毕业设计：若水电站枢纽工程下坝线水电站厂房设计全套

1、第一章若水电站枢纽工程原始资料第一节概述一 工程概况若水电站位于沅水一级支流巫水下游峡谷河段，下距会同县若水乡镇2 km，距洪江市 15km。坝址下游2km有洪江绥宁省级公路从若水乡镇经过，交通较为便利。该工程原规划拟定正常蓄水位 245m，由于水库兴建库区淹没损失大，且淹没省级重 点保护单位高椅古民居。为避免库区高椅古民居淹没，早日实现中级电气化县目标， 2002年5月对若水河段规划进行了重新复核， 使原一级开发改为二级开发，并经省厅审查 通过。复核后本工程初拟正常蓄水位 192m，迥水至高椅坝址，库容0.0738亿m3，装机 16MW，是一座以发电为主，兼有防洪、旅游等综合效益的水电工程，

2、枢纽建筑物由溢流 闸坝、重力式挡水坝、右岸引水发电隧洞和引水式厂房组成。工程等别和建筑物级别本工程以发电为主，兼有防洪、旅游等综合效益。水库正常蓄水位192m时库容为0.0738亿m3，电站装机容量为16MW，根据水利水电工程等级划分及防洪标准SL252-2000规定，工程规模为小（1）型，工程等别为W等。永久性建筑物闸坝、电站厂 房等属4级建筑物，临时建筑物属5级。相应洪水标准为：1大坝、发电引水隧洞等永久性主要建筑物的设计洪水重现期为50年（P 2% ），校核洪水重现期为500年（P 0.2% ）。2电站主、副厂房、变电站及公路等建筑物的设计洪水重现期为 30年（P 3.33% ）， 校核

3、洪水重现期为100年（P 1% ）。第二节水文气象资料洪水各频率洪峰流量详见下表1-1。表1-1坝址洪峰流量表频率（%0.10.20.5123.335102050坝址洪峰流量 （m/s）9420844071606190522045403990308022201190厂址洪峰流量 （m/s）9800879074606460546047504180324023401260水位流量关系曲线1下坝址水位流量关系曲线详见下表1-2 o表1-2下坝址水位流量关系曲线表高程系统：85黄海水位Z (m)182.44183.00184.00185.00186.00187.00流量Q( nVs )36.51855

4、2291213101730水位Z (m)188.00189.00190.00191.00192.00193.003流量Q( m/s )218026803240384044405040水位Z (m)194.00195.00196.00197.00198.00199.00流量Q( nVs )5640624068407440804086402上坝址水位流量关系曲线详见下表1-3 o表1-3上坝址水位流量关系曲线表高程系统：85黄海水位Z (m)184.23185.00186.00187.00188.00189.00流量Q( nVs )36.5255620106015402060水位Z (m)190.

5、00191.00192.00193.00194.00195.00流量Q( m/s)265032703890451051305750水位Z (m)196.00197.00197.50198.00199.00199.50流量Q( m/s)6370699073007610823085403厂址水位流量关系曲线详见下表1-4 o表1-4厂址水位流量关系曲线表高程系统：85黄海水位Z (m)179.12180.00181.00182.00183.00184.00185.00流量Q( m/s)30263600980138018002250水位Z (m)186.00187.00188.00189.00190

6、.00190.5191.00流量Q( m/s)2730327038504480514054805830三泥沙多年平均含沙量: 多年平均输沙量: 设计淤沙高程 淤沙内摩擦角 淤沙浮容重0.089kg / m22.05万t169.0m10 00.9t/m3四气象多年平均气温16.6 C极端取咼气温39.1 r极端最低气温-8.6 r多年平均水温18.2 r历年最咼气温34.1 r历年最低气温2.1 r多年平均风速1.40m/ s历年最大风速13.00m/s，风向：NE水库吹程：3.0km最大积雪厚度21cm基本雪压：0.25KN /m2第三节工程地质与水文地质一工程地质资料1该工程区地震基本烈度小

7、于切度，不考虑地震荷载。 2基岩物理力学指标如下上坝址饱和抗压强度：2030MPa抗剪指标： f砼/岩=0.60.65抗剪断指标：f砼/岩=0.80.9c =0.7 0.8 MPa下坝址饱和抗压强度：1525MPa抗剪指标： f 砼/岩=0.60.62抗剪断指标：f砼/岩=0.70.8c =0.70 MPa二坝址工程地质条件1 上坝址工程地形、地质条件上坝址位于河流弯曲段下游，流向279，基本为“ U型横向河谷。河床基岩裸露，高程181184m，河床宽136m，水深0.53.0 m。坝轴线上游100350m ,河床深槽 较发育，一般槽宽2040m，槽深1114.5。当蓄水位192m时，河谷宽1

8、61m，左岸 冲沟较发育，坝轴线上、下游分别分布2#及3#冲沟，边坡具下陡上缓特征，高程227m以 下坡角45，以上坡角250，山顶高程271m ;右岸地形较平顺，上游有一小冲沟分布，边 坡较陡峻，坡角3545,山顶高程292m。坝址区除两岸均分布有宽度较窄，厚34 m冲积阶地堆积及左岸分布厚 13m残积堆积外，基岩大部分裸露，出露的主要岩性为砂质板岩、绢云母板岩夹长石砂岩、厚层长 石砂岩、含砾砂岩、含砾砂质板岩。坝区岩层走向与河流交角7008d,倾上游偏左岸，坝址区构造较简单，仅上游见F1断层 及物探探测的F3断层，破碎带宽0.10.6 m，延伸长度均小于50m。主要节理有四组。坝区岩石风化

9、受岩性与地形等因素影响，长石砂岩抗风化能力较强，风化较浅；板岩、 绢云母板岩抗风化能力较弱，风化深度较大，两岸山顶受地形切割呈弧立小山包，则强风 化深达2536 m。据钻孔压水试验和地下水观测资料，坝区岩体透水性较差，地下水位坡降陡达4050%埋藏较浅，远高于设计正常蓄水位。坝基岩体透水率小于 5lu占96.8%，基本属弱透 水岩体；防渗帷幕下限（q5lu ）埋深，左岸5.220m，河床57m，右岸2.512m。2 下坝址工程地形、地质条件下坝址位于上坝址下游660m，基本为“ U型横向谷，河流流向2650,河床大部分为 冲积砂砾石覆盖，河床高程182183.5 m，河床宽202m，右河床为浅

10、滩，水深0.51.0m, 左河床为人工改造河槽，水深 1.52.0 m。当正常蓄水位192m时，河谷宽232m。两 岸地形对称，边坡较陡峻。左岸坡角 400430,为崩坡积物所覆盖，山顶高程 324.74 m ； 右岸坡角420450,基岩裸露，山顶高程315.25 m。坝区除少部分为第四系松散堆积物覆盖外，基岩大部分裸露，出露的主要岩性有绢云 母板岩夹中薄层长石砂岩。坝区地质构造较简单，断层未见。岩层产状N201250E,SEv 60。70。，其走向与河流交角600650,倾向上游偏左岸。坝区岩石风化主要受岩性所控制，坝基及坝肩大部分为绢云母板岩，其抗风化能力较 弱，两岸肩强风化相对较深。据

11、钻孔地下水位观测资料，左坝肩地下水位埋深9.540m （高程225m以上），右坝肩地下水位埋深323m （高程226m以上），远高于蓄水位。据钻孔压水试验资料表明， 基岩的透水性与岩体风化程度密切相关，强风化带及弱风化带上部岩体节理裂隙较发育， 岩体完整性较差，透水性较强，为中等透水带，弱风化带中下部和微风化岩体透水性较差， 基本为弱透水或微透水带。坝基防渗帷幕下限（q 1.05 , kz 3.0特殊组合(校核情况)：Kc 1.00, k 7 2.5(2) 厂房抗浮安全系数Kf 1.102 应力控制标准(1) 基础面不出现垂直拉应力(2) 最大垂直压应力小于地基允许承载力(地基承载力安全系数取

12、2)3防渗设计标准(1) 相对隔水层控制线：35lu(2) 坝基设帷幕、排水，a1 0.5 , a2 0.3。第二章机电设备选择第一节水轮机的选型水轮机选择的基本资料装机容量Nz 16MWHr 11.5m, H max 12.9m, H min 9.5m, Hav 12.3m水轮机型号的选择根据设计水头Hr 11.5m，参照金钟元水力机械附表 1,可以有两种选型方案， 分别为方案一（HL310型水轮机）和方案二（ZZ560型水轮机）。根据课题需要本设计中 选用方案一：HL310型水轮机。不再作机型的比较。三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

13、 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

14、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，可合水轮机在较长时间内 以最优工况运行，合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

15、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，采用两台机组，单机容量为 Nf 8MW oNrNff8 10697%8.25 106W 8.25 103KW式中 Nr水轮机的额定出力N f发电机的额定出力f 发电机效率四水轮机主要参数的确定1 转轮直径的计算式中:DiNr9.81 Q 1 HrHrNr =8.25 X 103KWH r =11.5 m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Q1 1400L/S 1.4m3/s，=82.6%

16、.由此可假定水轮机在该工况下的效率为86%将以上各值代入公式得:3D14.23 m8.2510 39.811 .411 .5 v 11.586 %选用与之接近而偏大的标准直径D1=4.5 m .2 效率修正值的计算由附表1查得：HL310型水轮机在最优工况下模型的最高效率M max =89.6%,模型转轮的直径D1M =0.39 m .则原型水轮机的最高效率maxM maxVD1M / D11 10.8965 0.39/4.5=93.6%考虑到制造水平的情况，取E =1.0%,则效率修正值为:max M max=0.936 0.896 0.01=0.03由此可求得水轮机在限制工况的效率应为:M

17、=0.826+0.03=0.856（与原来假定的数值相近）3 转速的计算n ng . H av / D1式中 n10n10M4由附表1查得在最优工况下的n10M =88.3 r/min ，同时由于:丄 .max/Mma； 10.936 /0.8961n10 M=0.022 v 0.03所以n1可忽略不计，则以mM =88.3 r/min 代入上式得:n =(88.5 x 12.3)/4.5=69.0 r/min选用与之接近而偏大的同步转速n 71.4rpm4 工作范围的检验计算在选定的D1 =4.5 m , n 71.4rpm的情况下，水轮机在最大的 Qmax和各种特征水头下 相应的n值分别为

18、：在设计水头H r =11.5 m以额定出力N工作时，其相应的最大单位流量为：Q 1 m axNr80009.81 D 1Hr . Hr 9.814.511 .5、11.50.863=1.20 v 1.4 m /s则水轮机的最大引用流量为：QmaxQ1 max=1.20 X 4.5 2X ,11.5=82.41 m3/s对m值：在设计水头Hr =11.5 m时n1rnD1714 4.5 94才伽-,11.5在最大水头Hmax=12.9m时n1minnD171.二4.5 89.5r/min H max12.9在最小水头H min =9.5 m时n1 maxnD1714 4.5 104.2r/mi

19、n9.5在HL310型水轮机的主要综合特性曲线图上,分别画出n1max =104.2r/min ，n1min =89.5 r/min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基本上包含了该特性曲线的高效率区， 所以对于HL310型水轮机方案，所选定参数D1=4.5 m,n = 94.7 r/min是合理的。5 运转特性曲线的绘制(1)在最大水头Hmax至最小水头范围内，选取4个水头，计算每个水头下的n1n10.5.HmnrpmD1M HD1式中，n 原型水轮机额定转速rpm ；D1原型水轮机标称直径 m ;D1M模型水轮机直径m ；H原型水轮机净水头 m ;H M模型水轮机试

20、验水头 m ;该试验水头均为0.3048米。(2) 按各水头下的ni在模型综合特性曲线上作垂直线，与导叶开度(为90、80 各曲线上的交点即为相应导叶开度的模型效率 M ；与0max线的交点即为模型水传输线机相应的最大功率Nm英制马力；按下式可求得相应的原型水轮机最大功率NTmax千瓦21.5DiHTN T max. 7435 N maxT KWDIMH MMTM式中，Nmax 模型水轮机最大功率(英制马力)M模型水轮机效率T原型水轮机效率效率修正值。0.03(3) 运转特性曲线的计算计算表格如表2-1所示:表2-1HL310转轮运转特性曲线计算表转轮型号：HL310D1=4.5 mD1M =

21、0.39 mn 71.4rpmH r 11.5m, H max 12.9m, H min9.5m, Hav 12.3mH19.5mH 211.5m0.56 n 1M147.6rpmD1MH 10.5n1n 1M134.1rpmD1MH 221.5D1H 1tNt 0.7435Nm1D1 MH MM21.5D1H 2tNt 0.7435Nm12TD1 MH MM0 %M %T %N M hpNT KW0 %M %T %N M hpNT KW10082.782.730.4327443.5610083.283.230.4259753.199084.484.430.4327443.519088.488

22、.430.4259752.98808282.031.4327443.598085.685.630.4259753.097079.879.830.4327443.667084.284.230.4259753.156076.876.830.4327443.776081.581.530.4259753.265071.371.330.43274445076.276.230.4259753.514063.763.730.4327444.374069.369.330.4259753.89HL310转轮运转特性曲线计算表转轮型号：HL310D1 =4.5 mD1M =0.39 mn71.4rpmHr11.5

23、m, Hmax12.9m, H min9.5m, H av12.3mHa 12.3mH412.9m0.50.5D H “D H “ntn147.6rpmntn134.1rpmD1MH 3D1MH 421.521.5D1H3TD1H4TNt 0.7435NmNt 0.7435NmD1MH MMD1MH MM0 %M %T %Nm hpNt kw0 %M %T %Nm hpNt kw10082.982.930.42210712.2710082.782.730.4211451.069089.289.230.422107129089.689.630.4211450.748086.586.530.422

24、10712.18087.387.330.4211450.847084.884.830.42210712.197085.985.930.4211450.916081.581.530.42210712.346081.781.730.4211451.115077.377.330.42210712.555077.777.730.4211451.334070.870.830.42210712.934071.671.630.4211451.7(4) 绘制出力限制线水轮机出力限制线7%勺出力储备线，可按各水头下水轮机最大出力的93冰得。本设计中因选用HL310型水轮机，绘制过程中因Nt差值过小，而出现线重合

25、等现象，精 度达不到要求，故只说明绘制方法，不对其进行绘制。6吸出高的计算由水电站机电设计手册（水力机械）知，对于HL310转轮，其吸出高可按下式计算：Hs 10zH900式中z为电站装置系数，查得 z 0.36。水电站的海拔高度可由表2-2中的厂址水位与流量关系得出。表2-2 厂址水位流量关系曲线表高程系统：85黄海水位z（ m179.12180.00181.00182.00183.00184.00185.00流量q（ m/s）30263600980138018002250水位z（ m186.00187.00188.00189.00190.00190.5191.00流量q（ m/s）2730

26、327038504480514054805830采用内插法可得下式：263 82.41180263 30180 179.12=179.32 m因此：Hs 10zH90010179贸 0.36 11.59005.7m取最大值Hs 5.7m根据实际工程经验，需将计算的吸出高度Hs减1m作为采用的吸出高度，汽蚀较轻微 故Hs取为-6.7 m.7飞逸转速的计算反击式水轮机的飞逸转速nf与水轮机净水头H、导叶开度0有关。最大飞逸转速n fmax n仃maxrPmD1式中：Hmax最大水头（米）n1 f max最大单位飞逸转速查表知，HL310水轮机采用的nmax 163 rpm J12.9nf max1

27、63 4.5130rPm8轴向水推力Pz的计算PzKz4DiHmax式中 Kz 轴向水推力系数，对于 HL310水轮机，Kz 0.37 0.45,取Kz 0.403 142Pz0.404.512.9 82 N4五 水轮机安装咼程的确定对立轴混流式水轮机，安装高程由下式确定:ZsHs式中w尾水位mHs吸出高度 b导叶咼度 m1.76m0.391,故b00.391 4.51.7595m，取 gb01.76ZH0sws179.32 6.7173.5m22故机组安装咼程为173.5 m。第二节水轮机结构与外型尺寸估算混流式水轮机主要由以下几部分组成：(1) 埋入部分：包括蜗壳、座环、尾水管等；(2)

28、导水机构：包括顶盖、底环、导叶和导叶操作机构等;(3) 转动部分：包括转轮、主轴等；(4) 导轴承、密封装置及其他附属装置。蜗壳1 断面形式由Hr 40 m知，应选择混凝土蜗壳。它的断面为梯形断面，有较小的水力损失和平面尺寸，便于施工。蜗壳顶角点和底角点的变化形式有直线和抛物线两种。直线变化结构 简单，水力损失大；抛物线变化结构复杂，水力损失小。为便于施工，故选用直线变化规 律。断面形式如图2-1所示。2蜗壳的水力计算查水电站机电设计手册（水力机械），进口断面流速 Vc=2.9 m/s，故所需的进口断 面面积为：14.2m2Qmax 082.41180c3601.93602.9蜗壳计算表如表2

29、-3所示表2-3蜗壳断面计算表断面序号半径（米）面积（平方米）角度14.452.9421537.305325.055.8422974.07835.659.59359121.6429max6.25141.9602180蜗壳进口断面的具体尺寸如图2-2所示：（单位：米）图2-2蜗壳尺寸图采用半图解法求解其它断面的面积，计算过程如图2-3所示表2-4蜗壳计算表306090120150F23.6647.320170.980194.6402118.3002R8.3288：14.018917.883721.811325.0426根据以上各值可画出蜗壳平面单线如图2-4所示:图2-4蜗壳平面单线图二尾水管1

30、确定尾水管的基本尺寸根据本电站的总装机容量（16MW为中型水电站，为了减少尾水管的开挖深度，采用弯 肘型尾水管。弯肘形尾水管是由进口直锥段、肘管和出口扩散段三部分组成。其大致形状 如图2-5所示：图2-5混流式水轮机尾水管尾水管的基本尺寸查表4-18（金钟元水力机械），HL310水轮机可采用Z6型标准 系列如表2-5所示:表2-5尾水管标准型式与实际计算表参数D1hLBsD4h4h6L1h5标准Z61.02.54.52.741.3521.3520.671.751.31实际4.511.2520.2512.336.0846.0843.0157.8755.895尾水管高度h，指从水轮底环平面到尾水管

31、底板的高度，是决定尾水管性能的主要参数。对高比速混流式水轮机D1D3，h 2.6D1，为了保证机组运行的稳定性，最低不得小于2.3Di。D3可近似取为转轮出口直径，此处取为D3=4.8 m.进口锥管的半锥角的最优值,对混流式水轮机，取79。此处取为90。根据尾水管的结构可得下式：2tg解得 h3 =4.053 m，而 h1 h2 h h4 11.2 6.084 4.053 1.113m , h2 可取为 0.2-0.5,此处取为0.2m。故h1 =0.913 m。因此尾水管外形尺寸如图2-6所示:图2-6尾水管外形尺寸图（单位：米）2尾水管型线图的绘制（见图2-7）b50.326D10.326

32、 4.5 1.467m，取 1.5m尾水管标准弯管段尺寸如表 2-6所示：（单位：米）参数aa1a2ReR7R8Z60.4871.4780.1071.1600.8150.782j- ?r 二0年-4实际2.19156.6510.48155.223.66753.5197-_,图2-7尾水管型线图三水轮机重量估算1水轮机总重量估算水轮机总重量指不包括调速器、油压装置和其他辅助设备的水轮机整体重量。查水 电站机电设计手册（水力机械）图2-55可知，G 430t2 转轮重量估算查水电站机电设计手册（水力机械）图2-56可知,G065t第三节调速系统的选择水轮机调速系统的基本任务是：使水轮发电机组稳定地

33、以额定转速运行，在机组负荷 变化工其他外扰作用下，保证机组的转速变化不超过一定的范围，并能迅速地稳定于新的 工况，从而保证发电机输出的交流电频率满足用电设备的要求。水轮机调节是通过调速系 统根据机组转速的变化不断地改变水轮机过流量来实现的。调速系统的主要设备有：调速器、油压装置和漏油装置。一调速器的型式及工作容量的选择1 调速器型式选择 调速器型式选择的一般要求有以下两点：（1）当电站和机组容量较大，在系统中承担调频任务，应选用调节品质好，自动化程 度高的电气液压调速器。当机组容量较小，在系统中地位不重要，经常承担基荷时， 也可选用机械液压调速器。(2) 选择调速器时应考虑到调速器某些五一节对

34、电站其他设备的要求和影响 2 调速器工作容量的选择调速器的工作容量是指在一定的工作油压下，调速系统所具有的最大可能输出功率， 该输出功率不仅取决于调速功的大小，还取决于关机时间的长短。而主配压阀直径并不能 全面地反映调速器的工作容量，对直径相同但结构不同的主配压阀，具有不同的最大行程, 窗口尺寸和开、关机时间调整方式，因而其摩阻系数和可能最大输出功率也不相同。所以 只有同一类型的主配压阀才能按其活塞直径表征调速器的容量。选择调速器工作容量时，应留有适当的余量以保证机组可靠地开关导叶，关机时间应 能满足调节保证的要求。(1) 主接力器的选择采用两个接力器来操作导水机构，每个接力器的直径ds可按下

35、列公式计算dsD Hmaxb。D1Di式中一一计算系数。取为0.030 ；bo 导叶高度0.030 4.51.76 12.9V 4.50.303m在标准接力器系列表中选择与之接近的直径300mm接力器最大行程Smax (mm)可由下列经验公式求得max1.4 1.80max式中0max为导叶最大开度。0max可由模型水轮机的导叶开度0M max依下式换算求得D0Z0M0max0M maxD0M Z0式中D0、d0M分别为原型和模型水轮机导叶轴心圆的直径Z。、Z0M分别为原型和模型水轮机导叶数目由水电站机电设计手册图1-18 可查得 0Mmax 33mmD04500mm,DM 390mm, Z2

36、0,Zm 15。所以0max33 4500 15285.58mm。390 20取 Smax 1.5 0max 1.5 285.58428.37mm,则两个接力器的总容积VS 2ds2Smax3.14 0.32 0.42820.06m3。(2)主配压阀的选择主配压阀的直径与通向接力器的油管直径是相等的，主配压阀油的流量为Vs 0.06TS 50.012式中Ts导叶从全开到全关的直线关闭时间s ,Ts 5s4Q , 4 0.0120.062m 62mmVm 3.14 4主配压阀直径为ds式中Vm管内油的流速，一般在(4 8) m/s范围内选取。此处取为4m/s大型调速器以主配压阀的直径为表征组成系列的，因此在反击式水轮机调速器系列型谱表中本水电站可选择 DT-100。查水电站机电设计手册表 6-7可知其基本资料如表2-7所示：图2-8调速器外形尺寸图表2-7 DT-100基本资料表型号制造厂机械柜尺寸基础柜尺寸电气柜尺