108m3)泄量(m3/s)下游河床相应水位(s)特大洪水位1035036.65千年一遇洪水位72.79.21834036.36百年一遇洪水位70.8487035.50正常高水位68.66.42死水位47.00.7（2）水库的重要技术指标：项目单位数量总库容×108m38.47调节库容×108m35.72死库容×108m30.7灌溉面积万亩83.6城市、工业用水×108m31.3最大坝高m54.0电站装机容量kw6400电站年运用小时数h3084数年平均发电量×104kw.h1973.9电站尾水渠水位流量关系：电站尾水渠出口即为灌溉渠道的渠首，渠底高程40.35m，渠顶高程45.90m，渠道设计流量48.0m3/s。渠道加大流量53.0m3/s。电站尾水渠水位流量关系表(Z~Q)：水位Z(m)41.3541.8542.3542.8543.3543.8544.3544.8545.35流量Q(m3/s)5.5410.4016.0022.2028.9035.8043.1052.7057.80(3)厂房地质资料水库坝址系由变质岩、沙岩、熔岩及花岗岩类组成，坝址有一组北北西向断层，在厂房范围内有一小断层通过。本地区地震基本烈度为Ⅶ度。厂房设计烈度为7度。(4)水轮机选型的基本资料：经水能计算，最终拟定：１．电站最大水头Hmax＝27.8m；２．加权平均水头Ha＝22.1m；３．设计水头Hr＝21.3m；４．电站正常运转时的最小水头Hmin＝14.0m。５．水电站总装机容量Nf＝6400kW，考虑水电站运营及用水量变化规律，经方案比较，决定选用两台机组。发电机效率ηf＝0.91。水轮机的选型本水电站的最大水头Hmax=27.8m，正常运转时最小水头Hmin=14.0m，加权平均水头Ha=22.1m，设计水头Hr=21.3m。水电站总装机容量Nf=6400kW，设计装机台数2台，单机容量Ny1=3200kW。2.1水轮机型号选择根据该水电站的水头变化范围14.0~27.8m，查《水电站（第三版）》，河海大学，刘启钊主编P73表3-4水轮机系列型谱中查出合适的机型有HL240、HL310。选择HL240。2.2转轮直径的计算转轮直径D1按下式计算： （2-1）式中 Nr ——水轮机的额定出力，3200kW； Hr ——水轮机的设计水头，21.3m； ——原型水轮机单位流量，初步假定； ——与相应的原型效率，假设为89.6%。根据计算结果，D1=1.63m，应选择与之相近且偏大的轮转标称直径，但D1=1.8m相差太大，可近似取为D1=1.6m。（2）转速n的计算查《水电站（第三版）》，河海大学，刘启钊主编P74表3-6可得HL310型水轮机模型在最优工况下的单位转速=88.3r/min。水轮机的转速n按下式计算： （2-2）式中 ——原型水轮机最优工况下单位转速，初步假定==88.3r/min； Ha ——水轮机的平均水头，22.1m； D1 ——水轮机的轮转直径，由（2-1）计算可得，1.6m。由式（2-2）得，n=231r/min，选用与之接近而偏大的同步转速250r/min。（3）效率及单位参数修正查《水电站（第三版）》，河海大学，刘启钊主编P74表3-6可得HL310型水轮机模型最高效率ηMmax=89.6%，模型的转轮直径D1M=0.39m。对于混流式水轮机，当水头H<150m时，原型效率按下式计算： （2-3）效率修正值为，则原型的效率为： （2-4）按下式鉴定是否对单位转速进行修正： （2-5）由式（2-5）可知，此时单位转速可不加修正，同时，单位流量也可不加修正。由上可见，原假定的η=89.6%是对的的，那么上述计算及选用的结果D1=1.6m、n=250r/min也是对的的。工作范围的检查水轮机在Hr、Nr下工作时，其 （2-6）则水轮机的最大引用流量为 （2-7）与特性水头Hmax、Hmin和Hr相相应的单位转速为 （2-8）在HL310型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出、、的直线，由这三根直线所围成的水轮机工作范围基本并末包含该特性曲线的高效率区。对于HL310型水轮机方案，所选定的参数D1=1.6m和n=250r/min是合理的。2.3吸出高度的HS计算由水轮机的设计工况参数，，在曲线图上查得相应的气蚀系数约为σ=0.1，气蚀系数修正值Δσ＝0.05（当HP＝21.3米时）。可按下式计算水轮机的吸出高度： (2-9)式中 —水轮安装位置的海拔高程，本设计取为下游水位一般水位44.5m； —模型气蚀系数，0.1； —气蚀修正系数，0.05； —水轮机水头，本设计取为设计水头21.3m。计算式（2-9）得，水轮机的吸出高度HS=6.79m。飞逸转速nf的计算 （2-10）式中 —模型最大也许开度的单位飞逸转速，520r/min； Hmax ——水轮机最大水头，27.8m。两种方案的比较分析为了便于比较分析，现将两种方案（HL240、HL310型水轮机方案的重要参数选择，引用别人计算成果）的有关参数列入表2-1中：表2-1 水轮机方案参数对照表序号项目HL240HL3101模型转轮参数推荐使用的水头范围（m）25~45<302最优单位转速n'10(r/min)72.088.33最优单位流量Q'10(L/s)112012004最高效率Mmax(%)9289.65气蚀系数0.20.366原型水轮机参数工作水头范围（m）14~27.814~27.87转轮直径D1(m)1.81.68转速n(r/min)214.33009最高效率max(%)93.9192.1610额定出力Nr（kW）3200320011最大引用流量Qmax（m3/s）16.74816.54112吸出高度HS(m)4.206.79由表2-1可见，HL240型水轮机方案的工作范围包含了较多的高效率区域，运营效率较高，气蚀系数较小，有助于提高年发电量和减小电站厂房的开挖量。故选择HL240型水轮机方案，即：选定水轮的型号为HL240—LJ—50。2.4蜗壳尺寸计算本电站为小型引水式电站，引用流量小，为减少厂房的开挖量及高度，采用立轴式。引用水头较低，因此采用混凝土蜗壳为宜。混凝土蜗壳断面为梯形，包角。混凝土蜗壳流量拟定：拟定，经查P32页表2-8得，，假定拟定蜗壳尺寸混凝土蜗壳的外轮廓尺寸拟定：m联立求得，则从水轮机主轴到蜗壳进口外边沿半径为绘制，得出我可轮廓单线2.5尾水管重要尺寸拟定尾水管尺寸示意图本电站为小型电站，为减少开挖量，尾水管采用弯锥形。尾水管直锥段某些部位尺寸所示，计算如下：管直锥段进口宽度D3=D1+1.0cm=180+1.0=181cm=1.81m；直锥段长度L=4D3=4×1.81=7.24m；尾水管出口到底板距离h=1.5D3=1.5×1.81=2.715m，取3m；圆锥角=14o，半圆锥角/2=7o尾水管出口宽度D4=，圆锥角稍作改动，取为1.0m；b=1.2D3=1.2×1.81=2.172m，c=0.85D3=0.85×1.81=1.539m；尾水管出口高程=47.80-7.24=40.56m。由于本水电站的最低尾水位为44.5m，所以淹没深度为3.94m，所以，在尾水管出口加长一段圆管，长度为4.0m。那么尾水管出口高程为40.56-4.0=36.56m。尾水管底板高程=尾水管出口高程-h=36.56-0.80=35.76m。取底板厚度为0.5m，那么基础开挖高程为35.76-0.5=35.26m。2.6拟定水轮机安装高程（按一台水轮机的50%额定流量设计）3发电机组型式型号：TSL330/60─32；额定电压：6300伏；频率：50赫；相数：三相；功率因数：0.8；额定转速：187.5r/min；飞逸转速：520r/min；转动惯量：＞125t；推力轴承负荷：75t；正常运转时所承受的扭矩：20.8t·m；短路运转时所承受的扭矩：77.3t·m；定子基础荷重：94t；下机架基础荷重：41t。4调速设备机组配用GT─3500调速器，调速器油压由HYZ─0.6油压设备供应。调速器名义工作容量3500kg·m；调速轴最大回转角45°，接力器活塞直径350mm。5厂房起重设备30／5双钩桥式起重机性能起重量主钩t30副钩5跨度m10.513.516.519.522.525.528.531.5起升高度主钩m12副钩m14起升速度主钩m/min7.48副钩20.2起重机总重t25.828.631.836.139.744.948.452.8最大轮压22.824.325.126.027.229.030.231.4大车钢轨90×90主要尺寸BQmm465047005000B608061306430b260300H23402471H18701000H29096246266416566716816H32230217021802023H4552420H5-125-257S12050S21700S31035S427156主厂房重要尺寸的拟定6.1主厂房长度6.2主厂房宽度拟定厂房上游侧做吊运机组部件主通道以上各式中：R1──蜗壳＋X方向最大平面尺寸，为4.433；R2──蜗壳－X方向最大平面尺寸，为3.136；δ1──蜗壳外部砼厚度，由水工结构拟定。可用1.0m。B──尾水管宽度；δ2──尾水管边墩砼厚度，由水工结构拟定。可取1.0m。Х3──发电机通风道内径；δ3──发电机通风道壁厚，可取0.3m；b──两台机组之间通风道外壁的净距，可取1.0m；6.3厂房各控制高程的拟定水轮机安装高程厂房顶高程的拟定7主、副厂房的布置7.1主厂房的布置蝶阀坑高度和宽度查《小型水电站》中册，对于卧式机组不必设立贯通全厂的主阀廊道，单个设立主阀坑即可。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。蝴蝶阀重要尺寸：a=1730mm；b=880mm；c=350mm；d=850mm；e=470mm。所以，蝶阀坑长度=d+1000+800=2650mm=2.65m蝶阀坑宽度=e+1000+800=2270mm=2.27m蝶阀坑高度==1730+1000=2730mm=2.73m主厂房的长度和宽度机组间距机组的布置方式：机组的布置方式对拟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。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，同样满足上述规定。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0.8~1.0m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0.3m。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1.0~1.3倍，视机组容量和台数而定。5、当厂内设有吊车时，拟定厂房宽度应考虑到吊车的标准跨度规定。根据以上原则拟定：机组间距取5.5m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规定，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0.4~0.9m。由此取边机距离墙壁的长度=4.0m，=4.83m。安装间的长度安装间的长度当机组台数不超过4~6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拟定。初步设计时，可采用=(1.0~1.5)，故取安装间的长度为9.569m。安装间的布置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运用厂房桥吊卸货。水电站对外交通运送道路可以是铁路、公路、或水路。对于中小型水电对外交通运送道路站采用公路。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拟定，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，其中发电机转子应所有置于主钩起吊范围内。发电机转子和水轮机转轮周边要留有1~2m的工作场地。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4.4m×4.2m。主厂房内机电设备布置及交通运送主厂房内机电设备的布置主厂房内的机电设备重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，以缩短管路和运营操作方便。励磁盘与机旁盘装置在距离墙壁0.8m处。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立吊物孔，用于起吊发电机层以下几层的一些小型设备。孔尺寸为2.2m×1.6m的吊物孔，盖有承重盖板。7.2副厂房的布置设计副厂房：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。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营。中控室的净高度一般为4~4.5m.。中控室和发电机层之间最佳用玻璃做成隔音墙。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。中控室附近应设立交接班室、值班室及卫生间等。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，并设立一个工作台。中控制的净高取3.9m。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，并尽也许缩短其距离。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，将开关柜设立成两排，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，开关室设有二扇宽度为1.2m的门。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，重要供应操作电路、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。直流配电室一般涉及蓄电池室、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。根据以上规定将储酸室和蓄电池室布置在一起。储酸室，宽度为4.3m，长度为5.6m；蓄电池室布置在储酸室的旁边，宽度为4.3m，长度为5.8m。楼梯厂房各层之间用楼梯作重要交通通道，运营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。厂变和工具间厂变和工具间布置在开关室和中控室之间，厂变宽度为2.0m,长度为3m。工具间布置在发电机层旁边，邻近安装间的位置，作为放置平常工具与零碎用品的场合。故将工具间布置在开关室的旁边，邻近安装场，宽度为3.0m,长度为3.8m值班室和休息室值班室和休息室布置在中控室旁边，值班室长为6m，宽为3m；休息室长为6m，宽为2.5m。调度室和通讯室调度室和通讯室依次布置在休息室旁边，尺寸都为：长6m，宽2.5m。卫生间卫生间布置在通讯室旁边，长为6m，宽为2.5m。参考文献[1]刘启钊.水电站(第三版).北京：中国水利水电出版社，1998[2]马善定、汪如泽主编.水轮机.北京：中国水利水电出版社，1996[3]顾鹏飞、喻远光编.水电站厂房设计.北京：中国水利水电出版社，1987[4]陈坤、姚珍格、李柯君.水电站厂房设计.北京：中国水利水电出版社，1993[5]中华人民共和国水利部.SL266-2023水电站厂房设计规范.北京：中国水利水利出版社，2023[6]中华人民共和国水利部.SL281-2023水电站压力钢管设计规范.北京：中国水利水利出版社，2023[7]中华人民共和国水利部.SL73.1-95水利水电工程制图标准-基础制图.北京：中国水利水利出版社，1995[8]中华人民共和国水利部.SL73.2-95水利水电工程制图标准-水工建筑图.北京：中国水利水利出版社，1995[9]水力学（上）/吴持恭主编.----3版.----北京：高等教育出版社，2023.11（2023重印）