水电站厂房设计 毕业设计(论文).doc

毕业设计 水电站厂房设计 学生姓名 指导教师 班 级 2010 届 专 业 水利水电工程 学 院 2012 年 2 月 10 日 目录 1 摘要 1 1.1 中文摘要 .1 1.2 英文摘要 .2 2 前言 3 3 基本资料 4 3.1 工程任务 .4 3.2 基本资料 .4 4 厂房设计说明书 6 4.1 厂区布置 .6 4.1.1 考虑因素 6 4.1.2 方案比较 6 4.2 水轮机型号的选择 .7 4.2.1 水头计算 7 4.2.2 水轮机主要参数的确定 8 4.3 尾水渠设计 .9 4.4 压力管道直径及蝶阀的确定 .10 4.5 损失计算 .10 4.5.1 沿程损失 .10 4.5.2 局部损失 10 4.6 蜗壳尺寸的确定 .12 4.7 尾水管尺寸计算 .14 4.8 水电站厂房尺寸设计 .14 4.8.1 主厂房高程的确定 14 4.8.2 主厂房长度 l 的确定 16 4.8.3 主厂房宽度确定 17 4.9 起重机选择 .18 5 致谢 .19 6 参考文献 .20 7 附件 .21 7.1 附图 22 1 1 摘要 1.1 中文摘要 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，水轮机型号的选择，蜗壳尺寸的确定，尾水管尺寸的确定，调速器和蝶阀的型号选择， 水电站厂房尺寸的确定，尾水渠渠道布置、形式选择、开挖方量等，并根据要求绘制相应的 平面布置图和剖面图。 水电站位于广东省鼎湖区境内，位于中国南方大河珠江干流西江河上，水力资源丰富， 可供修建大中型水库和电站，流域下游为该县的主要产粮区和工业发展区。由于受电力不足 的影响，严重制约了该地区的经济发展，为了解决该地区的用电紧张问题和合理开发老灌河 水力资源，拟定修建水利水电枢纽工程，以发电为主，结合防洪，城市供水，农田灌溉及水 产等进行综合利用。 本电站的设计水头为 29.24 米，单机容量 3200kw，共三台机组，总装机容量 9600kw。 关键词：峰荷、装机容量、效率、水库、发电机、水轮机。 2 1.2 英文摘要 abstract this graduate design undertakes the part design of hydroelectric power station workshop arrangement of luoyin water conservation water and electricity project，the design was finished according to the primitive data that there has been and the geography diagram of the place ,which mainly were about the selection of hydroelectric power station sites ,the total arrangement ,the selection of the type of hydraulic turbine ,the choice of the size of the apiral case ,the choice of the draft tube size , the selection of the type of speed governor and butterfly valve , the calculation of the size of the water power factory ,the outlet arrangement of the tail channel ,the selection of the form ,the cubic quantity of digging etc. and the homologous flat arrange drawing and the cross section ,according to the request ,must be completed. that hinge locates in the xijiang river ,which locates in dinghu district of guangdong province and is the zhujiang river for the most part and there are so abundant water power resources that they can be provided to set up the big and medium-sized reservoir and hydroelectric power station .the river valley downstream is the main food production area and the developped industy area of the country .the economic development of this region is serious restricted for not have enough electric power .in order to solve the problem and develop the water resources of the laoguanhe the luoyin water conservation water and electricity project is drawn up constructed ,regarding generating electricity as the main goal ,joining together the flood control ,municipal useage ,farmland irrigation and water product etc. the design head of hydraulic turbine is 29.24 meters.there are three generating units in the station,each capacity is 3200kw,the elect-installed capacity is 9600kw. keywords: peakload、capacity、capacity、reservior、generator、turbine. 3 2 前言 水电站厂房是水工建筑物、机械及电气设备的综合体，是水能转化为电能的生产场 所，也是运行人员进行生产和活动的场所。其任务是通过一系列工程措施，将水流平顺 的引入水轮机，使水能转换成为可供用户使用的电能，并将各种必需的机电设备安置在 恰当的位置，创造良好的安装、检修及运行条件，为运行人员提供良好的工作环境。水 电站厂房设计的发展随着生产力的发展而不断发展,且随着人们生活水平的提高有新的发 展趋向,近年向以人为本的方向发展，厂房设计的方法随着计算机的发展有很大的发展和 改善。 毕业设计是我们在校期间的最后一门必修课，也是一次全面性总结性的实践环节， 对我们走向工作岗位起着承上启下的作用。它是在老师指导下，综合运用四年来所学知 识和科学研究的基本内容和基本工作程序，树立较强的工作概念、工程概念、经济概念， 培养分析问题和解决问题的能力，完成作为一个工程师的基本训练，是为将来顺利走向 工作岗位提供业务知识和能力的保证。 这次设计是我们走向工作岗位前的一次“实战演习” ，它可以巩固、联系、充实、加 深、扩大我们所学的基础知识和专业知识，提高运用所学知识，解决实际问题的能力， 培养我们敢于创新的精神，并能正确地将独创精神和科学的态度相结合，使我们初步掌 握专业设计的流程和方法，熟练运用计算机等工具，以提高其工作效率。重要的是让我 们养成了严肃认真，刻苦钻研、实事求是的工作作风和良好的工作、学习习惯。通过同 学们在一起的交流与协作,培养大家的协同合作的工作作风。 毕业设计对于我们来说，是一个独立设计、创作的过程，其中的每一步和每一个环 节都是对我们的考验和锻炼，它将成为我们今后的学习和工作做铺垫，提高我们多方面 的能力。水电站设计是水利水电工程建设设计工作的重要组成部分，其中站址的选择是 个很复杂的问题，这主要是因为方案选择要考虑多方面的因素。此外，厂房中各设备的 布置也要考虑众多因素。我们就是要针对设计中所遇到的具体问题，运用所学知识，参 考相应的书籍、规范以及一些实际工程资料，找到其解决方法。 在对设计图的处理上，运用了 autocad 的基本知识，使得绘图更加方便，快捷，从 而避免了手工绘图得种种不便，提高了工作效率。同时，也运用了 word 知识，使得我们 对计算机知识更加巩固。 在李明理老师的悉心指导下，在同组同学同学的帮助下，经过三个月的努力，毕业 设计才得以顺利完成，在此谨表衷心的感谢！ 限于本人水平，也限于时间，涉及中难免存在疏漏和不妥之处，敬请老师和同学们 批评指正。 编者：石志豪 2012 年 2 月 4 3 基本资料 3.1 工程任务 属广东省肇庆境内，位于中国南方大河珠江的干流西江上，该处地形、地质条件良 好，水力资源丰富，可供修建大中型水库和电站。流域下游为该县的主要产粮区和工业 发展区，由于受电力不足的影响，严重制约了该地区的经济发展。为了解决该地区用电 紧张问题和合理开发西江河水力资源，拟定修建水利水电枢纽工程，以发电为主，结合 防洪、城市供水、农田灌溉及水产等进行综合利用。 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。 3.2 基本资料 3.2.1 流域资料 西江河全长 2129km，流域面积 4219km2，总落差 1340m，河床平均比降约 5.2%，罗 隐位于西江河中游，距鼎湖区城约 2km。罗隐以上控制流域面积约 2580km2，多年平均降 雨量 6.635 亿 m3.罗隐下游约 1.8km 处有小电站，装机 600kw。在小和之间的小水库库容 约 100 万 m3，有效库容 60 万 m3. 3.2.2 交通条件 在枢纽左岸有一条简易公路沿河向下游大约 3km 处和通向县城的主干公路相交;枢纽 右岸山的另一边距罗隐约 2km 处有一条通向县城的主干公路。 3.2.3 气候条件 气温：该地区年平均气温 22，最高气温 40，最低气温 6。 降水：多年平均降水量约 1550，降水量在时间和空间上分布很不均匀，一般 是深山多于浅山和丘陵区，降水量的 61.8%集中于 69 月，其中 78 月占年降雨量 的 41.5%。 风向和风速：多年平均最大风速为 7.63m/s，相应风向为北东向。 3.2.4 水能规划资料 水库特征水位及相应库容如下表： 表 1 水库特征水位及相应库容 水位（m） 相应库容（万 m3） 校核洪水位 294.94 8910 设计洪水位 291.56 7380 正常蓄水位 288.00 5200 发电死水位 271.80 1800 泄洪流量及下游水位与流量关系 大坝主要采用坝顶溢流泄洪，溢流坝净长度为 143m，溢流坝坝顶高程为 288m。5 年 一遇洪水下泄流量为 1500m3/s，20 年一遇洪水下泄流量为 3050m3/s，50 年一遇洪水下泄 流量为 4100m3/s，500 年一遇洪水下泄流量为 7700m3/s。水库下游河道与流量关系见下 表： 表 2 水库下游河道与流量关系 水位 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 5 （m） 流量 （m 3/s） 0 330 910 1670 2730 4700 5470 7700 8850 10750 电站装机容量 电站装机容量拟在 9000kw 左右，主要作调峰运行。 3.2.5 地形地质条件 地形 西江河在鼎湖区为北南流向，该处河谷狭窄，主要为中高山区，相对高度多在 100200 m，最高可达 700m，山坡不陡峻，基岩不怎么裸露，河谷呈“v”字型，河谷 宽度一般在 80180m，罗隐处约为 140m，河床底高 243246m。山坡坡度左岸 4045， 右岸约为 30。 地层岩性 罗隐周围为岩浆岩，基岩裸露，第四系沉积很薄，残坡积也不发育，岩浆岩岩性主 要为花岗岩，多为中薄层，层间结合较好，坚硬，风化较轻。河床冲积层为近代漂砾、 卵石、粗砂组成，厚约 15m。总体上讲，工程地质条件比较简单，没有明显不利的工 程地质问题。 3.2.6 原始资料 设计说明书一份，地形图一张。 6 4 厂房设计说明书 4.1厂区布置 4.1.1 考虑因素 站址选择要考虑：厂房形式的选择、交通条件、开挖方量、施工场地的选择、泄洪 产生的影响、生活区和管理区位置的协调、及对其他工程的协调影响。 厂房形式：根据已知资料，电站正常蓄水位为 288 米，下游河道最低水位为 246 米。所以最大水头差约为 42 米。属中水头厂房范围 30-100 米。 若考虑采用河床式厂房 或坝内式厂房，则由各方面资料可知，对于小型水电站来说，这两种型式都过于复杂， 需要考虑的因素太多，而且也不经济，所以不予采用，应考虑采用坝后式厂房。 交通条件：由资料知，在枢纽的左岸有一条简易公路沿河向下游大约 3 千米处和 通往县城的主干相交；枢纽右岸山的另一边，距坝址约 2 千米处有一条通向县城的主干 公路。若将厂房设在大坝的右岸，就需要修建一条盘山公路与 2 千米外的通向县城的主 干公路相衔接，工程量较大。若不修路而改架桥通向左岸的简易公路，这样又不太经济， 所以应考虑将厂房设在大坝左岸，那么，那条简易公路可修建为进站公路。 开挖方量：考虑开挖马房沟一地建厂房，直接打一条引水隧洞由大坝处引水。这 样大约可以形成 7 到 8 米的水头差，这对电站来说是很有利的，但考虑到马房沟的开挖 量大约在 30 万立方以上，开挖量过大，经济成本高，而且本项工程是起调峰电站的作用， 如此设计，则下游的小电站将关闭，那他对本项工程的反调节作用也就没有了，而且对 下游的诸多电站也都会造成影响。 若厂房紧贴坝后，太靠近岸边，会受到挑流影响，靠岸里侧一些，则进水口需要加 宽，增大了山体开挖量。暴雨季节，山体滑坡，进水口会逐渐淤死。若设冲沙闸于厂房 下部，又使大坝的结构、管道布置等问题过于复杂。 在左岸从坝轴线向下游 100 米左右，山体坡度较缓，开挖方量小，不易引起滑坡， 而且护坡较为方便。若直接在大坝下游紧靠大坝建电站，则由于山体坡度较大，而开挖 方量较大，再者，由于厂房与坝上游进水口的距离短，则有压进水管不宜采用分叉式， 用独立式布置投资又较大。所以考虑将厂房布置在距离大坝约 100 米处的凹向左岸的山 窝处，初步估计最远挑距为 120 米，厂房稳定性可不受影响。但是会有水雾现象，若再 将距离拉远一些，引水距离又显得过长了。 施工场地的选择：在左岸由于坝下游 400 米左右处的地形较为平缓，易于布置施 工设备，进行厂房施工备料。 泄洪产生的影响：站址确定在下游左岸，距坝轴线的距离应适当，否则泄洪产生 的水雾可能会影响发电机组的正常运转，厂房应面对下游布置，可以避免大坝泄洪时的 水流不稳定、水位不稳定，及对尾水位的影响。 生活区和管理区位置的协调：在坝下游左右岸地形条件相比，左岸的袁家庄地形 很平缓，到施工场地的距离也合适，适宜建设生活区和管理区。 对其他工程的协调影响：在水库大坝的下游有已建的小电站，为保证小电站能正 常运行，发电尾水必须汇入原河道，所以电站应靠近下游河道修建。 4.1.2 方案比较 方案一：厂房布置在距坝轴线下游 100 米的左岸。 7 1）山体坡度较缓，开挖方量小。 2）有压进水管可采用联合式，水头损失小，不考虑水击问题，投资少。 3）水流挑射对厂房的影响小。 4）交通便利，可利用已有的交通条件，减少工程投资。 5）便于进行施工总体布置 方案二：厂房紧靠坝布置。 1）施工干扰大。 2）左岸靠近坝处，山体坡度大，开挖方量较大。 3）有压进水管不宜采用联合式，用单元式会增大投资。 4）下泄水流的水汽对厂房内的设备有影响。 5）损失小，不考虑水击问题。 方案三：在马房沟一地开挖，修建引水式电站。 1）须埋设的压力引水管道较长，增大投资。 2）发电尾水没有汇入原河道，影响下游已建工程的运行。 3）泄洪对尾水无影响，可提高电站运行效率。 4）水头损失大，水击压力大。 综合以上分析，选第一方案最优。电站厂房布置在左岸距坝轴线下游 100 米处。 4.2 水轮机型号的选择 4.2.1 水头计算 由于该电站为调峰电站，为了增加供电可靠性，拟选三台发电机，则每台的装机容 量为 9000/3=3000kw，可适当增加容量保证可靠性，查小型水电站发电设备手册发 电机标准系列，选单机容量为 nd =3200kw，相应水轮机出力 n=3400kw。 由原始资料知，上游最高水位为 288m，最低水位为 271.8m。 假定开一台机组运行时下游水深约为 1m，引水系统水力损失约为 0.8m。开三台机组 运行时下游水深约为 2m，引水系统水力损失约为 1.5m，则 水电站最大水头 maxh284610.8.2m 水电站最小水头 in75.3 算术平均水头 maxinh)/2(40.)/21.5平 均 （ 该电站为坝后式，水电站设计水头 （1 ）rav.95h 式中： hav水电站加权平均水头，应比算术平均水头大，初拟为 32m，则r0.32.4m 8 4.2.2 水轮机主要参数的确定 确定水轮机转轮直径 取水轮机工作范围为 2241m，在反击式水轮机系列型谱中查得 hl240 型水轮机比 较适用于这一水头范围。 （2 ）21.5drdrdn=9.81qh 9.8d 式中：n d发电机单机容量 qr水轮机设计流量 q1单位最大流量 d1水轮机转轮 d发电机效率 水轮机效率 hr水轮机设计水头 初拟 d=94%，=92%。则 311.5 1.520d 1.35m9.89.81490.4drnq 查水轮机转轮标准系列取 d1=1.4m223rh/s 效率修正值的计算 查小型水电站发电设备手册图 1-15hl240 型水轮机转轮综合特性曲线，hl240 型 水轮机在最优工况下的最高效率 mmax=92.0%，模型转轮直径 d1m=0.46m。 则原型水轮机的最高效率 （3 ）1m55maxmaxd0.461)(.92)3.%1( 考虑制造水平的差异，根据水轮机的直径凭经验取 =1.0%，原型水轮机所采用的 蜗壳和尾水管与模型水轮机的相似故取 =0。 则效率修正值由下式计算 （4）max=0.936.201=.6m = 水轮机在限制工况处的效率为 + .49 确定水轮机转速 由水轮机相似定律 （5） 111mndnh1 9 在上式中原型水轮机的单位转速应取最大单位转速即 （6）10n 1 nm= hl240 模型水轮机的最优单位转速 ，72 同时由于 max100.93611.09.3mn 可不予修正，因此，原型水轮机的最优单位转速和模型机的相同，即 =72。10mn 172391.4nhd 查水电站表 4-7 选与之接近而偏大的发电机标准同步转速，取 ne=300r/min。 反算水轮机设计水头 （7）21.59.8rnq = 231()9.8rhd23240()9.4 m qr= =13.14 m3/s2r19 q 总 =3qr=313.14=39.42 m3/s 故所选水轮机为 hl240lj140，设计流量为 13.14 m3/s，设计水头为 29.24m。查 小型水电站发电机设备手册表 114 选与之相应的发电机为 tsl325/3620，与之 配套的调速器为 ct40，油压装置为 yz1。 4.3 尾水渠设计 取尾水渠底宽 b=8m，为梯形断面，边坡坡率 m=0.25，底坡 i=0.001，尾水渠为新开 挖基岩，糙率 n=0.018，初步设计尾水渠长 100 米，则尾水渠上下游高差h=0.1m 尾水渠水深计算迭代公式 （8）0.620.41()1)/()j j jnqhbhmbhi 开一台机组时 q=13.14 m3/s，经计算 h=1.02m 开三台机组时 q=39.42 m3/s，经计算 h=2.07m 则下游最低水深 hmin=1.02+0.1=1.12m，高程 247.12m 下游最高水深 hmax=2.07+0.1=2.17m，高程 248.17m 下游平均水深 h=1.65m，平均水位为 247.65m 10 4.4 压力管道直径及蝶阀的确定 按经济流速确定压力管道直径，压力管道经济流速 ve一般为 46m，取为 4m/s 管道直径计算公式： d=1.13 （9）/eq 管道内流速： v= （10）243.1d 对于主管，q=39.42 m 3/s .9./.5m主 24=18/s3.支 对于支管，q=13.14 m 3/s 1/.0d支 24=8ms3.支 查水电站建筑物设计参考资料 ，蝶阀选型为 df200-150，卧轴，名义直径两米。 4.5 损失计算 以下损失计算过程中，所有系数来源于天津大学水利系主编的小型水电站 4.5.1 沿程损失 （11） 1.94qml063dh沿 式中：d钢管内径 q管中流量 l管长 考虑管道结构形式对沿程损失系数的影响,取为 0.000826 m考虑钢管使用年限的系数，取为 1.021.94320.8261.0=.5m0h沿 4.5.2 局部损失 局部水头损失由下式计算： 11 （12） 2h局 局 g 式中： h 局 局部水头损失 局 局部水头损失系数 计算断面平均流速 g重力加速度，9.80 拦污栅损失 拦污栅水头损失系数 （13）4/3s()kinb拦 式中： 与拦污栅条断面形状有关的系数，圆形，1.79 s栅条直径，1 b栅条净距，5 拦污栅与水平面夹角，70 k考虑拦污栅上附着污物对水头损失系数的影响，1.5 4/31.79().5sin70.3拦 过栅流速 1m/s 2.0h.m98拦 考虑堵塞取为 0.1m 进口局部损失 进口为喇叭形进口，局部损失系数为 0.1 断面平均流速为 1.5m/s 21.5h0.0m98进 渐变段损失 渐变段长度一般为遂洞直径的 1.52 倍，侧面扩散角以 68为宜。取损 失系数为 0.1 断面平均流速 2q39.4.m/sa5.h01.08渐 闸门槽损失 取损失系数为 0.1 23.h01.05m98闸 12 水管转弯局部损失 弯道转角约为 25，损失系数约为 0.15 24.18h0.50.3m9弯 岔管损失 岔管偏角约为 25，流经岔管后的流速接近，取损失系数约为 0.1924.18h0.90.7 有两条岔管，故损失为 20.17=0.34 m 阀门损失 蝶阀损失系数约为 0.11 24.18h0.0.9阀 总水头损失为 h.251.5.13.40=1.3m局沿 4.6 蜗壳尺寸的确定 图 1 混流式水轮机蜗壳平面图 对蜗壳任一断面 （14）imaxi360q （15）axii （16）iairr2 13 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 crkh129.45.m/s k流速系数，取为 1iairr主 轴 中 心 到 该 断 面 的 距 离水 轮 机 座 环 固 定 导 叶 的 外 半 径 ,自 涡 壳 鼻 端 算 起 至 计 算 断 面 的 角 度 蜗壳进口断面 3cmax3451.2.6m/s60q 式中： c.0.8354+xcr=1.2.6=97 对于 255包角断面 3cmax255.4.m/s360q251.420.7 y25r=.+.=3- 对于 165包角断面 3cmax16516.4m/s30q165.450.x165r=.2+.6=4- 对于 75包角断面 3cmax7571.2.7m/s30q75.450.6+ycr=1.2.= 14 4.7 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，查水电站机电设计手册及水电站 ，图中相应尺 寸如下： 13445615d.m,.,d1.893mhh,h0.938l6.72,.b8 4.8 水电站厂房尺寸设计 4.8.1 主厂房高程的确定 水轮机安装高程 t： （17）twshx 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 （18）sh10)90-( 15 s 24765h109.)3.0m9-(- 导叶高度 b0=0.511m 水轮机实际允许吸出高 ：s0sb.513.262 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 在尾水渠设计时已算得下游平均水位为 247.65m，开一台机时，下游水深为 247.12m。 247.1356.1/5.63mt 尾水管底板高程 尾 （19）0b.2尾 -h 式中： h尾水管高度 .51063=46.87m尾 主厂房基础开挖高程 f （20）1h尾 - 式中： 尾水管底部浇注混凝土厚度，1m1h f246.8715.m 水轮机机层地面高程 1 （21）1tc4h 式中： c蜗壳进口断面半径 h4蜗壳混凝土保护厚度，1m 1250.6381.0=25.m 发电机装置高程 g （22）156h 式中： h5发电机机墩进人孔高度，1.82.0m 16 h6发电机机墩进人孔顶部厚度，1m g25.1825.3m 发电机层地面高程 2 （23）23h 式中: h3发电机转子基坑深度 25.18256.4m 吊车安装高程 c （24）c278910hh 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 mc256.480.310.5261.83 屋顶高程 r （25）r12314h 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吊车检修预留空间，0.5m h14屋面板厚度 r261.8340.526.17m 4.8.2 主厂房长度 l 的确定 （26）0=n+l安 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