水电站课程设计计算说明书

李家峡水电站厂房设计说明书目录摘要 1Abstract 2第一章设计任务及设计参数 31.1李家峡水库简介 31.2设计任务 31.3设计参数 3第二章水轮机主要参数确定 42.1确定机组台数 42.2水轮机选型计算 42.2.1HL200型水轮机方案的主要参数确定 42.2.2HL180型水轮机方案的主要参数确定 52.2.3两种方案的比较分析 6第三章水轮机调速系统 73.1调速功的计算 73.2接力器的选择 73.2.1接力器直径的计算 73.2.2接力器最大行程计算 83.3调速器的选择 83.4油压装置的选择 8第四章发电机选型计算 84.1发电机主要部件尺寸计算 84.2发电机重估算 9第五章起重设备选型 10第六章压力管道参数计算 10第七章蜗壳尺寸确定 10第八章尾水管尺寸确定 11第九章厂房主要尺寸的确定 129.1主厂房高程的确定 129.2主厂房平面尺寸的确定 139.2.1主厂房长度L的确定 139.2.2厂房宽度确定 14第十章副厂房的设计 14参考文献 15摘要本课程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。水电站位于青海省尖扎县与化隆县交界的李家峡峡谷中段，水力资源丰富，可供修建大中型水库和电站。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96米，单机容量200MW，共四台机组，总装机容量800MW。关键词：峰荷、装机容量、效率、水库、发电机、水轮机。

AbstractThissubjectdesignundertakeswaterinwaterconservancywaterelectricityvitalpointengineeringelectricitystationfactorypremisesdesignofpartwork.Carryonadesignaccordingtooriginaldataandthegeography'sdiagramtherehasingbeen,themaincontentshas:Waterelectricitystationstationaddressofchoice,totaldecoration,thechoiceofwaterroundmodel,Guahullsizereallysettle,tailpipelinesizereallysettle,adjustsoonthemodelnumberchoiceofmachineandDievalve,waterelectricitystandsfactorypremisessizereallysettle,tailwaterdikeoutletdecoration,formchoice,opentodigsquarequantityetc.,andaccordingtorequestingtodrawthehomologousflatsurfacedecorationdiagramandcrosssection.Hydropowerstationislocatedinqinghaipointedpiercedcountywiththejunctionofhualongcountymiddlelijiaxiacanyon,waterpowerresourcesabundant,canbeprovidedtobuildmediumsmallscaledreservoirandelectricitystation.Becauseundertheinfluenceofelectricpowershortage,seriouscheckandsupervisiontheeconomicdevelopmentoftheregion,forsolvingtheusingofregiontogiveorgetanelectricshocknervousproblemandreasonabletodevelopoldinfuseriverwaterpowerofresources,thedraw-upbuildswaterconservancywaterelectricityvitalpointengineeringandtakesgeneratingelectricityasalordandcombinesfloodcontrol,citysupplywater,farmlandtheirrigationandmarineproductsetc.carryoncomprehensiveexploitation.Thedesignwaterheadofthiselectricitystationis96meters,thelistmachinecapacity200MW,totalfoursetmachineset,alwayspackmachinecapacity800MW.Keyword:Fenglotus,packmachinecapacity,efficiencyandreservoir,generatorandwaterroundmachine.第一章设计任务及设计参数1.1李家峡水库简介李家峡水电站位于青海省尖扎县与化隆县交界的李家峡峡谷中段，是黄河上游规划建设的第三座大型梯级电站。电站安装5台混流式水轮发电机组（一期4台，二期1台），单机容量40万kW，总装机200万kW，年均发电量59亿kW•h，是中国首次采用双排机布置的水电站，也是世界上最大的双排机水电站。4号机组采用蒸发冷却新技术，在国内尚属首例。水库库容16.5亿m3，为日、周调节。大坝为三心圆双曲拱坝，坝长414.39m，坝高155m，坝顶宽8m，坝底宽45m。电站与西北30kV电网联网，是目前西北最大的水电站，主供陕、甘、宁、青四省，在系统中担任调峰、调频，汛期担负基荷。电站以发电为主,兼有灌溉等综合效益。电站4台机组分别于1997年2月13日、12月10日、1998年6月6日、1999年12月10日投产，至2000年5月31日，累计发电量为110．5475亿kW•h。李家峡水电厂于1995年12月12日成立，2000年1月1日划转到黄河上游水电开发有限责任公司。电厂实行新厂新体制，实现了运行维护与设备检修。1.2设计任务1、本设计的主要内容是李家峡水电站厂房设计，主要任务有：2、确定厂区建筑物的总体布置；3、选择主要机电设备，并确定各主要设备的外形尺寸；4、确定厂房长宽及各层高层的尺寸；5、绘制水电站厂区平面布置图；6、绘制厂房横剖面图(比例尺1:100)；7、绘制厂房水轮机层及发电机层平面图（比例尺1:200）；8、编写设计说明书（5000字左右）1.3设计参数总装机容量N总=800MW设计尾水位∇尾=2035m水电站最大净水头Hmax=102.2m水电站最小净水头Hmin=99.2m算术平均水头H平均=（Hmax+Hmin）/2=（102.2+99.2）/2=100.7m水电站加权平均水头Hav=101m水电站设计水头Hr=0.95Hav=0.95×101≈96m第二章水轮机主要参数确定2.1确定机组台数拟定四台水轮发电机组Z=4，单机额定容量N=800/4=200MW2.2水轮机选型计算根据水电站可利用水头，取水轮机工作范围99.2~102.2m，在反击式水轮机系列型谱中查得HL200、HL180型水轮机（90~125m）比较适用于这一水头范围。先将这两种水轮机作为初选方案，分别求出其有关参数，并进行比较分析，选择合理方案。本设计选用立轴金属蜗壳，所采用的机型为：HL200－LJ或HL180－LJ。2.2.1HL200型水轮机方案的主要参数确定（1）转轮直径D1的确定取发电机效率为96%，则水轮机的额定出力为Nr=N/96%=200/96%=208.33MW。查表可得HL200型水轮机在限制工况下的单位流量Q1M＇=950ml/s=0.95m3/s,ηM=89.4%,由此初步假定原型在该工况下的单位流量Q1＇=Q1M＇=0.95m3/s，效率η=92.0%。将上述的Q1＇、η、Nr、D1=Nr9.81Q1查水轮机转轮标准系列取接近而偏大的标称直径D1=5.5m。（2）转速n的计算查表可得HL200型水轮机在最优工况下单位转速n10M＇=68r/min，初步假定n10＇=n10M＇，将已知的n10＇和Hav=101m选用与之接近而偏大的同步转速n=125r/min（3）效率及单位参数修正的计算查表可得HL200型水轮机在最优工况下的模型最高效率ηMmax=90.7%，模型转轮的直径为D1M=0.46m根据ηmax=1-（1-ηMmax）5D1MD1=1-（1-0.907）50.465.5=94.3%，ηmax=ηη=ηm+∇η=89.4%+2.6%=92.0%(与上述假定值相同)单位转速的修正值按下式计算：∆n1＇=∆则∆n1＇n10M由于∆n1＇n10M有上述可见，原假定的η=92.0%， Q1＇=Q1M＇、n10＇=n1（4）工作范围的检验在选定D1=5.5m、n=125r/min后，水轮机的Q1max＇及各特征水头相应的n1＇即可计算出来。水轮机在Hr、NrQ1max＇=0.81<0.95m3/s则水轮机的最大引用量为Qmax=Q1max＇D与特征水头Hmax、Hmin和Hr相对应的单位转速为 n1min＇=n1max＇=n1r＇=在HL200型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出Q1max＇=810l/s、n1max＇=69.03r/min和n1min＇=68.01l/min的直线，这三根直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（5）吸出高度HS计算由于水轮机的设计工况参数n1r＇=70.17r/min、Q1max＇=810l/s，查表可得相应的气蚀系数σmHs=10-∇900-（σm+∆σ）Hr=10-2.2.2HL180型水轮机方案的主要参数确定转轮直径D1的确定取发电机效率为96%，则水轮机的额定出力为Nr=N/96%=200/96%=208.33MW。查表可得HL180型水轮机在限制工况下的单位流量Q1M＇=860ml/s=0.86m3/s,ηM=89.5%,由此初步假定原型在该工况下的单位流量Q1＇=Q1M＇=0.86m3/s，效率η=92.0%。将上述的Q1＇、η、NrD1=Nr9.81Q1查水轮机转轮标准系列取接近而偏大的标称直径D1=5.5m。（2）转速n的计算查表可得HL200型水轮机在最优工况下单位转速n10M＇=67r/min，初步假定n10＇=n10M＇，将已知的n10＇和Hav=101m，D1=5.5m选用与之接近而偏大的同步转速n=125r/min（3）效率及单位参数修正的计算查表可得HL200型水轮机在最优工况下的模型最高效率ηMmax=92%，模型转轮的直径为D1M=0.46m根据ηmax=1-（1-ηMmax）5D1MD1=1-（1-0.92）50.465.5=95.1%，则效率修正值为∆η=95.1%-ηmax=ηMmax+∇η=92%+2.1η=ηm+∇η=89.5%+2.1%=91.6%(与上述假定值相同)单位转速的修正值按下式计算：∆n1＇=∆则∆n1＇n10M＇=(η由于∆n1＇n由上述可见，原假定的η=92.0%， Q1＇=Q1M＇、n10＇=n1（4）工作范围的检验在选定D1=5.5m、n=125r/min后，水轮机的Q1max＇及各特征水头相应的n1＇即可计算出来。水轮机在Hr、NrQ1max＇=0.81<0.86m3/s则水轮机的最大引用量为Qmax=Q1max＇D与特征水头Hmax、Hmin和Hr相对应的单位转速为 n1min＇=n1max＇=n1r＇=在HL180型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出Q1max＇=810l/s、n1max＇=69.03r/min和n1min＇=68.01l/min的直线，这三根直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（5）吸出高度HS计算由于水轮机的设计工况参数n1r＇=70.17r/min、Q1max＇=810l/s，查表可得相应的气蚀系数σmHs=10-∇900-（σm+∆σ）Hr=10-2035900-（0.0782.2.3两种方案的比较分析为了便于比较分析，现将这两种方案的有关参数列入下表中。水轮机方案参数对照表序号项目HL200HL18012345模型转轮参数推荐使用的水头范围（m）最优单位转速n10＇（最优单位流量Q10＇（最高效率ηMmax（气蚀系数σ90~1256880090.70.09690~1256772092.00.0786789101112原型水轮机参数工作水头范围（m）转轮直径D1（m）转速n（r/min）最高效率ηmax（%）额定出力Nr（MW）最大引用流量Qmax（m3/s）吸出高Hs（m）99.2~102.25.512593.3208.33240.07-3.4099.2~102.25.512594.1208.33240.07-1.67由上表可见，两种机型方案的水轮机转轮直径D1相同，均为5.5m。但HL180型水轮机方案的工作范围包含了较多的高效率区域，运行效率高，气蚀系数小，安装高程较高，有利于提高年发电量和减小电站厂房的开挖工程量，所以初步选定HL180型方案较为有利。第三章水轮机调速系统3.1调速功的计算调速功德计算：已知， Hmax=102.0m、Nr=208.33MW、η=91.6%，则该工况下水轮机流量：Q=Nr9.81A=（200~250）QHmaxD1=（200~=（1.08~1.34）×103.2接力器的选择3.2.1接力器直径的计算取标准导水机构，由两个接力器操作，选用额定油压压力为2.5Mpa，则每个接力器的直经ds为：ds=λD1b0D1查《水利机械》表5-2(p122)，选直径为325mm的标准接力器。3.2.2接力器最大行程计算Smax=（1.4~1.8）a0max=（1.4~1.8）a0MD=1.8×0.03×1两个接力器总容积：Vs=π2ds23.3调速器的选择调速器直径d=1.13VsTsVm=1.133.4油压装置的选择压力罐容积Vk=（18~20）Vs=（18~20）×0.103=（1.854~2.206）m3，选与之相邻而又偏大的YZ-25型分离式油压装置。第四章发电机选型计算4.1发电机主要部件尺寸计算拟选发电机型号型号：SF400－48／12800，额定容量：222MVA，n=125r/min，采用悬式发电机。主要尺寸估算如下：机距：τ=Ki4Kn2p=10×42083302×34=74.40cm（Ki－系数（定子铁心内径：Di=2pτπ=2×34×74.40定子铁心长度：Lt=SnCDi2ne=2083307.15×10定子机座外径：ne<214r/min时，D1=1.15Di+70=1.15×1611.21+70=1922.89cm；风罩内径：ne<214r/min时，D2=D1+200=1922.89+200=2122.89cm；转子外径：D3≈Di=1611.21cm；下机架跨度：当Sn≥15000KW时，D4=D5+120=770+120=890cm;水轮机坑直径：D5=770cm；推力轴承外径：D6=460cm（查表所得）；励磁机外径：D7=420cm（查表所得）；定子机座高度：当ne≤150r/min时，h1=Lt+2.5τ=89.80+2.5×74.40=186.90cm；上机架高度:h2=0.25Di=0.25×1611.21=402.80cm；推力轴承高度：h3=200cm；励磁机高度：h4=240cm；副励磁机高度：h5=120cm；永磁机高度：h6=90cm；下机架高度：h7=0.45h3=0.45×200=90cm；定子支座支撑面至下机架支撑面或下挡风板之间的距离：悬式不承载机架h8=0.15Di=0.15×1611.21=241.68cm；下机架支撑面至主轴法兰盘之间的距离：h9=150cm；定子支撑面到大轴法兰盘的距离：h10=h8+h9=241.68+150=391.68cm；转子磁轭轴向高度：无风扇，h11=Lt+（50~60）=89.8+60=149.8cm;定子铁心轴向中心线到法兰盘面距离：h12=0.46h1+h10=0.46×186.90+391.68=477.65cm;发电机大轴高度：h13=(0.7~0.9)H=0.9×1631.38=1468.24cm;发电机总高：H=h14+h10=+h1+h2+h3+h4+h5+h6+h8+h9=186.90+402.80+200+240+120+90+241.68+150=1631.38cm。4.2发电机重估算发电机总重量：Gf=k1Snne23=（8~发电机转子重：G2=12G发电机飞轮距：GD2=第五章起重设备选型起重机的型式和台数取决于水电站厂房类型、最大起重重量和机组台数等条件。具有上部结构的厂房一般选用桥式起重机。起重机额定起重重量应根据最重吊运件的重量（一般为发电机转子）加起吊工具重量并参照起重量系列确定。发电机转子重G2=12Gf=0.5×1124.56=562.28t，乘以动力系数1.2得，562.20×1.2=674.74t，查表选第六章压力管道参数计算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4——6ms，取为6管道直径计算公式：D=1.13QVe=1.13用经验公式求解：D=75.第七章蜗壳尺寸确定本电站采用金属蜗壳，计算过程如下：工厂对圆形金属蜗壳包角通常采用，φ=345°。则：蜗壳进口多面流量：Qc=Qmax360°×Qmax蜗壳进口平均流速：由水轮机设计水头Hr查《水力机械》P99表4-30(a)得蜗壳进口平均流速Vc=7.5Fc=Qmax×φ0360°×断面半径：ρmax=Qmax由《水力机械》附表5查的金属蜗壳坐环尺寸，水头在75m～115m其座环外Da=8.6m，半径R当φ=345°时ρi=R=Da2+2ρi当φ=300°时ρi=Qmax×φR=Da2+2ρi当φ=255°时ρi=QR=Da2+2ρi当φ=210°时ρi=QR=Da2+2ρi当φ=165°时ρi=QR=Da2+2ρi当φ=120°时ρi=QR=Da2+2ρi当φ=75°时ρi=QR=Da2+2ρi当φ=30°时ρi=QR=Da2+2ρi其图如下图所示：第八章尾水管尺寸确定根据本电站的总装机容量（800MW）为大中型水电站，为了减少尾水管的开挖深度，采用标准弯肘型尾水管。弯肘形尾水管是在此处键入公式。由进口直锥段、肘管和出口扩散段三部分组成。使用推荐尾水管尺寸表查《水力机械》P104表4-17得到本电站尾水管尺寸参数。表中“标注”是指当转轮直径为1m而言的，当直径不为1m是可乘以直径数即得所需尺寸。上表中的“实际”即转换后本电站所用尾水管尺寸，对于混流式发电机D3=1.1m、D1=6.05m， 尾水管标准型式与实际计算表参数DhLBDhhLh标准12.64.52.721.351.350.6751.821.22实际5.514.324.7514.967.4257.4253.7110.016.71上表推荐使用标准混凝土轴衬管，尺寸如下图所示，其中所列数据对应D4=h外壁R6半径为：R6=0.86106×D内壁R7半径为：R7=0.60345×D图示如下：第九章厂房主要尺寸的确定9.1主厂房高程的确定（1）水轮机安装高程∇T：式中：∇wHsX——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∇T=2035-1.67+（2）尾水管底板高程∇尾：∇尾式中：h——尾水管高度；∇（3）主厂房基础开挖高程∇F：式中：h1∇F（4）水轮机层地面高程∇1：式中：ρch4∇1=2033.88+3.13+（5）发电机装置高程∇G：式中：h5h6∇G=2038.01+2+发电机层地面高程∇2∇2=2041.01+1.869+（6）装配厂层高程：∇a=∇2+h22+h3+h4+h5式中h2——上机架高度；h3——推力轴承高度；h4——励磁机高度；h5——副励磁机高度；（7）吊车安装高程∇式中：h8hh10h∇c(8)屋顶高程——∇式中：h12——轨顶到吊车小车距离，可从起重机主要参数表中查出；h13——吊车检修预留空间，1m；∇R9.2主厂房平面尺寸的确定9.2.1主厂房长度L的确定L=nL式中：L——主厂房长度n——机组台数