太平哨水利枢纽引水式水电站设计

...目录基本资料…………6任务的提出………………………6工程地质条件……………………6地貌与地层………………6水库区工程地质条件……………………7坝址工程地质条件………7付坝工程地质条件……………………8引水隧洞和厂房区工程地质条件……8建筑材料…………9水文与气象………………………11流域自然地理概况………11气象条件…………………11水文资料…………………12水利、动能及水库…………………17电站任务…………………17水库水位……………………18装机容量的选择…………18引水隧洞的洞径选择……………………18附图………………………192水轮机选型设计……………………252.1机组台数与单机容量的选择…………………25机组台数选择………………25机组单机容量选择…………262.2水轮机型号及装置方式的选择………………26水轮机型号选择……………26装置方式的选择…………………262.3水轮机参数计算………………26HL240型水轮机方案主要参数选择………26ZZ440型水轮机方案主要参数选择…………29HL240型水轮机及ZZ44型水轮机两种方案的比较………312.4水轮机运转特性曲线的绘制…………………32等效率曲线的绘制…………32出力限制线的绘制…………33等吸出高度曲线的绘制……………………342.5水轮机蜗壳设计………………35蜗壳形式的选择……………35断面形状及包角的选择……………………35进口断面面积及尺寸的确定………………35中间断面尺寸的确定………36FR图的绘制………362.6尾水管设计…………………37尾水管的形式………………37弯肘形尾水管部分尺寸的确定……………372.7发电机的选择………………38发电机型式的选择…………38水轮发电机的结构尺寸……………………382.8调速器设计……………………39调速设备的选择……………39接力器的选择………………39调速器的选择………………40液压装置的选择……………412.9附图………………………42坝区枢纽总布置…………………46坝轴线及坝型选择……………46坝轴线选择…………………46坝型选择……………………46泄洪方式选择及调洪演算……………………47枢纽布置………………………474拦河坝设计………………………48基本资料……………………48挡水坝剖面设计……………48挡水坝坝顶高程的确定……………………48挡水坝的剖面尺寸确定……………………484.3溢流坝剖面设计……………49溢流坝面曲线设计………49消能防冲设计………………504.4洪水下泄流量校核……………51溢流坝过流能力的验算……………………51底孔过流能力验算…………534.5闸门闸墩及工作桥设…………545挡水坝稳定及应力分析…………565.1计算说明……………………56计算内容……………………56计算工况……………………56计算单元与计算截面………565.2挡水坝稳定及应力分析………56荷载计算……………………56抗滑稳定分析………………57应力分析……………………586细部构造设计…………………60坝体分区及标选择……………60分缝与止水……………………60廊道系统和排水系统的布置…………………61廊道系统布置………………61排水设施布置………………626.4坝顶构造………………………62非溢流坝坝顶构造…………62溢流坝坝顶构造……………626.5坝基处理……………………62坝基开挖及清理……………62坝基的加固处理……………62坝基的防渗处理……………63地基排水……………………63两岸的处理…………………637水电站引水系统设计……………647.1隧洞洞径及洞线选择…………64有压引水隧洞洞径计算……………………64洞线选择原则………………647.2进水口设计……………………65进水口型式的选择…………65进水口高程确定……………65进水口尺寸的拟定…………66进口设备……………………677.3引水隧洞……………………67线路与坡度的确定…………67断面形式与断面尺寸………68洞身衬砌……………………687.4调压室设计…………………69是否设置调压室判断………69调压室位置的选择…………70调压室的布置方式与型式的选择…………70调压室的水利计算…………707.5水击及调节保证计算…………72调保计算目的………………72调节保证计算的内容………72调节保证计算的过程………737.6压力管道设计…………………75压力管道的布置……………75压力管道直径的选择………76调节保证计算………………76压力管道的结构设计及稳定计算…………767.7防止地下埋管产生外压失稳的措施…………788水电站厂房设计…………………79厂区枢纽平面布置……………79主厂房平面设计………………79主厂房长度的确定…………79主厂房宽度确定……………808.3主厂房剖面设计………………81机组的安装高程……………81尾水管底板高程……………81基础开挖高程………………81水轮机地面高程……………81发电机定子安装高程………82发电机层楼板高程…………82吊车轨顶高程………………82天花板高程…………………82屋顶高程……………………838.4副厂房的布置与设计…………83谢辞…………84参考资料…………85外文资料…………86外文翻译…………921.基本资料1.1任务的提出浑江是鸭绿江在我国境内的较大支流，也是我国东北地区水力资源较为丰富的一条河流，因此，合理开发利用浑江水力资源是个重要的课题。浑江发源于长白山老岭，河流全长430余公里，河流坡降约为1/1000;流域面积15000平方公里。流域形状近于椭圆，南北长160公里，东西宽约170公里。根据浑江河道自然特性的变化，大致以通化为上、中游之分界：以桓仁为中、下游之分界。河流系山区河流，蜿蜒于山谷之中，沿河山势陡峭，支流众多，于支流入口处，地势较为开阔，出现山间盆地。浑江流域水系图参见图1。浑江下游（桓仁以下）的水能利用与梯级开发问题曾进行了长时间的研究，基本上归纳为两种开发方案，即：○1桓仁、沙尖子两级开发方案与○2桓仁、回龙山、太平哨、高岭、金坑等多级开发方案。目前，在桓仁水电站早已建成投产的情况下，实际上变成为沙尖子高坝大库与回龙、太平哨、高岭、金坑等梯级开发方式之争。本任务书取材于梯级开发方案的太平哨水电站，并拟定为混合式开发的地面厂房型式。有关浑江下游梯级开发情况可参见附图1。1.2工程地质条件1.2.1地貌与地层本地区的地貌景观按其成因类型可分为两类：○1构造剥蚀地形，海拔高程360—770米，相对高度200—600米，为中低山地形，由古老的变质岩系组成，山脊较狭窄，起伏不大，无明显的峰峦，地形坡度较大。○2侵蚀堆积地形，本区可见相对高度为20—30米的二级阶地，3—12米的一级阶地和2—4米的河漫滩。水库区及水工建筑物区出露的地层有：前震旦系，震旦系、寒武系、朱罗系、和第四系，简单分述如下：○1前震旦系：主要为一套区域变质岩石，部分经受不同程度的混合岩化作用，形成各种类型的混合质变质岩。各水工建筑物均位于本地层的混合变质岩上。○2震旦系：仅在水库区东南局部出露，主要为石英砂岩、石英砾岩、粉砂岩、页岩等。○3寒武系：该系出露更少，仅局部可见，主要为灰岩。○4朱罗系：该系在水库区北部，雅河口以上至回龙山一带广泛分布，为陆相火山岩建造，主要为安山岩、安山质凝灰岩、流纹岩等。○5第四系：在本区出露的有上更新统和全新统。前者分布于浑江二级阶地，为洪—冲积层，主要为砂卵砾石、砂和亚粘土，后者包括一级阶地、河漫滩及河床上堆积的亚砂土、砂砾石，残积的亚粘土等。1.2.2水库区工程地质条件本库区两岸山体高峻，高程为360—700米，分水岭厚度均在0.8公里以上。库岸岩石在雅河口以上为侏罗纪火山碎屑岩类，以下为震旦纪变质岩和混合质变质岩，地下水位较高，不会向邻谷产永久性渗漏。不存在塌岸问题。1.2.3坝址工程地质条件曾选两条坝线（上坝线与下坝线）进行比较。上、下坝线相距200—300米，地质条件基本相同，但下坝线右岸地形更单薄，左岸岩石完整性较差，呈片状破碎，风化也较深，而上坝线左岸则比较完整。河谷部分，下坝线岩石普遍风化较深，而上坝线只有个别地段风化较深。从上述分析确定选用上坝线。修建土坝或混凝土重力坝，地质上都是可能的。坝址区出露的地层有前震旦系和第四系。前震旦系为经受中等程度混合岩化作用的变质岩系，包括黑云母斜长石注入片麻岩、黑云母混合片麻岩和大理岩，前者分布在左岸，后者分布在右岸，两者为整合接触。第四系包括各种不同成因的松散堆积物。堆积层分布于两岸山坡，为亚砂土夹碎石，厚度左岸为1.5—4.0米，右岸为0.3—2米。河床砂卵砾石厚0—3.5米。坝址区两岸发现有断层三条，其中一条为平推断层（F）位于左岸，走向NE36°,倾向南东，倾角70°，破碎带宽5米。另外两条北向断层F与F°据 1 2分析F就是区域性的太平哨大断裂，在右坝头西北约300米处通过;F位于右 1 2岸，产状为走向北东40—50°，倾角80°，断层带宽3—4米。F与F对建筑1 2物均无直接影响。坝址区基岩的透水性，根据19个孔、75次压水试验成果统计，单位吸水量由上而下逐渐减小。距地面深4.3—15米范围内单位吸水量的平均值为0.1升/分，25米以下时为0.027升/分。据分析，若采用混凝土重力坝坝型时（估计坝高40米左右），大坝将建基于比较完整的半风化岩石之上。河谷部分的开挖深度（自基岩面算起）约为2—7米，相应于此开挖标准，坝基岩石与混凝土摩擦系数建议为0.6，河床部位岩石风化较浅，实际上可挖至微风化岩石，建议摩擦系数采用为0.65。坝址右岸岩石强烈风化，全风化岩石深达30米。强烈风化的原因主要是黑云母混合片麻岩中斜长石和黑色矿物含量较多，长石结晶体粗大，抗风化能力较薄弱所致。建议处理意见是：砂砾状全风化层（深15米左右）可采用混凝土防渗墙方法处理，块状全风化层以下采用帷幕灌浆方法处理。左岸F断层以及3局部破碎带可按常规办法处理。1.2.4付坝工程地质条件葫芦细子地段山体低缓，最低点地面高程仅为192米，需要修建付坝。若主坝采用土坝型式，则此处可修建岸坡式溢洪道。此处山体最狭窄处宽仅70米，上、下游水为差7米。此坡地形陡峭，基岩裸露，南坡较缓，坡度一般约20°—30°。此垩口是浑江侵蚀堆积二级阶地，垩口顶部和山坡上分布有砂卵砾石，厚度1—5米，其地质时代为上更新世坡积层。本地段地层主要是前震旦纪黑云母斜长石注入片麻岩，混合岩化程度较低，岩性不均一，有的地方可见变质岩基体。本地段发现断层共七条，但规模均很小，宽度大都在一米以内，最大宽对为1.5米。这些断层大多延伸不长，对建筑物无影响，设计与施工时按常规方法处理即可。通过地质分析与稳定计算可以认为，此地段山体是稳定的。为了确保建筑物安全，建议在设计时要加强帷幕灌浆与排水措施。1.2.5引水隧洞和厂房区工程地质条件浑江在中下游地段，侧向侵蚀作用十分强烈，形成迂回曲折的蛇曲地貌，为修建引水式电站提供了有利的地形条件。太平哨水电站的引水隧洞和厂房位于南天门岭，此处分水岭宽约800米，而两端河水位差达13米。本区地层主要为前震旦系的黑云母混合片麻岩，所有建筑物均将在此岩层上。第四纪包括出口和进口河漫滩的冲积洪积层，岩性为亚砂土，细沙和砂卵砾石，两侧山坡的坡积残积层，岩性为亚砂土，细砂和砂卵砾石；两侧山坡的坡积残积层，岩性为亚砂土夹碎块石。隧洞均将在黑云母混合片麻岩中通过，沿洞线未发现断层，且洞顶上部覆盖新鲜岩体很厚，达80—160米，深部裂隙已趋闭合，因此工程地质条件较好，建议采用：f=6—7,k=500。洞线前部通过两条较大岩脉，均大致与洞线相交，0一条为石英斑岩，宽30—40米，另一条为正常闪长岩。宽26—30米。据地表槽探观察，岩脉与围岩接触良好，但从钻孔资料分析，石英斑岩裂隙比较发育，故建议，通过岩脉处的参数选用为：f=4,K=300。0厂房后山坡地形坡度约50°—60°，坡高40米左右，通过剖面裂隙绘得知，厂房后坡存在两组顺坡裂隙，第一组倾角为68°—74°，第二组倾角稍缓，为40°—45°。表部裂隙张开1—3厘米，坡脚部位岩块已经位移。根据上述情况。可认为后山边坡基本上是稳定的，建议在开挖时基本上沿着上述两组裂隙挖成阶梯状边坡，对已经位移或张开宽度较大的岩块予以清除，对局部不稳定岩块可采取相应的加固措施。厂房基础将坐落在新鲜的黑云母混合片麻岩上。1.3建筑材料天然建筑材料的调查，包括混凝土重力坝和粘土心墙砂砾壳坝两种坝型所需要的各种材料，其需要量初步按：混凝土坝方案，混凝土方量50万米3，砂砾石料150万米3，土坝方案：粘土料14万米3，坝壳砂砾料120万米3，护坡块石料5万米3，反滤料4.5万米3。通过勘探、试验工作，可以满足上述要求，砂砾料与粘土料场分布、储量、质量评价等详见表1与表2。土坝护坡用石料场，选择了葫芦头和榆树底两处。葫芦头石料场位于坝址上游左岸约3公里，交通方便，基岩为黑云母混合片麻岩，榆树底位于坝上游右岸约3公里，料场山体比高100—500米，山势陡峻，覆盖厚约1米，基岩仍为黑云母混合片麻岩。砂砾料场位置、储量及质量情况一览表表1粘土料场储量、质量情况一览表表2料料场名称地貌单元位置体积（万米3）天然含水量（%）天然容重渗透系数固结快剪有效层无效层湿干凝聚力内摩擦角葫芦头一级阶地坝线上游右岸0.5—1.5公里46.48.228.3231.81.891.411.541.×10-63.×10-60.210.1722.226老营沟一级阶地坝线上游左岸5公里184.924.91.751.401.×10-60.26251.4水文与气象1.4.1流域自然地理概况太平哨电站位于鸭绿江支流浑江下游，本站以上集水面积12950平方公里，其上游约86公里和37公里处分别有桓仁，回龙山水电站，其集水面积坝址以上分别为10，375平方公里与12，506平方公里。浑江流域地理坐标在东经124°24′—126°36′，北纬40°40′—42°10′之间。其相邻流域北为第二松花江，东为鸭绿江干流，西侧为辽河流域左岸支流浑河、太子河，南为鸭绿江右岸支流蒲石河、河。浑江属于山区性河流，流域内高山群立，山势陡峭，地势起伏较大，山坡上一半多生杂草和林从，植被较好。1.4.2气象条件浑江属于山区河流，地形对气候的作用比较明显，流域东北系长白山系的主峰白头山，海拔高达2744米，自此分向西北，西南与东南三方向逐渐低下，到流域南部的丹东，海拔高程为59米，自丹东向北至宽甸，地形突然上升（海拔高程约300米），高差达240米，因此当偏南气流入境后，受地形抬升影响，产生强烈降水，降雨中心多在鸭绿江下游至宽甸间，浑江正处于该暴雨中心北部边缘，故降雨量很大，降雨量集中在夏季，各地6—8月降雨量占全年的60%左右，尤以7、8两月为最多，最多月雨量与最小月雨量之比达30倍之多。浑江流域正处于西风带大陆的东部，冬季在蒙古高压的控制下，天气寒冷干燥，为期漫长，全流域一月份平均温度均在-10°以下，极端最低气温发生在一月份，并在-30°以下。全年右4—5个月气温在零度以下，夏季炎热而短促，极端最高气温可达39.5°C(桓仁)，年差很大，参见表3。1.4.3水文资料浑江桓仁以下，干流有桓仁、回龙山、沙尖子水文站，支流有二户来、普乐堡及太平哨水文站。各站资料以桓仁较长。太平哨水库年径流系用回龙山、沙尖子及支流半拉江上的太平哨水文站径流资料，按面积比推求而得，详见表4。各站年径流有关参数详见表5。浑江的洪水主要由急剧而强烈的暴雨形成，暴雨多集中在三天，其中强度最大的暴雨又多集中在一天之内。就较大洪水年份分析，形成暴雨的天气系统有台风，气旋（华北气旋，渤海气旋、江淮气旋、黄海气旋）以及副热带高压边缘的幅合扰动，如1960年发生了浑江的50年一遇洪水，形成此次暴雨的天气系统在黄海上空正在恢复中的台风输送水汽与副热带高压边缘的扰动，再加上南部连续移来三个低压想遭遇。从.本区气象要素表表3十月十一十二年...太平哨电站年径流系列表（流量：秒立米）表4 一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一十二年均27.811.192.2273316384601507537150 16145.425920 17.720.932045 55.612294812054.524413.21469.78.446.673.694.2219624385532240 14240.520122.444 40.117422651429969.59301.8 49.722 20814.29.740.481.273.3356340105018658.775.932.919315.97.815123732047897.6340126161 97.436.217318.813 77.916014536.7112070117290.510234.422214.411 96.837931010120953938996 53.629.318520.416.966.315312030440930525861.942.319.61489.273 24.593.635435014518958.7344 20.213.210914.414335.724112763.376438155.944.723.818.414821.815.623.427515112563381434154.4735 23.320917.817.158.624713614020722799.066.132 19.210512.226.235.425835495.260847412580.452.930.317916.910.136.582.780.835785210678.673 56.811.61472.82.228.389 73.42311581720218327 16769.225822.616.756.6250136107149256132102 10720.81137.16.841.610924252196392210943 19.411 25012.510.61381641341643121910695143 97.967.231821.317.477.814418815461886 60.150.568.830.212610.47.446.313428538041923839070.883 27 17717.113.122.33861271623601050306114 70.347.721621.416.210713211273.659245271.965.941.319.598.311.114.535.1136153153720280348227 12363.98925 19.093.7117169599298166030391.562.227 29015.615.079.314396.346.8510542535141 96.295.119420.615.641.326320251.2229637284144 94.147.417021.615.538.310275.946.71160286107124 85.534217722.313.847.2700152136635150026166.446.321.130118.218.553.321235380 51329285.248.440.617.9107浑江下游主要站年径流参数表（流量：秒立米）表5站站名多年平均流量CVCS/CV设计值P%510509095桓仁1440.3222272051398978回龙山1780.32228025417211096.6太平哨1870.322295266181116101沙尖子2440.322353319216138121东北历年大暴雨的分布规律看，在鸭绿江的中下游（包括浑江一带）暴雨出现的机会和强度都才超过其他流域，多年平均三日暴雨在120毫米以上。浑江历史洪水的调查曾先后进行了5次，调查河段上至通化，下至沙尖子。这对洪水分析提供了可靠的历史资料。桓仁站实测洪水资料较长，加之历史洪水调查资料，故洪水分析成果较为可靠。回龙山与沙尖子的洪峰洪量系分析和桓仁相关插补而延长。太平哨水电站由于无实测资料，故洪峰洪量参数用回龙山参数，洪峰用2/3次方，洪量用一次方，按面积比推求。由于上游桓仁电站库容较大，对洪水起一定的调蓄控制作用，故区间洪水对下游梯级起主要作用。太平哨水电站设计洪水地区组成曾用典型年法和频率组合法（以回龙山为控制）推求组合洪水进行比较,两种方法计算成果相近,故采用典型年法成果,即桓仁，桓—回，回—太区间设计洪水过程线，系以回龙山三日洪量为控制，按典型年分配，同倍比放大各控制点设计洪水过程线。太平哨水库入库洪水系将桓仁入库洪水，经桓仁调节后，如桓—回区间而得回龙山水库入库洪水，在经回龙山水库调节后，加回—太区间而得太平哨入库洪水，详见表6。太平哨水库入库洪水成果表表6流量：秒立米单位水位：米0.010.10.512桓仁入流量出流量库水位2980018500308.32320014600306.01850011200305.46165009470304.85144008780304.22回龙山入流量出流量库水位1690016800225.821200012000223.251100011000222.7395009500221.85回—太区间洪峰流量3170253022601970太平哨入库流量1750014000.12400108003.351020桓仁入流量出流量库水位89907750301.2280206880301.665505830300.9549604120300.86回龙山入流量出流量库水位92909250221.7475007500220.5865506100219.9245004500218.50回—太区间洪峰流量1610902835557太平哨入库流量98208070695049801.5水利、动能及水库1.5.1电站任务太平哨水电站位于浑江干流，是桓仁、回龙山的下一级，本工程开发主要目的是发电。由于本电站承接上游桓仁等梯级水库对浑江丰富水量的调节，故能以较少库容获得较好的能量指标。电站建成后以下沿江无较大城镇与工矿企业，对水库无防洪要求。库下宽甸县太平哨公社有5000亩耕地需灌溉，在水库水量平衡中可按1秒立方米考虑。1.5.2水库水位浑江自然落差较大，水量丰富，在太平哨水库回水范围内多为崇山峻岭，淹没耕地、村屯较少。库区老营沟附近虽发现有铅锌矿，但据辽宁省地质局调查，该矿储量有限，规模不够，未能纳入国家开采计划，仅有生产队组织开采。由于桓仁水库的修建，极大的改变了浑江的径流在年内分布的不均匀性，弥补了太平哨水库的库容小，调节性能差的缺陷。太平哨电站应尽可能的利用河段自然落差，因而，从与其上级回龙电站尾水位衔接角度的分析，太平哨水库正常高水位定为191.5米为宜。水库死水位则应结合输水建筑物的布置分析确定。（死水位190米，正常高水位191.5米，设计洪水位(P=1%)191.7米，Q=12400m3/s,校核洪水位（P=0.1%）194.7米Q=17500m3/s）。根据本工程的条件，应采用Ⅱ级设计标准，即水利枢纽永久性建筑物按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核。考虑到上一级回龙地下电站交通洞的高程，要求本水库设计洪水位也不应超过198.0米高程。1.5.3装机容量的选择东北地区工农业生产不断提高，现有电源特别是水电远远不能满足系统负荷增长的需要。经与东北电力局研究认为，太平哨水电站将在负荷曲线的尖峰位置上工作，并应适当担任一部分备用容量，为此，本电站的利用小时数不宜过高，可控制在2500小时左右或更低些，可结合机组选择合理确定。（最后确定太平哨水电站的装机容量N为16万千瓦，保证出力2.5万千瓦，年发电量4.3亿度，年利用小时数2680小时。特征水头：最大水头38.1米，最小水头34.6米，设计水头36.2米，加权平均水头36.2米，发电机效率98%。）1.5.4引水隧洞的洞径选择考虑到施工技术条件，引水洞洞径不宜超过12米，否则的话，可考虑采用两条引水隧洞的方案，应结合机组数的选择合理确定。1.5.5附图附图1-1：浑江下游梯级开发示意图附图1-2：太平哨水库容积、面积曲线附图1-3：太平哨坝下H—Q关系曲线附图1-4：太平哨水电站尾水H—Q关系曲线附图1-5：HL240-46转轮综合特性曲线附图1-6：ZZ440-46转轮综合特性曲线附图1-7：坝址区地形图附图1-8：引水道沿线地形、地质图.附图.附图.附图1-1：浑江下游梯级开发示意图附图1太平哨下游梯级开发示意图 半拉半拉江江拉半300米221米太平哨电站示意图仁桓岛子心夹大坝引水道头芦葫葫芦细子江浑山龙回坑金岭高哨平太139米152米米191.5江绿鸭金坑小雅大大河太平哨高岭沙尖子二河雅河回龙山江桓仁浑江尔富通化市1-2：太平哨水库容积、面积曲线20.015.020.015.010.05.002.52.01.5水库面积（平方公里）容积曲线面积曲线3.1672.2971.5911.0040.5440.21319.6915.2313.0410.557.955.36201.10.0511.52191.1191.1186.1181.1176.1171.1容积（亿立米）面积（平方公里）高程（米）位（m）195.0190.0185.0180.0175.0170.0165.0160.0 0 0.5附图2太平哨水库容积面积曲线1.0 3.0 附图3太平哨坝下H～Q曲线1-3：太平哨坝下H—Q关系曲线175.00流量（秒立米）水位流量（秒立米）（m）170.00165.00160.00 0 5000 10000 15000 20000 1-4：太平哨水电站尾水H—Q关系曲线附图4太平哨水电站尾水H～Q曲线170流量（秒立米）水位流量（秒立米）（m）165160155150 0 5000 10000 15000 20000 25000...2.水轮机选型设计2.1机组台数与单机容量的选择2.1.1机组台数选择水电站总装机容量等于机组台数和单机容量的成积，在总装机容量确定的情况下可以拟订出不同的机组台数方案，当机组台数不同时，则当单机容量不同，水轮机的转轮直径、转速也就不同。有时甚至水轮机的型号也回改变，从而影响水电站的工程投资、运行效率、运行条件以及产品供应。因此，在选择机组台数时，应从下列几方面综合考虑：台数与机电设备的关系机组台数增多，单机容量减少，尺寸减小，制造及运输较易，这对制造能力和运输条件较差的地区有利的，但实际上说，用小机组时单位千瓦消耗的材料多，制造工作量大，所以最好选用较大容量的机组。机组台数与水电站投资的关系当选用机组台数较多时，不仅机组本身单位千瓦的造价多，而且相应的阀门、管道、调速设备、辅助设备、电气设备的套数增加，电气结构较复杂，厂房平面尺寸增加，机组安装，维护的工作量增加，因而水电站单位千瓦的投资将随台数的增加而增加，但采用小机组时，厂房的起重能力、安装场地、机坑开挖量都可以缩减，因而有减小一些水电站的投资，在大多数情况下，机组台数增多将增大投资。机组台数与水电站运行的关系当水电站在电力系统中担任基荷工作时，引用流量较固定，选择机组台数较少，可使水轮机在较长时间内以最大工况运行，使水电站保持较高的平均效率，当水电站担任系统尖峰负荷时，由于负荷经常变化，而且幅度较大，为使每台机组都可以高效率工作，需要更多的机组台数。组台数与水电站运行维护的关系当机组的台数过多时，水电站的进行方式激动灵活、易于调度、每台机组的事故影响较小，检修工作也比较容易安排，但运行检修、维护工作量及年运行费用和事故率将随机组台的增多而增加，因此机组的台数不宜过多。上述各种因素是相互联系而又相互对立的，不可能同时一一满足，为了制造安装运行，维护及设备供应的方便，在一个水电站内应尽可能选择相同型号的机组，大中型水电站机组常采用扩大单元信线，为了使电器主结线对称。大多数情况下机组台数用偶数，本设计引水式水电站的总装机容量为16万千瓦，属中型水电站，我国的建成的中型水电站一般采用4—6台机组，由于上述各种因素，本设计选用4台机组。1.2机组单机容量选择单机容量N=16万÷4=4万KW（满足保证出力2.5万千瓦。）水轮机额定出力Nґ=N÷98﹪=40000÷98﹪=40816.32KW2.2水轮机型号及装置方式的选择2.1水轮机型号选择水轮机型号的选择中起主要作用的是水头,本电站工作水头范围为34.6m～38.1m根据水头范围从型谱中查得ZZ440型适应水头20m～40m,HL24型适应水头25～45m两种型号均适用。将两种机型作为初选方案计算其参数作分析比较确定一种作为最终方案2.2.2装置方式的选择在大中型水电站中,其水轮机发电机组尺寸一般较大,安装高程也较低,因此七装置方式多采用立轴式。它可使发电机的安装高程较高不易受潮,机组的传动效率较高而且水电站厂房的面积较小,因此本设计采用立轴式装置。水轮机参数计算2.3.1HL240型水轮机方案主要参数选择1）转轮直径D的计算1查表3—6和图3—12得HL240型水轮机在限制工况下的单位流量Q'=1.24m3/s，1M效率=90.4%，由此可以初步假定原水轮机的单位流量Q'=Q'=1.24m3/s,效率 M 1 1M=92%.MN D r 1 9.081Q'H3/2 1 r式中：D——水轮机标称直径Q——水轮机单位流量查得Q'=1240L/s=1.24m3/s1 1H——设计水头H36.2mr r40000N——水轮机额定出力NN/40816KWr T e F 0.9840816代入式中得D4.09m 1 39.811.2436.220.91采用与其相近的标准转轮直径D=4.1m1转速计算n'H7236.2 n10 = 105.7r/min D 4.11式中n'——单位转速采用最优单位转速n'72r/min 1 10H——采用设计水头36.2mD——采用选用的标准直径D=4.1m 1 1采用与其接近的同步转速n=107.1r/min效率及单位参数修正查表3—6可得HL240型水轮机在最优工况下的模型最高效率=92.0%,模型转轮直径D=0.46m,由公式： Mmax 1M0.4651DD=1-(1-)M=1-(1-0.92)5× 51DD=94.8%则=-=94.8%-92%=2.8%考虑模型与原型水轮的差异,常在减去一个修正=1.0%,=1.8%=+=92%+1.6%=93.6%maxMmax=+=90.4%+1.8%=92.2%(与假设基本相同)Mn' 因为, 1(1)=0.9380.92-1=0.97%<3% n' max Mmax10M所以，不需要修正。则原假定的n=107.1r/min,Q1′=1.24m3/s,D1=4.1m是正确的。出力校核N9.81QH T T P设计流量QQ'D2H1.244.1236.2125.4m3/s由水轮机运特线查得M=0.908修正得水轮机效率=0.908+0.03=0.938NT=9.81×125.4×36.2×0.938=41771KW大于40816KW满足要求运行范围校核在选定D=4.1m,n=107.1r/min后,水轮机的Q'及特征水头相对应的n'可以计1 1max 1算出来. N 4.08104 Q'= r = 1max9.81D2HH9.814.1236.236.20.92 1 r r=1.235<1.24m3/s水轮机的最大引用流量为r Q Q'D2H1.2354.1236.2124.91m3/sr max 1max1各个特征水头相对应的单位转速 n'nD 107.14.171.1r 1min 1max38.11max38.1n'nD107.14.174.7r 1max 1min1min34.6Hn'nD107.14.173.0r 1r 136.2r136.2rH列表比较如表2-1所示，由计算值绘运行范围图，从模型综合特性曲线上看出基本包括了高效率区。表2-1项目项目maxHpHminH水头38.136.234.6单位转速'1n71.17374.7单位流量'1Q1.11.241.246）吸出高程的计算H10 ()H1s 900式中：——当地高程为152.6m——气蚀系数H——水头表2-2HL240型水轮机吸出高度计算见表项目项目最小水头设计水头最小水头水头38.136.234.6单位转速71.17374.7气蚀系数0.20.20.2修正值0.0380.0390.04H)(9.0688.6528.304吸出高度Hs-0.2380.1780.526采用最小值作为其吸出高度Hs=-0.24m7）安装高程的计算HL240型水轮机的安装高程的计算b ZZ H0=152.6-0.24+0.74825=153.1m A Dmin s2式中：导叶相对高度b0/D1=0.365 Z 为设计尾水位152.6mDminH为吸出高度s2.3.2ZZ440型水轮机方案主要参数选择ZZ440型适用水头范围25～45m,其模型参数如表2-3表2-3叶片数叶片数m0导叶相对高度b0/D1’最优单位转速'10n（r/min）限制工况单位流量'1xQ（m3/s）气蚀系数m模型直径Dm1（m）实验水头Hm（m）60.3751151.650.720.463.5转轮直径D的计算由上表查得Z440型水轮机在限制工况下的单位流量Q′=1.65m3/s,同时该工况 1m的气蚀系数=0.72,[H]=-4m时其相应的气蚀系数：S10H101524 900 s 900 =0.382-0.034=0.3480.72H 36.2式中为气蚀系数修正值，由图2-26查得=0.034。在满足-4m吸出高度的前提下,从图可查知(n'=115r/min,=0.348处的流量10Q1′=1000L/s,M=88.3%,假定水轮机的效率为91.6%. N 4.082104 D= r =4.57m19.81Q1'HrHr9.811.0236.236.20.915选用与之接近的标准直径D1=4.5m转速：n'H n1 D1式中：n1’——单位转速，采用n1’=1.1n10’=126.5r/minH——水头采用H=H=36.2mpn'Hn=10Dr(r/min)=153.876r/minr采用与其接近的同步转速n=166.7r/min磁极对数p=183）效率及单位参数的修正轴流转浆式水轮机的原型最高效率采用0.89maxM1051HHDD1051HHDDmm max maxM maxM1效率修正值，对不同装置角计算结果列表如表2-4 max maxM表2-4ZZ440型水轮机效率修正值计算表1%M叶片转角叶片转角-10°-5°0°5°10°°15maxM84.98888.888.387.286max90.292.292.792.491.790.9maxM-max5.34.23.94.14.54.94.33.22.93.13.53.9由于最优工况接近于=0°的时候.故采用=2.9%作为修正值则原型的最高效率=+=89%+2.9%=91.9%maxMmax已知在吸出高程为-4m,限制工况点(n'=115r/min,Q1′=1000L/s)处的模型效率=88.1%而该工况在5°—10°=3.28%. M 由此可得该工况点的原型水轮机效率为=88.3%+3.28%=91.78%（与上假定相近）n' 因为 1(1)=(0.9190.891)=1.62%<3% n' max Mmax10M 所以n不用修正.则D=4.5m,n=166.7r/min 是正确的14）工作范围校核D1=4.5m,n=166.7r/minN Q'= r =1.0321m3/s1max9.81D2HH 1 r r水轮机的最大引用流量为rQ Q'D2H0.83694.1236.2126.8m3/smax 1max 1r各个特征水头相对应的单位转速： nD 166.74.5 n' 1 124.23r/min 1min max38.1max38.1 nD 166.74.5 n' 1 130.36r/min 1max minmin34.6H nD 166.74.5 n1 127.45r/min 1r 36.2r36.2r在HL240型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出，Q'，n'和n'的直线， 1max 1max 1min可看出，包括了高效率区。5）吸出高度及安装高程的计算由水轮机的设计工况点(n'=127.45r/min,Q'=10321L/s,)在图3—25可查得相 1r 1max应的气蚀系数为=0.33，并可以从图2—26查得气蚀修正值=0.034 则：H10 ()H S 900=10-152.6/900-(0.33+0.034)×36.2=-3.35m>-4.0m由此可见ZZ440型水轮机的方案的吸出高程满足水电站的要求。6）安装高程的计算ZZ440型水轮机安装高程的计算 ZA=ZDmin+Hs+xD1=152.6-3.35+0.413.8=150.8× m始终x为高度系数从《水电站》查得取0.412.3.3HL240型水轮机及ZZ44型水轮机两种方案的比较表2－5水轮机方案参数对照表序号序号项目HL240ZZ4401模型水轮机参数推荐使用的水头范围25～4520～362最优单位转速721153最优单位流量11008004限制工况单位流量124016505最高效率92896气蚀系数0.1950.727原型水轮机参数工作水头范围34.6～38.134.6～38.18转轮直径4.14.59转速107.1166.710最高效率94.891.911额定出力408164081612最大引用流量124.9126.813吸出高度-0.24-3.3514安装高程153.1150.8由表2－5可见两种方案中HL240型水轮机运行效率高，安装高程较高使得其开挖量较ZZ40型水轮机的开挖量要小得多且有利于提高年发电量，而ZZ440型水轮机机组转速较高使得其气蚀系数较高不利于安全，虽然发电机尺寸较小但同时使得水轮机调节系统造价升高综合以上因素选择HL240型方案更为有利2.4水轮机运转特性曲线的绘制水轮机运转特性曲线时表示转速，转轮直径为常数时水头，流量，出力，效率，河吸出高度等参数间的关系曲线包括等效率曲线，出力限制线和等吸出高曲线，它反映了水轮机实际运行中各个参数间的关系是指导水电站运行的依据。2.4.1等效率曲线的绘制在水轮机的工作水头范围以内取三个水头H,H,H并绘制每个水头下的工作特性曲线如附图2-1（a）,在该图上以某一效率常作行线，他与诸曲线相交并可得出各交点上的H,N值，然后依H，N值将各点落在H-N的坐标场中，并绘制成一光滑曲线如附图2-1(b)，即为该效率的等效率曲线，计算表2－6表2－6等效率曲线计算表1.6%2.4.2出力限制线的绘制水轮机最大出力受到发电机额定出力和水轮机5%出力贮备线的双重限制，在运转综合特性曲线图上，H≥Hr时的出力线为N=Hr的一段垂直直线，H<Hr时水轮机出力受5%出力贮备线的限制,A点与B点的连线即为出力线。做法上见图。N发电机额定出力N的限制即为水轮额定出力N的限制（N=grgr为发电机的 r r rgr额定效率），因此在运转综合特性曲线图上，HH时出力限制线NN的一段垂直直r r线，如下图由于H是水轮机发出额定出力的最小水头，所以当HH时，水轮机出力受r r5%出力储备线的限制。在相应的模型综合特性曲线图中的5%出力储备线上找出相应于H的工况点然后求出对应的N9.81D2H32在图中把HN点与minmin1minmr,rH,N点连成直线，即得到HH时的出力限制线，如附图2-2。minmin r D4.1m,H36.2m,H 34.6m,90.4%,1.8% 1 r min m92.2%,NN/4.0104kw/98%4016.3KWm rgrgrN9.81D2Q'H329.8192.2%4.12Q'34.632min 1 1 min 1而相应于H的工况点流量Q'1.233 min 1N38154.4kw则,N对应点36.2，40.82MW r rH,N对应点34.6,38.15MWminmin2.4.3等吸出高度曲线的绘制根据等效率曲线计算表中的Q'和N作不同水头下N=f(Q')的辅助曲线在向相应的模型综合特性曲上，佐以各水头下n'为数的水平线，它与气1M蚀系数线交于许多点，记下各点的和Q'值并将其列入表其中的值可由H查得 1 r由上述已知的Q'可在N=f(Q')辅助曲线上查得相应的N值并记入表中有公式 1 1H=10-()H，计算出不同之相应的吸出高H并列入表中。s 900 s根据表中对应的H和N作各水头下的Hf(N)的辅助曲线如附图2-3(a)。 s S在Hf(N)得辅助曲线上，作某一H为常数的水平线它与该辅助曲线交于许多点，并可点上的H，N值。然后将各点连光滑曲线即得该吸出高的等吸出高度线如附图2-3(b),计算过程见表2-7表2-7吸出高度计算表H ni Qi N ()H Hs 0.210.8629.25 0.240 9.14 0.69 0.201.0135.84 0.230 8.76 1.0738.10.03071.140.201.2042.12 0.230 8.76 1.07 0.211.3144.2 0.240 9.14 0.69 0.210.83528.17 0.242 8.76 1.07 0.200.97 32 0.232 8.40 1.4336.20.03272.980.201.2840.7 0.232 8.40 1.43 0.211.3241.25 0.242 8.76 1.07 0.210.83 24. 0.245 8.48 1.35 0.200.9528.5 0.235 8.13 1.7034.60.03574.650.201.2938.23 0.235 8.13 1.70 0.211.3338.83 0.245 8.48 1.352.5水轮机蜗壳设计2.5.1蜗壳形式的选择蜗壳形式有金属蜗壳和混凝土蜗壳，金属蜗壳适用于水头大于40m或小型卧式机组，混凝土蜗壳适用于水头小于40m由水电站的水头范围34.6～38.1m，同时考虑为了节约钢材,且梯形断面与圆形断面相等时，梯形断面可以沿轴向上下延伸,与圆形相比径向尺寸较小,可以减少厂房的面积和土建投资,所以本设计采用了混凝土蜗壳,并采用平顶梯形断面。2.5.2断面形状及包角的选择从蜗壳的鼻端至蜗壳进口断面之间的夹角称为蜗壳包角,常用来表示,对于混凝0土蜗壳由于勘测流量较大,允许的流速减小,允许流速较小,通常采用包角为180°～270°，本设计选择270°断面形式使用平顶梯形，本设计采用了平顶梯形,所以n=0,a a当n=0时,r=10°～15°,=1.5～1.7可达到2.0,本设计选用r=15°,=1.6，300。b b根据水电站规模本电站采用平顶梯形断面混凝土蜗壳由《水力机械》附表以及附表二查得HL240型水轮机Da=6.35m,Db=5.5m2.5.3进口断面面积及尺寸的确定进口断面流速vaH0.822636.2=4.95m/s 1 c式中a查《水电站》表1-5内插得0.8226cQ进口断面流量QT=94.05m3/s03600设计流量Q=125.4m3/sTQ进口断面面积F1=v0=94.05/4.95=19m21根据几何关系确定进口断面尺寸如下进口断面面积应满足下式a/b1.6bmb00.365D11.5m 1 F0ab2m2tgr r15解上面方程组得a1=3.56m，b1=5.7m，m1=4.2m2.5.4中间断面尺寸的确定在图5中CH对角线为mka,k=m/a=1.2当混凝土蜗壳的进水口面状确定后，其中间断面形状可由各断面顶角点及底角点的变化规律来确定，本设计采用直线变化规律。查《水电站设计手册》(水利机械卷)表12-15,可知Da=6.35m，Db=5.5m2.5.5FR图的绘制根据《水电站》的公式(2-3)和(2-4)式可知中间断面面积F与包角的关系为 i 00F(i1,2,3KK),所以F是直线iFi0绘制f(R)辅助曲线,在进口断面做出若干个中间断面,如图2-4。结合mka及 i i已知数据可以求出每个断面的面积F,i,1Fabm2tgr1.5a1.03a2 i ii2i i i根据下表2-8可就可以绘制FR曲线，见附图2-5表2-8断面断面iamiimkam0iibbm212iiiiFabmtgr00iiFFiaiRra03.6484.3375.83719.122706.82312.6483.1484.64811.161585.82321.6481.9593.4595.26744.82330.6480.7702.2701.40203.823查图得表2-9表2-904590135180225270R2.754.24.95.566.36.7依据上表绘制蜗壳单线图如附图2-6。2.6尾水管设计2.6.1尾水管的形式尾水管是反击式水轮机的重要过流部件，其形式和尺寸在很大程度上影响到水电站下部土建工程的投资和水轮机运行的效率及稳定性。尾水管的形式很多,常用的有直锥形,弯锥形和弯肘形,大中型反击式水轮机均采用弯肘形，本设计采用弯肘形，它不但可以减小尾水管开挖深度，而且具有良好的水力性能。弯肘形尾水管由进口直锥段中间肘管段和出口扩散段三部分组成。2.6.2弯肘形尾水管部分尺寸的确定由《水电设计手册》查得HL240型水轮机转轮流道尺寸D=1.078D尾水管尺寸2 1采用推荐尺寸。1)进口直锥段是一段垂直的圆锥形扩散管,进口直径为D高度为h锥管段均设金属里衬,以防止旋转水流对管壁的破坏,对混流式水轮机,单边3的扩散角3的最优值为7°～9°,本设计选用8°,进口直径D3=D2=1.078D=4.42m中间弯肘段肘管是一段90°转角的边截面弯管,其进口断面为圆形,出口断面为矩形,管内一般不设金属里衬,由于肘管形状太复杂，所以肘管内一般不设金属里衬，但当流速很大特别含沙时应设里衬，由于该电站水头小150m，所以不设金属内衬.出口扩散段是一段水平放置,两侧平行,顶板上翘的矩形扩散管,一般取10°～13°,本设计取12°当出口断面宽度过大时,可按水工结构要求加设中间设墩,它的厚度取(0.10～0.15)B5.并考虑尾水门槽不止的需要，出口扩散段内通常不加金属里衬。弯管段尺寸计算见表2-10DD44hB6L16haR61aR72aR8112.0151.350.50.360.861.100.60.080.585.5355.53511.157.472.771.994.766.093.320.443.2扩散段尺寸计算见表2-11DD1HLB5D44h6hL15h12.64.52.721.351.350.6751.821.224.110.6618.4511.1525.5355.5352.76757.4625.002利用以上数据绘制尾水管如附图2-7。2.7发电机的选择2.7.1发电机型式的选择水轮发电机的结构型式主要取决于水轮机的型式和转速，同时要兼顾厂房的布置要求，本设计水轮机的额定转速n=107.1r/min,故采用伞式水轮发电机。2.7.2水轮发电机的结构尺寸本设计中水轮发电机的型号采用推荐型号为SF45-56/900，即：立式空冷水轮发电机，额定容量为45MW，磁极个数为56个，定子铁芯外径9000mm，SF45-56/900型水轮发电机有关资料如下（查《水电站机电设计手册》水力机械卷）：定子外径：D=900cma定子内径：D=842cmi定子长度：L=135cmt定子机座高度：h=2590mm上机架高度：=838mm推力轴承高度：=870mm励磁机高度：=2070mm永磁机及转速继电器高度：=455mm6定子支撑面至下机架支撑面距离：h=785mm转子磁轭轴向高度：=1980mm10发电机主轴高度：h=2035（副）h=7020（主） 11 11定子水平中心线至法兰底面距离：h=6120mm法兰盘地面至发电机层地板高度：H=055mm定子支承至发电机层地板高度：h=3428mm机座外径：D=10170mm风罩内经：=12800mm转子外径：=8390mm水轮机机坑直径：=6000mm下机架最大跨度：=7760mm推力轴承装置外径：=3200mm励磁机外径：=2640/3000mm布置特点说明：上机架埋入地板内、磁机及其机架在其上露出地面，推力轴承在下机架之上。见附图2-8。2.8调速器设计2.8.1调速设备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以额定转速运行，在机组负荷变化或其他外扰作用下，保证机组的转速变化不超过一定的范围，并能迅速地稳定与新的工况，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不断地改变水轮机过流量来实现的。调速功A(200250)QHD《水力机械》式5-41式中：H——水轮机的最大水头H=38.1mmaxQ——最大水头下发出额定出力时的流量D—转轮直径本设计为4.1m1N由Qr得最大水头下发出额定出力的流量9.81Hmax由绘制的运转特性曲线图上查得=94.6%A(200250)*115.4*38.1*4.1=288463—360579N·m>3000N·m选属大型调速器则接力器,调速柜和油压装置应分别为计算和选择。2.8.2接力器的选择1）接力器直径的选择采用两个接力器来操作水轮机的导水机构选用额定油压为2.5Mpa每个接力器直径按下式计算max0DHbmax0DHb s 11D=4.1m位于2.5-7.5之间Z=24采用标准正曲率导叶式中为系数查《水力机械》表5-得=0.03导叶高度b=.5m01.5*38.10DHbdD max=0.03*4.1=0.459m0DHb12）接力器最大行程的计算应用《水力机械》（5-8）式接力器最大行程S为：max S1.41.8a max 0max 导叶最大开度a 可由模型的a 求得。 0max 0maxDZ a a 00M 0max 0MaxDZ 0M 0式中：D,D——原形和模型水轮机导叶轴心圆的直径。 0 0M Z,Z——原形和模型水轮机导叶数目S (1.41.8)a 0 0M max 0max N 40816 Q' r 1.25m3/s1max9.81D2H3/29.81*4.12*36.23/2*0.91 1 rr则QQ'D2H1.24*4.12*36.2125.4m3/smax1max1r 由（n'73r/min,Q'1.24m3/s)查得a =26.9 1r 1max 0Max DZ 4797*24 a a 00m=26.9*=242mm 0max 0MaxDZ 534*24 0M 0计算系数取1.8smax=1.8*242=434mm=0.434m3）接力器容积的计算 3 Vd2S *0.45920.4340.144m《水力机械》式5-10s2smax22.8.3调速器的选择大型调速器的型号是以主配压阀的直径来表征的，主配压阀直径d可由《水力机械》（5-15）式计算：d=1.13msmssVTV式中：T——导叶从全开到全关的直线关闭时间，ssV——管内油的流速（m/s）m本设计选用T=4s，V=4.5m/s则s m0.144d1.13101mm4*4.5查《水力机械》表5-1选择与之接近的D-T100电气液压型调速器2.8.4液压装置的选择油压装置是向水轮发电机的调速系数供给压力油能源设备，设调速系统的重要组成设备。同时也作为进水阀，调压阀以及液压操作原件的压力油源。油压装置的工作能力由压力油罐的额定油压及总容量来标志，目前国内生产的油压装置，其额定油压一般为25kg/cm2，在不考虑转轮浆液接力器和水轮机进