水電站課程設計(共20頁)

1、水電站課程設計 水輪機選型設計說明書 學校：專業(yè)：班級：姓名：學號：指導老師：第一節(jié) 基本資料3第二節(jié) 機組臺數(shù)與單機容量的選擇4第三節(jié) 水輪機型號、裝置方式、轉輪直徑、轉速、及吸出高度與安裝高程的確定5第四節(jié) 水輪機運轉特性曲線的繪制11第五節(jié) 蝸殼設計13第六節(jié) 尾水管設計16第七節(jié) 發(fā)電機選擇18第八節(jié) 調速設備的選擇19參考資料20第一節(jié) 基本資料一、水輪機選型設計的基本內容水輪機選型設計包括以下基本內容：（1） 根據(jù)水能規(guī)劃推薦的電站總容量確定機組的臺數(shù)和單機容量；（2） 選擇水輪機的型號及裝置方式；（3） 確定水輪機的輪轉直徑、額定出力、同步轉速、安裝高程等基本參數(shù)；（4） 繪制水

2、輪機的運轉特性曲線；（5） 確定蝸殼、尾水管的型式及它們的主要尺寸，以及估算水輪機的重量和價格；（6） 選擇調速設備；（7） 結合水電站運行方式和水輪機的技術標準，擬定設備訂購技術條件。二、基本設計資料某梯級開發(fā)電站，電站的主要任務是發(fā)電，并結合水庫特性、地區(qū)要求可發(fā)揮水產養(yǎng)殖等綜合效益。電站建成后投入東北主網，擔任系統(tǒng)調峰、調相及少量的事故備用容量，同時兼向周邊地區(qū)供電。該電站水庫庫容小不擔任下游防洪任務。經比較分析，該電站壩型采用混凝土重力壩，廠房型式為河床式。經水工模型試驗，采用消力戽消能型式。經水能分析，該電站有關動能指標為：水庫調節(jié)性能 日調節(jié)保證出力 4萬kw裝機容量 16萬kw多

3、年平均發(fā)電量 44350 kwh最大工作水頭 39.0 m加權平均水頭 37.0 m設計水頭 37.0 m最小工作水頭 35.0 m平均尾水位 202.0 m設計尾水位 200.5 m發(fā)電機效率 98.0%第二節(jié) 機組臺數(shù)與單機容量的選擇依據(jù)水能計算結果確定電站總裝機容量時,不僅要考慮電站設計保證率、保證出力、備用容量、多年平均發(fā)電量、水電站年利用小時數(shù)等動能參數(shù)，還要從宏觀上考慮水電站的總投資、年效益等經濟指標。除有特殊要求或在小型水電站中受來流條件限制才考慮安裝不同型號和不同容量的機組外，一般情況下，同一水電站中希望安裝同一型號和相同容量的水能機。這對電站的設計、建設以及運行與維護都是有利

4、的。下面的討論是基于安裝相同型號和相同單機容量的機組進行的。確定水電站機組臺數(shù)和單機容量時，還要綜合考慮下面的因素。一、機組臺數(shù)與工程建設費用的關系在水電站的裝機容量基本已經定下來的情況下，機組臺數(shù)增多，單機容量減小。通常大機組單位千瓦耗材少，整體設備費用低；另外，機組臺數(shù)少，廠房所占的平面尺寸也會減小。因此，較少的機組臺數(shù)有利于降低工程建設費用。二、機組臺數(shù)與設備制造、運輸、安裝以及樞紐安裝布置的關系單機容量大，可能會在制造、安裝和運輸方面增加一定的難度。然而，有些大型或特大型水電站，由于受樞紐平面尺寸的限制，總希望單擊容量制造得大些。三、機組臺數(shù)與水電站運行效率的關系水輪機在額定出力或者接

5、近額定出力時，運行效率較高。機組臺數(shù)不同，水電站均效率也不同。機組臺數(shù)越少，平均效率越低。但是機組臺數(shù)多到一定程度，再增加臺數(shù)對水電站運行效率增加的效果就不顯著。當水電站在電力系統(tǒng)中擔任基荷工作時，引用流量較固定，選擇機組臺數(shù)較少，可使水輪機在較長時間內以最大工況運行，使水電站保持較高的平均效率。當水電站擔任系統(tǒng)尖峰負荷并且程度調頻任務時，由于負荷經常變動，而且幅度較大，為使每臺機組都可以在高效率區(qū)工作，則需要更多的機組臺數(shù)。另外，機型不同，高效率范圍大小也不同。對于高效率工作區(qū)教窄的，機組臺數(shù)應適當多一些。四、組臺數(shù)與水電站運行維護的關系機組臺數(shù)多，單機容量小，水電站運行方式就較靈活，機組發(fā)

6、生事故產生的影響小，機組輪換檢修較易安排，難度也小。但因操作運行次數(shù)隨之增多，發(fā)生事故的機率也隨之增高，同時管理人員多，維護耗材多，運行費用也相應提高。故不能用過多的機組臺數(shù)。五、機組臺數(shù)與電氣主接線的關系對采用擴大單元的電器主接線方式，機組臺數(shù)為偶數(shù)為利。但由于大型機組主變壓器受容量限制，采用單元接線方式，機組臺數(shù)的單、偶數(shù)就無所謂了。上述各種因素互相影響，遵循上述原則，并且該水電站裝機容量為16萬kw，由于2.2萬kw<16萬kw<25萬kw，該水電站為中型水電站，并擔任系統(tǒng)調峰、調相及少量的事故備用容量，同時兼向周邊地區(qū)供電。綜上所述宜選用偶數(shù)機組臺數(shù)：4臺單機容量選擇：單機

7、容量N=16萬÷4=4萬kw水輪機額定出力=N÷98=40000÷98=40816kw第三節(jié) 水輪機型號、裝置方式、轉輪直徑、轉速、及吸出高度與安裝高程的計算根據(jù)該水電站的水頭變化范圍35.0m39.0m，在水輪機系列型普表中查出合適的機型有HL240型水輪機和ZZ440型水輪機兩種?，F(xiàn)將這兩種水輪機作為初步方案，分別求出其有關參數(shù)，并進行比較分析后選擇：一、 HL240型水輪機參數(shù)計算1確定水輪機的轉輪直徑由公式在本例中，額定出力是：=N·98=40000/98=40816KW。又從水電站教材圖4-4，表4-2中查得: =1240L/s , 。并且已經

8、知道=37.0m 帶入公式求得：=4.03m。查表4-6，取與之接近而偏大的標準直徑D=4.10m。2. 效率修正值的計算由圖4-4查得HL240 在最優(yōu)工況下最高效率為92.0%。模型轉輪直徑=0.46m，則原型水輪機的最高效率可以采用公式： =1-(1-0.92)=0.948=94.8%考慮到制造水平的差異，根據(jù)水輪機的標稱直徑，憑經驗取=1% ，如果水輪機所使用蝸殼和尾水管與模型實驗時采用的型式不同，則意味著原型水輪機適應了異型部件。在此處，認為水輪機所采用的蝸殼和尾水管與水輪機的相似，故取=0。則效率修正值由下式計算：=0.948-0.92-0.01-0=0.018=1.8%3. 確定

9、水輪機的轉速n n=108.67 r/min式中： 單位轉速采用最優(yōu)單位轉速 r/minH采用設計水頭，37.0m采用選用的標準直徑=4.03m采用與其接近的同步轉速n= 115.4r/min4工作范圍校核在選定=4.10, n= 115.4r/min后，水輪機的及各特征水頭相對應的即可計算出來，水輪機在，下工作時，其即為，故=1240則水輪機的最大引用流量為：=1240=1225與特征水頭，Hr相對應的單位轉速：75.76 r/min=79.98 r/min=76.5 r/min在HL240型水輪機模型綜合特性曲線圖（見附圖）上分別繪出=1240，79.98 r/mi，=75.76 r/mi

10、n的直線，由圖可見，由這三根直線所圍成的水輪機工作范圍基本上包含了該特性曲線的高效率去。所以對于HL240型水輪機方案，所選定的參數(shù)和n= 115.4r/min是合理的。5.確定水輪機的吸出高由于：=1240=12250=76.5 r/min0.032=202.0m由此可得水輪機的吸出高度：=1.38m6.裝置方式：采用立軸安裝方式7.安裝高程的確定：立軸混流式水輪機=200.5+1.38+1.5/2=202.63m所以，HL220型水輪機方案的吸出高度滿足電站要求二、 ZZ440型水輪機參數(shù)計算1. 確定水輪機的轉輪直徑由表4-1查得ZZ440型水輪機在限制工況下的單位流量，同時可查得該工況

11、下的的氣蝕系數(shù)。但允許的吸出高度時，其相應的氣蝕系數(shù)為： =0.34<0.72式中為氣蝕系數(shù)修正值，由圖3-16查得0.032在滿足-4m吸出高度的前提下，從圖中可查得選用工況點（，）處的單位流量為1020。同時可查得該工況點的模型效率，并據(jù)此假定水輪機的效率為。將以上的各參數(shù)值代入，所以=4.46m選用與之相近的標稱直徑D=4.50m。2效率修正值的計算葉片在不同轉角時的最大效率可以用公式計算。已知：、，=4.46m，H=37m帶入上式得=1-0.65(1-)葉片在不同轉角時的可由模型綜合特性曲線查得，從而可求出相應的值的原型水輪機的最高效率。當選用效率的制造工藝影響修正值時，即可計算

12、出不同轉角時的效率修正值。其中計算結果如下表: ZZ440型水輪機效率修正值計算表項目葉角轉角（）-10-50+5+10+15（%）（%）（%）（%）84.989.74.83.888.091.83.82.888.892.43.62.688.392.03.72.787.291.34.13.386.090.44.43.4由上表查得ZZ440型水輪機最優(yōu)工況的模型效率為。由于最優(yōu)工況接近于等轉角線，故可采用效率修正值，從而可得原型最高效率為：已知在吸出高度-4m限制的工況點（，）處的模型效率為,而該工況點處于和等轉角之間，用內插法求得該點的效率修正值為%，由此可得該工況點的原型水輪機效率為： (與上

13、述假定相近。)由于： 故單位轉速可不作修正，同時，單位流量也可不作修正。由此可見，以上選用的 n=166.7r/mi是正確的。3確定水輪機的轉速nn=156.84 r/min采用與其接近的同步轉速n= 166.7r/min4. 工作范圍校核在選定，n=166.7r/min后，水輪機的及各特征水頭相對應的即可計算出來水輪機在Hr、Nr下工作時，其即為，故則水輪機的最大引用流量為=1020與特征水頭，Hr相對應的單位轉速120.12 r/min=126.80 r/min=123.32 r/min在ZZ440型水輪機模型綜合特性曲線圖(見附圖)上分別繪出=1020，126.80r/min和=120.

14、12r/min的直線，由圖可見，由這三根直線所圍成的水輪機工作范圍?；旧习嗽撎匦郧€的高效率區(qū)。所以對于ZZ440型水輪機方案，所選定的參數(shù)，n=166.7r/min n是合理的。5. 吸出高度Hs的計算在標稱直徑=4.46，轉速n= 166.7r/min的情況下：1020=123.32 r/min在新的設計工況點下，又圖4-7可以查得相應的空蝕系數(shù)=0.32，所以吸出高程為：=3.25>-4m所以，ZZ440型水輪機方案的吸出高度滿足電站要求6裝置方式：采用立軸安裝方式7安裝高程的確定：由2-35立軸混流式水輪機=200.5+（-3.25）+0.396×4.46=199

15、.02m三、兩種方案的比較分析兩種方案的相關數(shù)據(jù)比較見下表水輪機參數(shù)方案對照表項目HL240ZZ440模型轉輪參數(shù)推薦使用的水頭范圍（m）最優(yōu)單位轉速最優(yōu)單位流量最高效率空蝕系數(shù)2545721240920.19520361151650890.34原型水輪機參數(shù)工作水頭范圍（m）轉輪直徑轉速最高效率額定出力最大引用流量吸出高度35.039.04.1115.494.840816122.51.3835.039.04.5166.791.1040816102.0-3.25工作范圍較廣較窄兩種機型方案的水輪機轉輪直徑相近。但HL240型水輪機方案的工作范圍包含了較多的高效率區(qū)域，運行效率較高，氣蝕系數(shù)較小

16、，安裝高程較高，有利于提高年發(fā)電量和減小電站廠房的開挖工程量；而ZZ440型水輪機方案的機組轉速較高，有利于減少發(fā)電機尺寸，降低發(fā)電機造價，但這種機型的水輪機及其調節(jié)系統(tǒng)的造價較高。根據(jù)以上分析，在制造供貨方面沒有問題時，初步選用HL240型方案為有利。 第四節(jié) 水輪機運轉特性曲線的繪制一、等效率曲線的計算與繪制由于水電站水頭較小，現(xiàn)取三個水頭，列表計算如下：HL240型水輪機等效率曲線計算表75.76 37m =77.78=35m =79.98(%)(%)(%)878889909191908988870.860.900.940.981.031.221.251.271.311.3388.889

17、.890.891.892.892.891.890.889.888.830.732.534.336.138.445.546.146.347.347.4878889909191908988870.890.930.981.021.081.221.261.281.331.3788.889.890.891.892.892.891.890.889.888.629.331.033.034.737.242.042.943.144.345.1858687888990908988870.850.910.940.981.031.071.261.281.331.3488.889.890.891.892.892.891

18、.890.889.888.825.227.328.530.131.933.539.539.740.841.15%出力限制線上的點89.61.2691.246.1901.2691.842.990.31.2492.139.0三、等吸出高曲線的繪制1繪制輔助曲線2求出各水頭下的值，并在相應的模型綜合特性曲線上查出水平線與各等氣蝕系數(shù)線的所有交點坐標，,值，填入下表。3在輔助曲線上查出相應于上述各的N值，填入下表。4利用公式計算出相應于上述各的值，填入下表。5根據(jù)表中對應的，值，做出曲線。HL240型水輪機等吸出高曲線計算表(m)39.075.760.220.210.210.220.230.820.8

19、41.331.361.3728.929.847.448.148.20.250.240.240.250.269.759.369.369.7510.140.030.420.420.03-0.3637.077.780.220.210.200.200.210.220.820.870.971.291.331.3626.928.432.538.744.344.80.250.240.230.230.240.259.258.888.518.518.889.250.530.901.271.270.900.5335.079.980.220.210.210.220.230.860.931.291.311.3325.

20、528.039.840.240.50.250.240.240.250.268.758.48.48.759.11.031.381.381.030.68第五節(jié) 蝸殼設計一、 蝸殼型式選擇 由于本水電站水頭高度小于40m，所以采用混凝土蝸殼。二、 主要參數(shù)確定1斷面形狀的確定 由于水輪機為中型水輪機，由相關資料確定，選擇平頂矩形斷面。 當時，選取選擇 由水力機械水輪機標準座環(huán)尺寸系列查?。鹤h(huán)外直徑,即，座環(huán)內直徑，即2蝸殼包角的選擇 混凝土蝸殼，選取3. 蝸殼進口斷面平均流速的確定從圖2-8中由=37m,查取三、蝸殼的水力計算及單線圖，斷面圖的繪制1.確定進口斷面尺寸按公式2-8計算確定蝸殼進口斷

21、面面積2.根據(jù)以選擇的蝸殼斷面形狀，確定具體尺寸 3.劃分中間斷面并計算中間斷面尺寸Ri6.816.215.615.014.413.813.21ai3.633.032.431.831.230.630.03mi4.323.612.892.181.460.750.036bi5.825.114.393.682.962.251.536Fi19.1414.109.786.233.411.360.046i2701981378848190.74.繪制的關系曲線。砼蝸殼的半圖解圖5.所需要的包角，在圖上查的該處的蝸殼斷面面積及相應的外半徑由此可繪出蝸殼平面單線圖。第六節(jié) 尾水管設計一、尾水管型式的選擇本設計中

22、尾水管型式采用彎肘型二、尺寸確定及繪制平面剖面單線圖 由水電站設計手冊第一卷水力機械HL240的轉輪流道尺寸圖。1.進口直錐段，采用，HL240取單邊擴散角2.肘管段：，可不設金屬里襯，采用推薦的尾水管尺寸。3.出口擴散段：底板水平，仰角，取，設中墩，采用4.尾水管的水平長度，,取，尾水管高度由,最低不得小于5.表計算：，取可得：混凝土推薦的尾水管尺寸表2.64.52.721.351.350.6751.821.2210.6618.4511.155.545.542.777.465.00混凝土標準肘管尺寸表1.01.02.0150.360.861.0950.60.180.585.545.5411.

23、161.994.766.073.321.003.216.由上述尺寸繪制尾水管平面剖面和單線圖。第七節(jié) 發(fā)電機選擇一、型式的選擇 由于n=115.4，所以選用半傘式水輪發(fā)電機二、各參數(shù)確定利用發(fā)電機參數(shù)（見設計手冊）及外形尺寸表選用SF45-48/854定子鐵芯組要尺寸為： 額定容量： 轉子重量：外徑 內徑長度 定子機座高度 上機架高度 勵磁機高度 定子支撐面至下機架支撐間距離下機架支撐面至主軸法底面之間的距離轉子磁軛軸向高度定子水平中心線至法蘭底面距離法蘭盤底面至發(fā)電機頂部高度機座外徑 風罩內徑轉子外徑 下機架最大跨度水輪機基坑直徑三、發(fā)電機尺寸圖第八節(jié) 調速設備的選擇一、調速設備選擇的一般原則1.根據(jù)水輪機的出力和水頭等有關參數(shù)，對小型機組，確定出所需要的調速功；對大、中型機組，確定出接力器的直徑和容量、主配壓閥的直徑及壓力郵箱的總容積，從而選出相應的調速器。2.對于大型水電站以及中小型水電站中容量相對較大、在小電網中擔任調頻任務、單機帶孤立負荷的運行方式、對電能品質要求較高或在系統(tǒng)中有較大沖擊負荷的電站，應選擇調節(jié)品質好、自動化程度高的調速器。3.當機組引水管道較長，