水电站设计计算书

水电站设计计算书第一部分水电站设计的基本资料 3 3 31.2水文与气象 31.3工程地质 31.4交通状况 31.5水电站的基本资料 31.6设计采用的主要技术规范 4第二部分水轮发电机的选择 51枢纽布置 52水轮机主要参数的确定 52.1水轮机机型确定 52.2HL200型水轮机方案的主要参数选择 52.3HL180水轮机方案的主要参数选择 72.4水轮机造型综合比较 3蜗壳和尾水管的尺寸选择 3.1蜗壳尺寸计算 3.2尾水管计算 3.3调速器的计算 4发电机组的选择及尺寸 4.1发电机选择 4.2发电机重量估算 4.3吊桥选择 第三部分水电站厂房设计 201主厂房剖面尺寸的确定 201.1水轮机的安装高程 201.2尾水管、底板高程和厂房基础开挖高程 201.3蝴蝶阀室地面高程 201.4水轮机层地面高程 201.5发电机装置高程 201.6装配厂层高程 211.7吊车轨顶高程 211.8屋顶高程 212主厂房平面尺寸的确定 212.1机组段长度的确定 212.2厂房宽度确定 223主厂房的布置 234副厂房的布置 23 24xx江属QJ支流，发源于闽、浙、赣三省交界的xx，xx县xx潭附近流入Q江，全长170公里，流域面积2623平方公里，本次设计的xx水电站距离xx水电站25公里。流域内除xx以下属QJ平原外，其余均属山区、森林覆盖面积小，土层薄，地下渗流小，沿江两岸岩石露头，洪水集流迅速，从河源至xx段，河床比降为1/1000，水能蕴藏量丰富。1.2水文与气象xx坝址控制流域面积为2197km2，年平均降水量为1770mm，断面处多年平均径流量为83.0m3/s。3.55.46.628.55250200000000001132.65.337.69.8流量（m3/s）30005751000000000500000水位（m）流量（m3/s）204060水位（m）流量（m3/s）200400700水位（m）121.97125.65流量（m3/s）000300040006000800010000气象条件：xx江流域属副热带季风气候，多年平均气温10.4℃,月平均最低气温4.9℃,最高气温28℃;7、8、9月份会受台风过境影响，时有台风暴雨影响。1.3工程地质本工程曾就xx、xx、xx三个坝址进行地质勘测工作，经分析比较，选用了xx坝址。引水建筑物沿线为流纹斑岩分布。岩石新鲜完整，地质条件良好。有十余条挤压破碎带及大裂隙，但宽度不大，破碎程度不严重。厂房所在位置地形陡峻，覆盖极薄，基岩大片出露，岩石完整，风化浅，构造较单一。有两小断层，宽0.5～0.8m，两岸岩石完好。本区地震烈度小于6度。1.4交通状况坝址至Q县的交通依靠公路，Q县以远靠浙赣铁路。1.5水电站的基本资料水电站装机容量4*50=200MW；设计蓄水位231.0米，设计低水位191.0米，校核洪水位239.0m，设计洪水位237.5米。最大水头为120.08米，最小水头为73.76米，设计水头和平均水头均为96.92米。1.6设计采用的主要技术规范[1]刘天雄主编.水电站建筑物图例.北京:清华大学出版社.1984.9[2]刘启钊.水电站（第三版）.北京:中国水利水电出版社.1996.8[3]华东水利学院主编.水工设计手册—水电站建筑物.北京:水利水电出版社1982.5.[4]河海大学主编.水工钢筋混凝土结构学.北京:中国水利水电出版社.1996.12[5]湖南电力勘测设计院、天津大学水利系.小型水电站——厂房.北京:水利水电出版社.1990.7[6]水利水电建设总局.水电站机电设计手册——水力机械.北京:水利水电出版社.1982.9[7]赵振兴.水力学.南京:河海大学出版社.1996[8]河海大学主编.水工建筑物（上）.南京:河海大学出版社1995.1[9]索丽生、胡明、任旭华.水利水电工程专业毕业设计指南.北京:中国水利水电出版社.2002.12[10]电力部中南勘测设计院.混凝土重力坝设计规范.北京:中国电力出版社.2001[11]电力部中南勘测设计院.水力发电工程CAD制图技术规定.北京:中国电力出版社.2001[12]电力部中南勘测设计院.水工建筑物荷载设计规范.北京:中国电力出版社.1998[13]王树人、董旒新主编.水电站建筑物.北京:清华大学出版社.1990.6[14]水电站建筑物设计参考资料.四川联合大学主编:水利水电出版社.1990.6对厂区进行布置，厂房配置工作厂房，内设两台机组，设有安装场和检修间，主厂房分为发电机层和蜗壳层，配置副厂房，开关站或变电站根据地形和工作需求按图示配置方式，根据工程需要设置道路交通。2.1水轮机机型确定已知：某水电站的最大水头Hmax=120.08m，最小水头Hmin=73.76m,加权平均毛水头Hp=96.92m，额定水头Hr=96.92m。由于水头的工作范围为（73.76～120.08）m，查表可知供选择的水轮机有型号：HL200和HL180。2.2HL200型水轮机方案的主要参数选择2.2.1转轮直径D1计算查表图可得HL200水轮机在限制工况下的单位流量Q1'M=950L/s=0.95m3/s,效率ηM'=89.4%；由此可初假定原型水轮机在该工况下单位流量Q1'=Q1'M=0.95m3/s，效率η=90.6%。将上述的Q1'，η代入下式：式中：Nr=Ngr/ηgrgr其中：N=5×104kwgrηgr=96.0%则Nr=5×104/0.96=52083kw选用与之接近而偏大的标称直径275cm2.2.2转速的计算'n10M查表'n10M=68.0r/min，初步假定选用与之接近而偏大的同步转速n=250r/min2.2.3效率及单位参数修正查表得HL200在最优工况下的模型最高效率ηMmax=90.7%，模型转轮直径D1M=460mm，根据下式：则Δη=K(ηmax—ηMmax)=1.0×(0.934-0.907)=0.027=2.7%取ξ=1.0%，则效率修正值Δη=1.7%由此可得原型水轮机在最优工况下和限制工况下的效率为：ηmax=ηMmax+Δη=90.7%+1.7%=92.4%η=ηM+Δη=89.4%+1.7%=91.1%单位转速的修正值：Δn'=n同时单位流量Q1'也可不加修正。由上可见，原假定η=90.6%，Q1'=Q1'M=0.95m3/s，n1'0=n1'0M=68.0r/min是正确的。→D1=2.75m，n=250r/min也是正确的。2.2.4工作范围的检验在选定D1=2.75m，n=250r/min后，水轮机的Q1'max及各特征水头相对应的n1'可得：1水轮机在Hr、Nr工作时，其Q1'=Q1'max'N5208333则水轮机最大引用流量为：'nmin2与特征水头Hmax、Hmin、Hr相对应的单位转速为：在HL200型水轮机模型综合特性曲线上给出Q1'max=810L/s，=62.74r/min，基本包括高效区。/s'max2.2.5吸出高度Hs计算由水轮机的设计工况参数nr'==69.83r/min，Q1'max=810L/s，在表上可查得相应的气蚀系数约为σ=0.095，并在图上查得气蚀系数的修正值为Δσ=0.016，由此可得出水轮机吸出高度：=1.02m>[Hs]=4m可见，吸出高度满足要求。2.3HL180水轮机方案的主要参数选择2.3.1转轮直径D1计算查表图可得HL180水轮机在限制工况下的单位流量Q1'M=860L/s=0.86m3/s,效率ηM'=89.5%；由此可初假定原型水轮机在该工况下单位流量Q1'=Q1'M=0.86m3/s，效率η=92%。将上述的Q1'，η代入下式：式中：Nr=Ngr/ηgr其中：Ngr=5×104kwηgr=96.0%则Nr=5×104/0.96=52083kw选用与之接近而偏大的标称直径275cm2.3.2转速的计算查表HL180在最优工况下的单位转速'n10M=67.0r/min，初步假定选用与之接近而偏大的同步转速n=250r/min2.3.3效率及单位参数修正查表得HL180在最优工况下的模型最高效率ηMmax=92.0%，模型转轮直径D1M=460mm，根据下式：则Δη=K(ηmax—ηMmax)=1.0×(0.944-0.920)=0.024=2.4%取ξ=1.0%，则效率修正值Δη=1.4%由此可得原型水轮机在最优工况下和限制工况下的效率为：ηmax=ηMmax+Δη=92.0%+1.4%=93.4%η=ηM+Δη=89.5%+1.4%=90.9%单位转速的修正值：Δn'=n同时单位流量Q1'也可不加修正。由上可见，原假定η=92.0%，Q1'=Q1'M=0.86m3/s，n1'0=n1'0M=67.0r/min是正确的。→D1=2.75m，n=250r/min也是正确的。2.3.4工作范围的检验在选定D1=2.75m，n=250r/min后，水轮机的Q1'max及各特征水头相对应的n1'可得：1水轮机在Hr、Nr工作时，其Q1'=Q1'max'N5208333Q1max=9.81D12HrrHrη=9.81×2.752×96.9296.92×0.92=0.80m/s<0.86m/s则水轮机最大引用流量为：Qmax=Qm'axD·Hr=0.80×2.752×·96.9 2与特征水头Hmax、Hmin、Hr相对应的单位转速为：n'=nD1=250×2.75=80.05r/minmaxmax在HL180型水轮机模型综合特性曲线上给出Q1'max=800L/s，nm'ax=80.05r/min，'nmin=62.74r/min，基本包括高效区。2.3.5吸出高度Hs计算由水轮机的设计工况参数nr'==69.83r/min，Q1'max=800L/s，在表上可查得相应的气蚀系数约为σ=0.078，并在图上查得气蚀系数的修正值为Δσ=0.016，由此可得出水轮机吸出高度：=0.63m>[Hs]=4m可见，吸出高度满足要求。2.4水轮机造型综合比较水轮机方案参数对照表序号项目HL200HL1801模型转轮参数推荐使用水头H（m）范围90～12590～1252最优单位转速'68.067.03最优单位流量Q1'0（L/s）8007204最高效率ηMmax（%）90.7925气蚀系数σ0.0880.0756原型水轮机参数工作水头H（m）范围73.76～120.0873.76～120.087转轮直径D1（m）2.752.758转速n(r/min)2502509最高效率ηMmax（%）92.493.4额定出力Nr（kw）5208352083最大引用流量Qmax（m3/s）60.3159.56吸出高度Hs（m）-1.020.63由对照表可见，两种机型方案的转轮直径一样，为2.75m。但HL180型水轮机方案的工作范围包含了较多的高效率区域，运行效率较高，气蚀系数较小，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；而HL200型水轮机方案机组转速较高，有利于减小发电机尺寸，降低发电机造价，但这种机型的水轮机及调节系统的造价较高。根据以上分析，在制造供货方面没有问题时，初步选用HL180型方案较为有利。3.1蜗壳尺寸计算式中：pi—断面半径；Qmax—最大引用流量，Qmax=59.56m3/s；φi—从蜗壳鼻端至断面i的包角；Vc—平均流速，取Vc=7.8m/s；Da—座环固定导叶外径，Da=(1.55~1.64)D1=1.60×2750=4400mm；Db—座环固定导叶内径，Db=(1.33~1.37)D1=1.35×2750=3713mm；b0—导叶高度，查表可得=0.200，则b0=0.200×2750=550mmφipiRi0.452.653.100.712.913.620.903.104.003.264.31210。3.394.58255。3.514.83300。3.625.05345。3.735.253.2尾水管计算（单位：mm）D1hLB5D4L1模型4602.6D14.5D12.72D11.35D11.35D10.675D11.82D11.22D1原型2750715012375748037133713500533553.3调速器的计算3.3.1调速功计算式中：属大型调速器，则接力器、调速柜、油压装置应分别进行计算和选择。3.3.2接力器选择3.3.2.1接力器直径ds计算采用两个接力器来操作要求机构，油压装置的额定油压为2.5MPa每个接力器的直径ds：式中：λ—标准正曲率导叶参数，由导叶数Z0=16，则λ∈(0.029~0.032)，取λ=0.03；O—导叶高度，查表可得=0.365。选用与之接近而偏大值ds=450mm的标准接力器。3.3.2.2接力器最大行程Smax的计算式中：a0max—水轮机导叶最大开度；=800L/s；在水轮机的模型综合曲线查得：D0、D0M—原型和模型水轮机导叶轴心圆的直径；Z0、Z0M—原型和模型水轮机的导叶数目选择计算系数为1.8时：Smax=1.8×250.90=3.3.2.3接力器容积Vs计算：两个接力器总容积Vs：s2s2V=πd2Smax=π×0.452×0.452s2s23.3.3调速器的选择大型调速器的型号以主配阀的直径来表示，主配阀直径d：式中，Ts—导叶从全开到全关的直线关闭时间，s；vm—管内油的流速，m/s,当油压装置的额定油压为2.5MPa时，一般取vm≤4.5m/s选用与之相邻而偏大的DT—80型电气液压型调速器。型号制造厂机械柜尺寸基础柜重量价格DT-80700*800*13001200*1500440*800*2360调速器外形尺寸图3.3.4油压装置选择计算压力油箱的容积Vk：V=(18~20)Vs=(18~20)×0.由此选择相邻偏大的HYZ—4.0型分离式油压装置。油压型号油罐长度油罐宽度总高油罐高油罐外径HYZ-4.029502000445030502950油压装置简图4.1发电机选择依据N=5×104kW，ne=250r/min，查《水电站机电设计手册》，在允许偏差内选用SF50—60/990型悬式发电机，则额定转速ne=100r/min，功率因数cosφ=0.80，其各参数计算如下：4.1.1极距τ选择合理的Di首先要选择恰当的极距τ,根据统计资料分析，极距与每极的容量关系如下：式中：Sf—发电机额定容量（KVAp—磁极对数；Kf—系数，一般为8~10，容量大、线速度高的取上限；其中：由查表可知，cosφ=0.80，则Sf==62500KVA2p=60，取Kf=104.1.2定子内径Di4.1.3定子铁芯长度lt式中：Sf—发电机额定容量（KVAne—额定转速（rpmDi—定子内径（cmC—系数；4.1.4定子机座外径D1其中Di=1123.19cm，4.1.5风罩内径D2当Sf>20000KVA时，D2=D1+240=1351.67+240=1591.67cm4.1.6转子外径D3D3=Di2δ式中δ为单边空气间隙，初步估算时可忽略不计，则D3=Di=1123.19cm4.1.7下机架最大跨度D4式中D5为水轮机机坑直径，查表可得：D5=380cm；则D4=380+60=420cm4.1.8推力轴承外径D6和励磁机外径D7查表可得：D6=400cm，D7=300cm4.1.9定子机座高度h14.1.10上机架高度h2悬式承载机架：h2=0.25Di=0.25×1123.19=280.80cm4.1.11推力轴承高度h3、励磁机高度h4、副励磁高度h5和永磁机高度h64.1.12下机架高度h7悬式非承载机架：h7=0.12Di=0.12×1123.19=134.78cm4.1.13定子支座支承面至下机架支承面或下挡风板之间的距离h8悬式非承载机架：h8=0.15Di=0.15×1123.19=168.48cm4.1.14下机架支承面至主轴法兰底面之间的距离h9查资料可得，h9=100cm4.1.15转子磁轭轴向高度h104.1.16定子铁芯水平中心线至主轴法兰盘底面距离h12=0.46×312.17+268.48=412.08cm4.1.17定子支承面到大轴法兰距离h114.1.18定子机座支承面到发电机顶部高度h14=312.17+280.80+180+220+100+70=1162.97cm4.1.19发电机总高HH=h11+h14=268.48+114.1.20发电机大轴高度h13发电机外形尺寸4.2发电机重量估算发电机总重量Gf=K1式中：Gf—发电机总重量（tSf—发电机额定容量（KVAne—额定转速（rpmK1—系数，对悬式发电机取8~10发电机转子重：G2=×657.90=328.95t发电机飞轮距：GD2=K2D.5lt式中：Di—定子铁芯内径（m）; lt—定子铁芯长度（m）;K2—经验系数，查表取5.2。4.3桥吊选择厂内桥式起重机供厂内机电设备安装检修时吊装运输用。机组最重件为发电机转子（加轴重约40t，因此选用50／10t桥式起重机1台，桥机跨度为13.50m。桥式起重机的左梁处设5t电动葫芦，可用于吊运中控室侧的电气设备及水泵等（重量小于5t的）设备。桥式起重机的最大轮压为35tf，外形尺寸为14.50m×6.15m×2.73m（L×B×H）。桥式起重机的轨道为QU-80型。1.1水轮机的安装高程则取机组安装高程为▽s=238.50m1.2尾水管、底板高程和厂房基础开挖高程本电站尾水管高度：h=5.2m取尾水管底板结构厚度1m→尾水管底板高程▽1=▽s--h=238.50--5.2=233.03m厂房基础开挖高程=▽1-1=233.03-1=232.03m1.3蝴蝶阀室地面高程进口压力钢管中心高程为238.50m钢管直径=3.80m尾水管进人孔从蝴蝶阀室进入，考虑通道要求及蝴蝶阀接力器安装，取钢管底板至蝴蝶阀室地面高度为2m，则蝴蝶阀室地面高程为：31.4水轮机层地面高程水轮机层地面高程▽4=安装高程+蜗壳进口断面半径+蜗壳上部砼厚度1.5发电机装置高程▽G：▽G4+发电机机墩进人孔高度+发电机机墩进人孔顶部厚度发电机层地面高程▽5为定子机座高（1.56m）和上机架高的一半（1.40m）之和，则1.6装配厂层高程▽a：▽a1.7吊车轨顶高程▽6：d式中：ha—吊运部件与固定的机组或设备间的垂直净距；h13—最大吊运部件高度（即发电机主轴高度hb—吊运部件吊钩之间的距离；hd—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。1.8屋顶高程▽Rg式中：he—轨顶到吊车小车距离，可从起重机主要参数表查出；hf—吊车检修预留空间，1m；hg—屋面板百度，取0.5m2.1机组段长度的确定机组段长度L1可按下式计算：1对于蜗壳层L+δLxx+δx2对于尾水管层Lx3对于发电机层，机组段间距由发电机定子外径控制+δ式中：D2—发电机风罩内径；δ3—发电机风罩壁厚，取0.4m；d—两相邻风罩通道间的距离，取2m；L1取三者中的大值，L1=18.32m2.1.1边机组段加长ΔL2.1.2安装间长度L安L安取安装间长度为25.00米2.1.3主厂房长度安取主厂房长度为120m，拟定机组段长20.00m，安装间长25.00m，边机组段加长段为2m，两边墙取三七墙，则墙厚2×0.37=0.74m。2.2厂房宽度确定B=B+Bsx式中：Bs—下游侧宽度；Bx—上游侧宽度；上游侧宽度：Bs=7.96+0.4+5=13式中：7.96—发电机风罩半径；0.4—发电机风罩壁厚；5—布置调速器，油压设备及机旁屏必需的距离。下游侧宽度：Bx=7.96+0.4+2=10.36m式中：7.96—发电机风罩半径；0.4—发电机风罩壁厚；2—下游走道宽度。则主厂房净宽：B=Bs+Bx=13.36+10.36=23.72m；拟定主厂房的宽度为25.00m，BS=14.00m，Bx=10.00m，上下游墙为三七墙，则墙厚为2×0.37=0.74m。蜗壳之间布置蝴蝶阀，在事帮停机或检修时，关断水流，在尾水管出口处备有检修闸门，当尾水管或水轮机检修时，用来挡住尾水进入。在发电层上游侧，布置每台机组的调速器和机旁盘，各布置油压装置一台，每个机组段（对应蝴蝶阀中心）均留有蝴蝶阀吊孔。1号机组段上，布置水轮机层的楼盖，在2号机组上游侧布置去副厂房的楼梯.水轮机层2号机组段上布置着去蝴蝶阀层的楼梯。作用筒布置在机座的上游侧，调整器恢复机构（杠杆）在右侧作用筒上，并与位于发电机层的调压器的有关机构相对应。两台高压空气压缩机布置在1号机组作用筒的右侧，为油压装置充气之用。每一机组段上都布置着励磁室。低压配电装置室和离子励磁室布置在水轮机层的左端。每条压力管道上均安装有蝴蝶阀，在其前为伸缩节。每个机段都设有漏油装置，在1号机组段上设有集水井。排水沟布置在上游墙侧，在集水井两侧布置尾水管排水泵两台，集水井排水泵两，在2号机组上，布置消防水泵一台，每个机组段上均设有进入尾水管的进水廊道。为了避免地基不均匀沉降，在主副厂房之间用沉降伸缩缝分开，缝宽2cm。副厂房由辅助生产车间，某些辅助设备的房间和必要的技术所组成，它是各种辅助设备布置和运行人员工作的场所。它的布置原则是运行管理方便和最大限度地利用一切可以利用的空间，尽量减少不必要的间室面积，以减少投资。中央控制室布置在发电机层，且位于发电机层的中部，尽量窗户朝南开，以及加强通风或空调，室内净高一般为4.0~4.5m，取4m。继电保护室布置在中控室，在靠近主机组的副厂房内，配电装置长度在7m以内时，只布置一个出口，门应向外开。集缆室位于中控室和继电保护室的下面，净高在2m~3m之间，取2m。母线廊道连接水电站发电机和主变压器，道内布母线，母线距楼板底的净距离不小于0.8m。厂用变压器，尽可能靠近发电机电压配电装置。厂变压间高度按卢蕊高度再加上700mm，两侧宽度至少加800mm，门高为变压器的高至少加300mm，门宽至少加400mm。厂用动力室分散布置在负荷点附近（安装间、水轮机屋、水泵室、机修间，油处理室等为辅助设备系统配置的一些房间：空气压缩室、绝缘油库、透平油库、水泵室；应注意，控制温度、防止潮湿、防止火源。电气试验室、电气高压实验室、油化实验室、水处理室，都顺序布置在副厂房上游侧，向下游侧