卧轴式水轮机水电站课程设计说明书

1、 水电站厂房 课程设计二一一 年 九 月 二十 日目 录1. 课程设计的目的 22. 课程设计题目描述和要求 23. 课程设计的内容 3 3.1水轮机型号的选择 7 3.2发电机层地面高程与水轮机层地面高程 10 3.3尾水管出、 和尾水室尺寸和吊车轨顶高程的确定 10 3.4 蝶阀坑的高度和宽度的确定 11 3.5尾水渠的高度和宽度的确定 12 3.6主厂房的长度和宽度 12 3.7副厂房 14 3.8厂房枢纽布置 153.9 钢管应力分析 154. 课设心得和体会 201.课程设计目的水电站厂房课程设计是 水电站 课程的重要教学环节之一, 通过水电站厂 房设计可以进一步巩固和加深厂房部分的

2、理论知识, 培养学生运用理论知识解决 实际问题的能力, 提高学生制图和使用技术资料的能力。 为今后从事水电站厂房 设计打下基础。2. 课程设计题目描述和要求(一工程概况本电站是一座引水式径流开发的水电站。拦河坝的坝型为 5.5米高的砌石滚水坝, 在河流右岸开挖一条 356千米长的 引水渠道,获得静水头 57.0米。电站设计引用流量 7.2立方米每秒,渠道采用 梯形断面,边坡为 1:1,底宽 3.5米,水深 1.8米,纵坡 1:2500,糙率 0.275, 渠内流速按 0.755米每秒设计, 渠道超高 0.5米。 在渠末建一压力前池, 按地形 和地质条件,将前池布置成略呈曲线形。池底纵坡为 1:

3、10。通过计算得压力前 池有效容积约 320立方米。 大约可以满足一台机组启动运行三分钟以上, 压力前 池内设有工作闸门、拦污栅、沉砂池和溢水堰等。本电站采用两根直径 1.2米的主压力钢管, 钢管由压力前池引出直至下镇墩 各长约 110米, 在厂房前的下镇墩内经分叉引入四台机组, 支管直径经计算采用 直径 0.9米。钢管露天敷设,支墩采用混凝土支墩。支承包角 120度,电站厂房 采用地面式厂房。(二设计条件及数据1. 厂区地形和地质条件:水电站厂址及附近经地质工作后,认为山坡坡度约 30度左右,下部较缓。 沿山坡为坡积粘土和崩积滚石覆盖,厚度约 1.5米。并夹有风化未透的碎块石, 山脚可能较厚

4、,估计深度约 22.5米。以下为强风化和半风化石英班岩,厂房 基础开挖至设计高程可能有弱风化岩石, 作为小型水电站的厂址地质条件还是可 以的。2. 水电站尾水位:厂址一般水位 10.0米。厂址调查洪水痕迹水位 18.42米。3. 对外交通:厂房主要对外交通道为河流右岸的简易公路,然后进入国家主要交通道。 4. 地震烈度:本地区地震烈度为六度,故设计时不考虑地震影响。(三有关机电设备:1. 水轮机 ;台数:四台;重量:7000Kg ;型号:HL702(220 WJ 50;参考价格:22000元 /台;额定转速:n =1000n/min设计水头:HP=57.0m ;设计流量:QP=1.8m 3/s

5、;额定出力:N =845KW ;查小型水电站中册,水轮机部分,天津大学主编, P812-813表 2-3和 P840图 2-24得气蚀系数 =0.133(限制工况 ,气蚀系数修正值 =0.022(当 HP=57.0米时 。2. 调速器(自动调速器 :型号:XT-300;台数:四台;接力器全行程:150mm ;接力器全行程时间:1.55s ;外形尺寸:长×宽×高(mm 1635×1000×1785;重量:1081Kg ;参考价格:20000元;安装位置由电站布置决定。3. 发电机:台数:四台;型号:SFW118/44-6;额定功率:800KW ;额定电压:

6、6300V ;发电机总重:6500Kg ;cos =0.8;额定转速:n=1000n/min;飞逸转速:np=1800n/min;外形尺寸:长×宽×高(mm 3190×1530×1500;参考价格:65000元 /台;4. 蝶阀:(如图所示0.8m 手电动操作;重量:阀体 340Kg ;活门 :277Kg;启闭方式:电动操作;主要尺寸:a=1730mm; b=880mm; c=350mm; d=850mm; e=470mm。ab 立式蝴蝶阀外形示意图5. 桥式起重机:参考天津大学水利系主编 小型水电站 中册, 水轮机部分, P10921093。型号:SD

7、Q 手动单梁起重机; 台数:一台;起重量:10000千克;跨度:建议采用 10.5米。(四电气主结线及电气设备布置:电站采用单母线分段接线, 1号和 2号发电机组的出线经高压开关接至 6.3KV 母线为一组。 另一组由 3号和 4号发电机组组成。 每一组各自通过主变接入 35KV 高压母线,二段母线之间用高压开关连接,厂用电由发电机母线经变压器送至 380V 母线。根据电站主结线,水电站内应布置下列配电设备:高压开关柜共 13只,其 中:1#、 2#、 3#、 4#发电机开关柜共 4只, 6.3KV 母线联络柜 2只;主变开 关柜 4只;近区用电柜 1只;厂用高压柜 1只;备用 1只。开关柜尺

8、寸:长×宽×高=1.2×1.2×3.2米。低压控制盘 7面;直流盘 1面;同期盘一面;低压继保盘 7面;励磁盘 4面;机旁盘 4面。表盘尺寸:宽 90cm ,厚 60cm ,高 210240cm 。主变两台:型号:SJ6-3200/35/6.3KV y/-11。每台总重量:8770Kg ,外形尺寸:长×宽×高 2790×2825×2815mm 。 厂变一台:型号:SJ -30/6.3/0.4KV y/y-12。总重量:312Kg ;外形尺寸:长×宽×高:975×408×930

9、mm 。变电站面积(主变压器场和高压开关站 :25×20m 。 电站主结线图(五要求厂房布置设计的内容为:根据给定的原始资料及机电设备,决定厂房的型式 及其在枢纽中的位置,进行厂区和厂房内部的布置,决定厂房的轮廓尺寸。 完成厂区布置及主、副厂房布置得设计 ; 绘制厂房典型平面图及剖面图;编 写设计计算说明书。(六内容1.水轮机的型号选择:2.计算水轮机的吸出高度和安装高程;水轮机层的地面高程。3. 尾水管的出口高程; 尾水室的底板高程; 基础开挖高程; 吊车轨顶高程等。4. 确定主厂房水下部分结构尺寸。5. 考虑厂房对外交通、 厂址地形、 下游水位变化等条件, 确定安装间 (13.6

10、5米和主机房地面高程(10.15米 。6. 进行水轮机、发电机、调速器、蝴蝶阀的布置,确定主厂房的宽度、机组 中心距和主厂房的长度。7. 根据电站主结线图及配电设备,布置在电站内部主要电气设备的位置和确 定副厂房尺寸。8. 进行水电站厂房的枢纽布置,拟定主厂房、副厂房、安装间、开关站、主 变压器场的位置。9. 根据自然条件、建材条件及厂房结构要求,进行初步厂房设计。10. 要求完成 1:100厂房平面布置图及 1:50厂房横剖面图和下游立面图和 大门立面图各一张,设计说明书一份。3. 课程设计的内容3.1水轮机的型号选择 A. 水轮机转轮型号的选择在水轮机型号选择中, 起主要作用的是水头, 每

11、一种型号的水轮机都有一定 的水头适用范围。 。本水电站的静水头为 57m , 最小水头为 m 50H min =、 最大水头为 m 65H max =, 加权水头为 57av H m =。查混流式水轮机模型转轮主要参数表 3-1,选转轮型号 为 HL220的混流式水轮机。表 3-1水轮机模型转轮主要参数 B. 转轮直径 1D 确定r r rH H Q N D ' 1181. 9=式 3-11' 1D Hn n = 式 3-2 115max max 1(1D D M M -= 式 3-3由表 3-1可得, HL220型水轮机在限制工况下, ' 311150/1.15/M

12、Q L s m s =,89%M =效率 ,由此可初步假定原型水轮机在该工况下 s /m 15. 1Q Q 3' M 1' 1=,效率为 %1. 90=M , 对于引水式水电站, m H H av r 57=。 由式 3-1,得m H H Q N D r r r 44. 0891. 05715. 181. 984581. 9' 11=, 选取与之接近而偏大的标称直径 10.5D m =。 C. 转速 n 计算由表 3-1可得 HL220型水轮机在最优工况下的单位转速 ' 1070/min M n r =,初步假定 'M 10' 10n n =。将

13、已知的 ' 10n 和 57av H m =, m 5. 0D 1=代入 3-2,可得:11057/min n r =,选取与之接近而偏小的同步转速 n = 1000r/min。D. 效率及单位参数修正情况由表 3-1可得 HL220型水轮机在最优工况下的模型最高效率 max 91%M =, 模型转轮直径为 10.46m M D =,由公式 3-3,得: max max 111(191.15%M =-=-(- , 则效率修正值为 %1. 1%08. 1%07. 90%15. 91=-=,考虑到模型与原型 水轮机大小相近,在制造工艺质量上差异较小,不考虑 修正值 。即可得效 率修正值为

14、%1. 1,由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为%17. 91%1. 1%07. 90max =+=+=M m az(与上述假定值相同 %1. 90%1. 1%89=+=+=M单位转速的修正值按下式计算:'' 110Mn n=, 由于 '1' 10Mn n <3.0%,按 规定单位转速可不加修正,同时单位流量 ' 1Q 也可不加修正。由上可见,原假定的 %1. 90=, ' ' 11M Q Q =, ' '1010M n n =是正确的,那么上述计算及选用的结果 min /r 1000n , m 5. 0

15、D 1=也是正确的。E. 工作范围的检验在选定 min /r 1000n , m 5. 0D 1=后,水轮机的 'max 1Q 及各特征水头对应的 ' 1n 既可计算出来。水轮机在 r H 、 r N 下工作时,其 ' 1Q 即为 ' max 1Q ,故'331max 0.9/1.15/Q m s m s = =< 则水轮机的最大引用流量为' 与特征水头 max H 、 r min H H 和 相应的单位转速为 ' 1min '1max ' 162.02/min 70.7/min 66.22/min r n r n

16、r n r = = = 在 HL220型水轮机的模型综合特性曲线图上分别画出 '31max 0.9/Q m s =, ' 1max 70.7/min n r =, ' 1min 62.02/min n r =的直线,可以从图上看出三条直线所围成的水轮机工作范围基本上包括了该特性曲线的高效率区。 所以对于 HL220型水轮 机的方案,所选定的参数 min /r 1000n , m 5. 0D 1=是合理的。 F. 飞逸转速 f n的计算 G. 装置方式对机组转轮直径小于 1m 、吸出高度 S H 为正值的水轮机,常采用卧轴装置, 以降低厂房高度。 而且卧式机组的安装、 检

17、修及维护比较方便。 本水电站机组的 转轮直径为 0.5m ,小于 1.0m ,且吸出高度 S H 为正值,所以采用卧轴装置。 H. 吸出高度 S H 、安装高程 s Z 的计算由水轮机设计工况参数, ' 166.22/min r n r =, '1max 900/Q L s =,在模型综合特性曲线图上可查得相应的气蚀系数 =0.104(限制工况 , 气蚀系数修正值 =0.022(当 H P =57.0米时 。10S H H m -+=-+=>0由此可见, HL220型水轮机方案的吸出高度满足电站要求3.2发电机层地面高程与水轮机层地面高程发电机高程的确定与发电机设置方式有

18、关。发电机的设置方式有定子埋入 式、上机架埋入式及定子外露式等几种方式。厂房的地面高程最好与对外交通道路的高程相同,并高出下游最高洪水位。 但有时限于电站的地形条件或下游洪水位太高, 不能完全满足上述要求, 此时可 根据具体情况, 使厂房地面高程与对外道路的高程相同, 而高于发电机层的地面 高程, 或厂房地面高程与发电机层地面高程相同, 且都低于下游最高洪水位, 此 时厂房应采取挡水墙等防洪措施。本工程根据给定的水轮发电机组横剖面图 3-1可知,厂房地面高程与发电机 层同高,厂房地面高程(发电机层地面高程为 (14.6-0.63=14.0m,水轮机层 的地面高程为 14.0-0.42=13.6

19、m。3.3尾水管出、和尾水室尺寸和吊车轨顶高程的确定A.根据给定的水轮发电机组横剖面图 3-1可知,尾水管出口高程为 13.6-2.033-0.92=10.6m,尾水室底板高程为 13.6-2.033-0.92-0.75=10.0m。由 上述 3.1计算知,尾水渠设计流量 Q=1.7m3/s,拟定设计流速为 1m/s,则尾水室 断面面积至少为 1.7/1=1.7m2, 据此拟定尾水室宽 2.9m ,高为 2.1m ,符合要求。 图 3-1 水轮发电机组横剖面图B. 吊车轨顶吊车的安装高程 c 根据下述公式确定:27891011h C h h h h =+2-发电机层地面高程 , 取 14m 。

20、h 7厂房中最长件是水轮机转轮带轴,最宽件为发电机转子带轴。结合图 3-1,取厂房中的最高部件水轮机蜗壳顶, h 7=1.5m。h 8吊运部件与固定的机组或设备间的垂直净距;水平净距 0.3m ,垂直净距0.61.0m(如采用刚性夹具,为 0.250.5m ,取垂直距 0.8m 。h 9最大吊运部件的高度 (往往是发电机转子带轮或水轮机转轮带轴 , 取尾水管高度 2.1m 。h 10吊运部件与吊钩间的距离 (一般在 1.01.5m 左右 ,取决于发电机起吊方式和挂索、卡具,取 1m 。h 11主钩最高位置 (上极限位置 至轨顶面距离 , 可从起重机要参数表查出,查表取 1.5m3.4 蝶阀坑的

21、高度和宽度的确定由基本资料可知: a b图 3-2蝶阀主要尺寸:a=1730mm; b=880mm; c=350mm; d=850mm; e=470mm。参照已 有工程经验,拟定蝶阀坑的高度为 2m ,宽度为 1.5m 。3.5尾水渠的高度和宽度的确定确定尾水渠的高度和宽度时设计流速采用 1.5m/s,水轮机设计流量为A m =,考虑到一定的安全储备,拟定 尾水渠的宽度为 1.5m ,高度为 1.2m 。3.6主厂房的长度和宽度水电站主厂房空间尺寸的设计原则是在满足设备布置和安装、维护、运行、 管理的前提下,尽量减小厂房尺寸,降低造价。A. 主厂房的长度LL nL L +=安 0N-机组台数。

22、 L 0-机组段长度,指相邻两台机组中心线之间的距离机组间距。机组段间距一般由下部块体结构中水轮机蜗壳的尺寸控制,在高水头情况下常由发电 机定子外径控制。机组间距除满足设备布置要求外,还应保留必要宽度的 通道。由于蜗壳尺寸与水轮机转轮直径 D 有关,故具体确定机组间距 L ,时, 可由以下水轮机转轮直径 D ,为参数的经验公式来计算。对于金属蜗壳 (水 头在 40120m :113.6( L D h m =+,式中, h=13. 5m ,水头高时取小值,L 安 -安装间长度, 安装间的宽度一般与主厂房相同, 安装间的长度一般取 L 安= L -边机组段加长长度,由于外侧有主厂房的端墙 , 为了

23、使机组设备和辅助设备处于桥吊工作范围内 , 远离安装间一端的机组段需要加长 L 。 L =(0.11.0D 1,取 m D L 1. 05. 02. 02. 01=再考虑设备外缘间距离 2m 左右, 设备外缘与墙距 2m 左右, 电气盘柜和设备 距离不小于 1.5m ,控制屏、动力屏距墙 0.8-1m 。综上,主厂房长度 L 取为 30m 。B. 主厂房的宽度主厂房宽度需综合考虑机组设备长度 1l ,廊道宽度 2l ,吊车跨度 3l ,吊运方式及设备间安全距离。由 水 轮 机 发 电 机 组 横 剖 面 图 3-1, 得 水 轮 机 发 电 机 组 总 长 m l 6. 8405. 188.

24、044. 058. 061. 078. 0133. 18. 21=+=电缆廊道宽度 2l 取 1.5m吊车跨度为 m l 103=综上,拟定厂房宽度为 12mC. 安装间布置安装间应根据装机台数, 满足设备、 安装及检修或车辆进厂装卸的需要。 安 装间可布置于主厂房的一端、 两端或中间段。 本设计布置在主厂房靠近开关站一 侧。 安装间地面高程宜与发电机地面高程相同, 如下游洪水尾水位高于发电机层 地面高程,可抬高安装间高程。取安装间高程为 14.0m (与主厂房同高 。安装 间大门尺寸要满足运输车辆进厂的要求, 如通行一般载重汽车大门宽度一般不小 于 3.0m ,高度不小于 3m 。取大门宽

25、3.3m,高 3m 。D .主厂房的高程考虑到起重机与厂房吊顶(或屋架下弦、灯具底的净距不得小于 200300mm 。在厂房顶适当部位应有可供拆装起重机的减速器盖、卷筒、电动机等部 件的必要空间。由上述计算知,起重机高程为 20.9m 。则拟定厂房顶高程(屋架 两端底部为 23.4m 。3.7副厂房副厂房的位置和组成应注意与主变压器场地、 主厂房的位置及环境要求相协 调,经综合比较确定。同时应结合运行、管理方便的要求,合理利用有效空间, 做到对外交通交通方便,通风、采光良好。副厂房最好布置在有进厂公路一侧, 可利用公路运进设备。副厂房主要包括中控室、 高压开关站、 厂用电设备和其他附属设施。

26、布置时 一般应该满足如下要求:1. 厂变一般放在开关室附近; 2. 卫生间要远离中控室等 用电设备所在地; 3. 通迅调度室要靠近中控室, 并远离蓄电池室; 4. 厂用电设备、 开关站也应靠近中控室。A. 中央控制室中央控制室主要布置:低压控制盘 7面、低压继保盘 7面、直流盘 1面、同 期盘 1面, 最后确定中央控制室的宽度为 7.1m , 长度为 10.1m 。 中控室的面积一 般不宜太小,控制盘离墙壁的距离不得小于 0.8-1m 。B. 变压器场变压器位置宜靠近主厂房, 并宜与安装间高程相同, 主变压器与开关站应布 置在主厂房的同一侧, 否则引出线升压后, 又绕过主厂房到开站, 会增加许

27、多电 缆长度。 当开关站与厂房靠得很近时, 可将高主变布置在开关站内。 变压器场内 布置主升压变压器, 将发电机的电流升压至输电线电压。 主变压器场地的防火防 爆及通风散热等应符合有关规范规定。C. 直流电系统用房(蓄电池室系统用房直流电系统用房包括蓄电池室、套间(前室 、储酸室、充电机室等。这些 房间应尽可能地布置在同一层。 蓄电池室在可能范围内尽量靠近中控室, 以节省 蓄电池至直流盘的直流电缆。D. 高压开关室开关站宜靠近主变压器和中央控制室。 应选择地基及边坡稳定地段或利用其 他合适的场地进行布置, 其进出线应避免跨越泄流建筑物的水跃区、 射流区。 开 关站位置宜避开冲沟口, 不能避开时

28、, 应对山洪、 泥石流和崩塌体等采取预防措 施。开关站大多选择在厂房下游侧近处而又宽旷的地方,还要考虑输电的方向。 根据设计要求,高压开关站要求布置的设备为 13只高压开关柜。 13只开关 柜按布置为 2排。E. 厂用电变压器布置厂用电变压器 1台,布置在开关室内。厂变的尺寸为 975*408*930mm。 F. 水轮机辅助设备的布置水轮机辅助设备包括储油室、油处理室、压气机室、机修室等。储油室和油处理室应考虑防火防爆要求, 为防止油外溢, 户外地坪高程或室 内地面高程均应比同一层的其他地面低 10cm 。油处理室应设置两道门,分设两 侧,门要向外开启。油处理室的位置应布置靠近储油室及用油对象

29、。压气机室一般可布置在厂内, 当距离较长时, 宜布置在靠近用气对象的专门 房间内。机修间可设置在厂外或厂内, 设置在厂内的机修间, 由于有较大的噪声和灰 尘,布置时要避开精密仪表间和值班室。G. 附属设施附属设施包括:值班室和卫生间等。综上,在 CAD 中绘出厂房平面布置图,详见附图 1水电站厂房设计图 。3.8厂房枢纽布置厂房位置宜选在紧靠河边、 较为平坦的岸边或滩地上, 以减少开挖, 开关站 布置在邻近尾水渠布置布置尾水渠时, 应使出口与河道斜交, 不要正对河床, 以免受下泄洪水的顶 托。详见附图 2水电站厂房枢纽布置图3.9 钢管应力分析设计资料:本电站采用两根直径(内径 1.2米的主压

30、力钢管,钢管由压力 前池引出直至下镇墩约 80米,在厂房前的下镇墩内经分叉引入四台机组,支管 直径经计算采用直径 0.9米。钢管露天敷设,支墩采用混凝土支墩,支承包角 120度,电站厂房采用地面式厂房。钢管横剖面图见图 3-3: 图 3-3已经参数如下:设计引用流量 Q= 3.400m³/s 钢材的重度 s = 0.0000785N/mm³水的重度 w = 0.0000098N/mm³钢管内径 D= 1200mm 钢管轴线倾角 = 30.000° 镇墩间距 L 1= 80000mm支墩间距 L= 10000mm 加径环间距 l= 2500mm 伸缩节与上

31、镇墩的距离 L 2= 2000mm伸缩节止水盘根沿管轴向长度 b 1= 300mm伸缩节止水填料与钢管的摩擦系数 1= 0.316支座对管壁的摩擦系数 f= 0.1 焊缝系数 = 0.95 钢管管壁钢材屈服点 s = 215.000N/mm²(1根据末跨的主要荷载(内水压力并考虑将钢材的允许应力降低 15%,按锅炉公 式初估管壁厚度 t : 计算公式:式中:钢管管壁钢材屈服点 s = 215.000N/mm² 末跨跨中截面管道中心内水压力 H= 70850mm钢管管壁厚度 t 初估计算表 取计算管壁厚度 t=5mm, 再考虑 2mm 的锈蚀裕量,管壁结构厚度初定 t=7mm

32、. (2复核管壁结构厚度是否满足考虑制造工艺、安装、运输等要求,保证必须 的刚度的最小厚度要求: 计算公式: 则 t 应满足: t 5mm, 实际选用管壁厚度 t=7mm,满足要求。式中:计算截面管道中心内水压力 H=70850mmKPas 12055. 0=15. 012-=HDt w 4800/+D t wH P =17(2垂直管轴方向的力(法向力 钢管自重分力 Q s计算公式: (每跨钢管自重(单位管长钢管自重,考虑刚性环等附件的 附加重量约为钢管自重的 25% 钢管中水重分力 Q w计算公式: (每跨管内水重(单位管长管内水重 钢管中水重分力 Q w 计算表 (3轴向力 A 钢管自重轴

33、向分力 A 1计算公式: 式中: 伸缩节至计算截面处的钢管长度 L 3=73000mm 钢管自重轴向分力 A 1计算表 套筒式伸缩节端部的内水压力 A 50.694N/mm2=w H P cos L qQ s s =s s Dt q =25. 1cos L q Q w w =w w D q 225. 0=sin 31L q A s =18计算公式:式中:伸缩节端部管道中心内水压力 H ´=23400mm 伸缩节内套管外径 D 1=1207mm 伸缩节内套管内径 D 2=1200mm 套筒式伸缩节端部的内水压力 A 5计算表 温升时套筒式伸缩节止水填料的摩擦力 A 6计算公式: 温升时套筒式伸缩节止水填料的摩擦力 A 6计算表 温升时支座对钢管的摩擦力 A 7计算公式: 式中:计算截面以上支座的个数 n=7个 温升