水电站课程设计.doc

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1、水电站课程设计水电站课程设计一、设计目的使学生对水电站初步规划阶段的水能利用、水电站开发方式选择、水电站出力估算、水轮发电机组选择设计和厂房布置等工作内容有全面了解、重点掌握水电站装机容量和机组台数确定、水轮机选择设计、参数计算等工作内容和程序。通过工程设计实例的训练，培养学生独立工作及综合分析、解决问题的能力，以便将来承担水电站工程设计任务。二、拟设计水电站参数资料及相关要求拟设计某一引水式水电站，已经过水文水能计算，其各种技术参数及设计要求如下：1电站最大水头，加权平均水头，设计水头，最小水头；2电站最大可引用流量；3拟选用水轮发电机组额定出力（单机容量）及台数：4水电站站址海拔高程；5下

2、游水位流量关系曲线（略）；6要求最大允许吸出高。三、设计内容1.确定水电站装机容量（通过估算水电站出力确定）及台数；2.机型号的选择及主要参数计算；3水轮机调速设备及水轮机发电机的选配；4蜗壳、尾水管型式选择及各有关尺寸计算；5厂房布置设计（水电站主厂房各层平面及剖面图）。四、设计报告1水轮机型号的选择据该水电站的工作水头范围，在反击式水轮机系列型谱表中查得HL240型水轮机和ZZ440水轮机都可使用，这就需要将两种水轮机都列入比较方案，并对其主要参数分别予以计算。2水轮机主要参数的计算 2.1 HL240型水轮机方案主要参数的计算2.1.1直径的计算式中 同时在附图1中查得水轮机模型在限制工

3、况下的效率，由此可初步假设水轮机在该工况的效率为910。将以上各值均代人上式得：选用与之接近而偏大的标准直径2.1.2效率修正值的计算 由附图1查得HL240型水轮机在最优工况下模型的最高效率，模型转轮的直径，则原型水轮机的最高效率可采用下式计算，即：考虑到制造工艺水平的情况取；由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型机基本相似，故认为；则效率修正值为：由此得水轮机限制工况的效率为：（与原来假定的数值相同）2.1.3转速的计算 式中 由附图1查得在最优工况下的，同时由于：所以可忽略不计，则以代入上式得：选用与之接近而偏大的标准同步转速2.1.4工作范围的验算在选定的，的情况下，水轮机的和各种

4、特征水头下相应的值分别为： 则水轮机的最大引用流量为： 对值：在设计水头时 在最大水头时 在最小水头时 在HL240型水轮机的模型综合特性曲线图上，分别画出，和的直线，如图2.1.4所示。可以看出这些直线所标出的水轮机相似工作范围（阴影部分）基本上包括了特性曲线的高效率区，所以对选定的直径，还是比较满意的，但这还需要和其它方案作比较。2.1.5 水轮机吸出高Hs的计算由水轮机的设计工况（，）在附图1上可查得相应的汽蚀系数；再由设计水头，在附图2可查得，于是可求得水轮机的吸出高为：2.2 ZZ440型水轮机方案主要参数的计算2.2.1转轮直径的计算式中，值同前。对于值，可由附图2查得该水轮机在限

5、制工况下的，同时还查得汽蚀系数。但在允许吸出高=-5.5m时，则相应的装置汽蚀系数为： 所以，为了满足对吸出高的限制，值可在ZZ440型水轮机综合特性曲线（附图2）上依工况点（）查得为1330L/s。同时亦可查得该工况点上由此可初步假设水轮机的效率为87。将以上各值带入上式，便可求得：基本符合标准直径，故选用。2.2.2 效率修正值的计算对于轴流转浆式水轮机，叶片在不同转角时的最大效率可用下式计算： 已知代入上式。得： 叶片在不同转角时的值可从水轮机综合特性曲线图查得，由此可应用上式求得相应于该角时的水轮机最高效率，并将计算结果列于表2.2.2。当选取制造工艺影响的效率修正值和不考虑异形部件影

6、响时，便可计算得不同转角时的效率修正值为：将的计算结果也列在表3-4中。表2.2.2 ZZ440型水轮机效率修正值计算表叶片转角1050+5+10+1584.988.088.888.387.286.088.190.691.290.889.989.03.22.62.42.52.73.02.21.61.41.51.72.0由轴流式水轮机模型主要参数表查得ZZ440型水轮机在最优工况下的最高效率由于最优工况很接近于的等转角线，故采用效率修正值，这样便可得出原型水轮机的最高效率为：已知在限制工况()时模型机的效率为：而该点处于两等转角线之间，用内插法可求得该点的效率修正值为由此可求得水轮机在限制工况下

7、的效率为：与原来假定的效率很接近，不再修正。2.2.3 转速的计算由于 所以不考虑的修正，由此可求出水轮机的转速为：选用与之接近而偏大的标准同步转速n600r/min。2.2.4 工作范围的检验计算在选定的的情况下，水轮机的和各种特征水头下相应的值分别为：则水轮机的最大应用流量为：对值：在时 在时 在时 在水轮机综合特性曲线图上画出：，的直线，如图2.2.4所示。可以看出这些直线所示出的水轮机相似工作范围（阴影部分）仅包括了部分高效区。2.2.5 水轮机吸出高的计算在设计工况（）时，由水轮机综合特性曲线图可查得汽蚀系数为0.52，由此可求得水轮机的吸出高为：（不满足要求）3两种方案的分析比较

8、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 水轮机方案参数对照表序号项 目HL240ZZ440123456模型转轮参 数推荐使用的水头范围（m）最优单位转速最优单位流量限制工况单位流量最高效率设计工况汽蚀系数25457211001240920.19520361158001660890.4278910111213原型水轮机 参 数工作水头范围（m）转轮直径D1（m）转速最高效率额定出力最大引用流量吸出高24.535.61.0428.693.1516846.562.46424.535.61.060090.416847.047-6.64从表中可以看出，两种不同的机型方案在同样水头下同

9、时满足额定出力的情况下，HL240型方案与ZZ440型方案相比较，它具有效率高，工作范围好，汽蚀系数小等优点，这可以提高水电站的年发电量和减小厂房的开挖量，而ZZ440型方案的优点仅表现在水轮机的转速较高，可以选用较小尺寸的发电机以节省水电站的机电投资，但该型水轮机为双调节的水轮机，水轮机和调速设备的价格均较高。由此看来，若在造价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，尚需要做出各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。4绘制水轮机的工作特性及运转特性曲线前面已在主要综合特性曲线上初步检验了水轮机的工作范围，但对原型水轮机来说这种工作范围尚

10、不够准确也不够直观，而且在应用上也不够方便。因此，为了进一步分析比较原型水轮机的能量、汽蚀特性，计算水轮机的能量指标以评定所选择的水轮机直径、转速的正确性和指导水轮机的安全经济运行，则需要绘制水轮机的运转特性曲线。水轮机在正常运行中，同步转速n (即额定转速)是不变的，当水头H和出力N变化时,效率和汽蚀系数也随之变化.反映原型水轮机在各种运行工况下这些参数之间的关系称为水轮机的特性曲线.最常用的有水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线.在一定水头下,效率和出力之间的关系曲线称为水轮机的工作特性曲线,综合反映各种运行状况下,等参数之间的关系曲线.称为水轮机运转特性曲线或水轮机运转综合特性曲线.这些特

11、性曲线都是根据模型水轮机的综合特性曲线通过相似公式的转换计算而来的.现将上述例题的水轮机综合特性曲线计算和绘制方法分述如下:4.1 HL240型水轮机运转特性曲线的绘制4.1.1基本资料： 转轮的型式 HL240型，主要综合特性曲线图见附图1。 转轮的直径和转速 ,额定转速 特征水头 水轮机的额定出力 水电站的海拔高程 4.2.2等效率曲线的计算由于水电站的水头变化范围较小，现取4个水头，即，按以上所述的方法及例题中的有关数据列表4.2.2分别进行计算，25表-4.2.2 混流式水轮机运转特性曲线计算表转轮型号:HL240,综合特性曲线见图,D1=1.0m,n=428.6r/min,Hmax=

12、35.6m,Hr=28m,Hmin=24.5m,870.8387.151.507870.85587.151.323850.87585.151.08382.50.9482.650.925880.86888.151.595880.89688.151.403860.91686.151.147851.02585.151.039890.91289.151.694890.94489.151.495870.96487.151.221861.06586.151.092900.94590.151.775900.9890.151.569881.00488.151.286871.10587.151.146910.9

13、8591.151.871911.0391.151.667891.03689.151.342881.1488.151.196921.192.152.112911.21691.151.968901.0890.151.415891.289.151.273911.19391.152.266901.2590.152.001911.17591.151.556881.2988.151.353901.22490.152.300891.27389.152.016901.25290.151.640871.32987.151.378891.25289.152.326881.30488.152.041891.2788

14、9.151.655861.35486.151.388881.28688.152.362871.3387.152.059881.31688.151.686851.3885.151.398871.31787.152.392861.3686.152.081871.33887.151.69482.51.41382.651.390861.34886.152.420851.37685.152.081861.35186.151.691801.4480.151.373851.36885.152.42882.51.41982.652.083851.37885.151.70582.51.41382.652.434

15、801.4580.152.06482.51.41882.651.703801.44880.152.419801.44980.151.6875%出力限制线上的点89.51.23589.652.30790.41.23690.551.98890.31.2490.451.63088.51.26388.651.3324.2.3等吸出高曲线的计算亦按上述方法和例题中的有关数据列表4.2.3以不同水头分别进行计算表4.2.3 等吸出高曲线计算表H(m)（r/min）N(MW)35.671.80.210.851.530.2458.7220.3220.20.991.90.2358.3660.6780.21.22

16、52.290.2358.3660.6780.211.3152.380.2458.7220.3220.221.3552.430.2559.078-0.0340.231.382.440.2659.434-0.3900.241.392.450.2759.79-0.7463275.80.210.8351.260.2487.9361.1080.20.951.50.2387.6161.4280.21.2952.010.2387.6161.4280.211.332.050.2487.9361.1080.221.352.090.2588.2560.7880.231.3652.090.2688.5760.468

17、0.241.3832.090.2788.8960.14828810.220.871.090.2617.3081.7360.210.981.240.2517.0282.0160.21.031.310.2416.7482.2960.21.221.620.2416.7482.2960.211.281.660.2517.0282.0160.221.291.680.2617.3081.7360.231.311.70.2717.5881.4560.241.341.710.2817.8681.17624.586.60.220.980.970.2646.4682.5760.221.171.240.2646.4

18、682.5760.231.21.2730.2746.7132.3310.241.241.310.2846.9582.0864.2.4绘制水轮机的运转特性曲线由表4.2.2中的数据便可绘制出各水头下水轮机工作特性曲线4.2.4.1，等效率曲线和出力限制线图4.2.4.2。同时还可绘出的辅助曲线图4.2.4.3。再由表4.2.3中的数据绘出的辅助曲线图4.2.4.4，并由此在图4.2.4.2上绘出等曲线。这样图4.2.4.2便成为HL240型水轮机的运转特性曲线。图4.2.4.2为HL240 型水轮机在设计水头=28m时的总工作特性曲线。图中曲线为一台水轮机工作时的的工作特性曲线；按照等出力分配的

19、原则，将该曲线的横座标乘2，便可得出两台水轮机同时运行的工作特性曲线；同样，将其的横坐标乘3 便可绘出三台水轮机同时运行的工作特性曲线等等。曲线1和曲线2相交时的出力为，曲线2和曲线3相交时的出力为，由此可以看出：当水电站负荷小于时，最好用台水轮机工作，因为这种运行方式可以得到最高的效率；当负荷在之间时，最好用两台水轮机同时工作；当负荷大于时则用三台水轮机工作等等。这样，便可以得出水轮机在运行中从一种台数过渡到另一种台数的最优切换条件(如,等)，从而给水电站提供了在不同负荷时水轮机之间最优的负荷分配方式和运行方式。为了表示不同水轮机台数在不同水头下的运行方式，同时亦可绘制水轮机的总运转特性曲线

20、。图4.2.4.5亦为HL240（）型水轮机在时的总运转特性曲线。作图时先绘出一台水轮机的运转特性曲线(这在图4.2.4.2中也已绘制过)。同样根据等负荷分配的原则，将所有工况点的横座标乘2, 乘3等，便可绘制出两台，三台水轮机同时工作的总运转特性曲线。5. 蜗壳尺寸的确定由于，选用混凝土蜗壳，蜗壳包角查设计手册取图1 混流式水轮机蜗壳平面图对蜗壳任一断面式中：Qi该断面流量i该断面半径Qmax水轮机最大流量c进口断面流速K流速系数，取为1 蜗壳进口断面式中：对于255包角断面 对于165包角断面对于75包角断面6. 尾水管尺寸计算图2 混流式水轮机尾水管水电站所用尾水管为弯肘型，查水电站机电

21、设计手册及水电站，图中相应尺寸如下：7. 水电站厂房尺寸设计7.1 主厂房高程的确定7.1.1 水轮机安装高程T：式中： W水电站正常运行时可能出现的最低下游水位，一般取一台机组的过流量相应的尾水位。Hs水轮机允许吸出高导叶高度水轮机实际允许吸出高：气蚀系数，由水轮机特性曲线决定气蚀系数修正值，由水轮机厂家提供H计算水头水电站厂房所在地点的海拔高程，初步设计时可采用下游平均水位高程X水轮机压力最低点与安装高程之间的差值，对于混流式水轮机X = b0 / 2 在尾水渠设计时计算得下游平均水位为m，开一台机时，下游水深为m。7.1.2 尾水管底板高程尾 式中： h尾水管高度7.1.3主厂房基础开挖

22、高程F式中： 尾水管底部浇注混凝土厚度，1m 7.1.4 水轮机机层地面高程1式中：c蜗壳进口断面半径h4蜗壳混凝土保护厚度，1m7.1.5发电机装置高程G式中： h5发电机机墩进人孔高度，1.82.0mh6发电机机墩进人孔顶部厚度，1m7.1.6 发电机层地面高程2 式中:h3发电机转子基坑深度7.1.7 吊车安装高程C 式中： h7发电机上机架高度h8吊运部件与固定的机组或设备间的垂直净距h9最大吊运部件高度h10吊运部件吊钩之间的距离h11主钩最高位置至轨道顶面的距离，可从起重机主要参数表查出7.1.8 屋顶高程R式中：h12轨顶到吊车小车距离，可从起重机主要参数表查出h13吊车检修预留

23、空间，0.5mh14屋面板厚度7.2 主厂房长度L的确定式中：L主厂房长度n机组台数L0机组段长度 L安安装间长度L边机组段加长 机组段长度L0的确定 对于蜗壳层对于尾水管层 对于发电机层，机组段间距由发电机定子外径控制式中：D风发电机风罩外缘直径d 两相邻风罩通道间的距离L0取三者中的大值，7.08m 边机组段加长L=（0.11）D0=11=1.0m 安装间长度L安=（11.5）L0=1.27.08=8.50m取安装间长度为10米，则主厂房长度 取主厂房长度为35米7.3 主厂房宽度确定式中：B主厂房净宽Bx下游侧宽度Bs上游侧宽度 水下部分净宽的确定上游侧宽度式中： 1.25座环半径1.0

24、混凝土保护层厚度0.574蜗壳上游侧断面直径4.0蝶阀坑宽度下游侧宽度 式中：1.25座环半径1.0混凝土保护层厚度1.058蜗壳下游侧断面直径2走道宽度 则，主厂房净宽 水上部分净宽的确定上游侧宽度式中：2.0发电机风罩半径5布置调速器，油压设备及机旁屏必需的距离下游侧宽度式中：2.0发电机风罩半径2.5下游走道宽度则，主厂房净宽取两者中的大值，主厂房的宽度为11.632m8.水轮机调速设备的选择与计算水轮机的调速设备一般包括调速柜主接力器和油压装置三部分。中小型调速器是将这三部分组合在一起成为一个整体设备，它以主接力器的工作容量（即调速功）为表征组成标准系列。因此在选择时只需要计算出机组的

25、调速功即可对于大型调速器三者是分开的，调速柜(包括主配压阀在内)、主接力器和油压装置并不固定配套，因此要分别进行选择大型调速器是以主配压阀的直径来表征的，因此需先求得主接力器的容积。然后据此以计算主配压阀的直径，选择相应的调速器。中小型调速器的选择 中小型水轮机的调速功是指接力器活塞上的油压作用力与其行程的乘积(kg。m)，对反击式水轮机一般可采用以下经验公式进行计算 A=(2025)Q 式中 A调速功(kgm，1Kgm=9.80665J); H最大水头(m) Q最大水头下额定出力时的流量(m/S); D水轮机转轮直径(m)。由计算所得的调速功A可在调速器系列型谱表中选用YT1000调速器。阀门选用D941X-6/Dg800。参考文献：1.张洪楚等，水电站 北京：中国水利水电出版社，1994.2.水电站机电设计手册编写组。水利水电机电设计手册（水力机械）。北京：水利电力出版社，1983.3.金钟元。水力机械。北京：水利电力出版社，1986.附图1 HL240转轮综合特性曲线附图2 汽蚀系数的修正曲线附图3 HL240系列水轮机应用范围图附图4 ZZ440系列水轮机应用范围图附图5 ZZ440型水轮机模型曲线