水电站设计书（装机容量9MW）

水电站设计书（装机容量9MW）第一部分水电站设计的基本资料 3 31.1地理位置及工程任务 3 31.3水电站的基本资料 31.4设计采用的主要技术规范 3第二部分水电站的设计 41枢纽布置 42引水建筑物设计 42.1引水系统布置和洞线选择 42.2进水口 42.3引水隧洞 42.4调压井 52.5压力管道设计 53厂房设计 53.1水轮机主要参数选择计算 53.2水轮机造型综合比较 3.3蜗壳尺寸的计算 3.4尾水管尺寸的计算 3.5调速器的计算 3.6发电机的选择 3.7桥吊选择 3.8主厂房高度尺寸的确定 3.9主厂房平面尺寸的确定 4水力机械辅助设备 204.1油系统 204.2压缩空气系统 204.3技术供水系统 204.4消防供水系统 204.5排水系统 201.1地理位置及工程任务某水电站位于m河干流上游距县城约65km。上有还有一个正在兴建的水电站。相该水电站工程主要任务为发电，承担电网中的调峰作用，总装机容量9MW，采用混合式开发方式。厂房位于干沟门村上游附近，水库正常蓄水位980.00m，总库容约840万m3。工程主要由挡水、泄水、引水和发电厂房等建筑物组成，工程为四等，主要建筑物为4级建筑物。本电站厂址处地质条件为流纹斑岩，地质条件良好，左岸设有厂房对外交通。电站流域内气候温和，历年平均气温17.5℃,实测最高气温41℃,最低气温-5.5℃。流域内气候湿润，历年平均相对湿度为80%，雨量充沛，年平均雨量达到1610mm，但年内分配很不均匀。多年降水数为175天，最多为195天，最少为142天。1.3水电站的基本资料水电站为流域规划为梯级开发的第二级工程。坝址处多年平均流量7.61s/m3。电站水库总库容1.541亿m3。电站的任务，以发电为主，兼顾防洪，开发方式为混合式。水电站死水位为978.00m，相应日调节库容为97万m3。水电站最大毛水头29.40m，最小毛水头25.70m，加权平均毛水头27.37m，电站最大水头损失3.03m。考虑电站额定水头确定的原则，并结合电站机组机型选择与装机容量选择，水电站额定水头最终确定为24.50m。1.4设计采用的主要技术规范《水电站机电设计手册—水力机械》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。根据某水电站所处m河河道地形情况判断，修建尾部开发式的引水式地面电站比较适宜，对水电站开发方式进行比选，推荐在该河下游河谷筑坝挡水，在干沟门村上游河流左岸建厂发电，引水建筑物布置在左岸山体内，总长1479.49m，由进水口、引水隧洞、调压井和压力管道四部分组成。2.1引水系统布置和洞线选择引水洞线所处的河流左岸山体雄厚，山体地形起伏不大，隧洞沿线地面高程1110m，上覆岩体厚度140～230m之间，不存在跨沟问题，根据电站进水口布置、地面厂房位置及调压井位置选择，并考虑尽量减少洞线拐弯，引水洞线选择尽量采用直线方案。经过比较，确定引水洞线。2.2进水口2.2.1进水口底板高程选择进水口底板高程的选择，既要满足在水库最低水位运行条件下有足够的淹没深度，又要高出孔口前缘水库漏水冲淤平衡高程，满足防水要求。进水口纵剖面如附图所示。为防止产生贯通式漏斗旋涡，根据《水电站进水口设计规范》（SB303—88）推荐的公式计算出最小淹没深度为3.20m。按确定的死水位（978.00m并考虑冰层厚度、拦污栅顶高程及河道最低高程等因素，确定进水口底坎高程为970.20m，为减少泥沙进入进水口，结合上游临时围堰在上游修建拦沙坎一道，拦沙坎高程972.00m，以缓解坝前淤积，阻止推移质进入进水口。2.2.2进水口布置进水口采用岸塔式，并设置拦污栅和事故检修闸门。沿水流方向分三段布置，分别为喇叭口段、事故检修闸门段、渐变段。喇叭口设置在洞前，为保持水流通畅，减少水头损失，需降低过栅流速(≤1.0m/s喇叭口底板为平底，顶部采用1/4椭圆曲线，椭圆曲线方程为：222.3引水隧洞2.3.1引水隧洞断面设计引水隧洞洞径主要由经济流速确定。对有压衬砌隧洞约为2.5～4.5m/s；对不衬砌隧洞一般小于2.5m/s。考虑施工要求，隧洞断面确定为城门洞形。钢筋混凝土衬砌隧洞断面尺寸为B×H=4.6m×4.60m，喷锚衬砌隧洞断面尺寸B×H=5.20m×5.10m，水流流速分别为2.245m/s、1.795m/s，基本满足经济流速的要求。2.3.2引水隧洞布置设计本水电站装机二台，因引用流量不大，故选择一条引水隧洞，即采用一洞两机方案。引水隧洞自桩号‘引下0+002.800m’至‘引下0+1+363.513m’，总长1360.713m。隧洞沿程纵坡i=0.355%。引水隧洞‘引下0+002.800’至‘引下0+059.888m’，为直线段，方位角为NE10°,长57.088m；桩号‘引下0+59.888m’至‘引下0+78.214m’，为半径25.00m的圆弧段，长18.326m；桩号‘引下0+078.214m’至‘引下1+363.513m’，为直线段，方位2.4调压井2.4.1调压井设置必要性根据《水电站调压室设计规范》（DL/T5058—1996）推荐的公式初步判别是否需设置上游调压井，设置调压井的条件为：式中：T——压力水道中水流惯性时间常数，s；Li——压力水道及蜗壳和尾水管各分段的长度，m；Vi——各分段内相应的流速，m/s；g——重力加速度，m/s2。Hp——设计水头，m。[Tw]—Tw的允许值，s；一般取2～4s。计算结果，Tw=8s，不满足规范所规定的2～4s，因此，必须设置调压井。2.4.2调压井布置为减少水锤作用对引水隧洞的影响，以及改善机组在不稳定流状态下的运行条件，根据地形地质条件，在引水隧洞末端，桩号‘引下01+365.513m’至‘引下1+379.801m’段设置调压井，长16.388m。调压井型式采用阻抗式，内径为14.40m，阻抗孔为圆形，内径2.80m。井深20.80m，因为调压井顶部上覆岩体厚度高达40余米，为减小石方开挖量，调压井顶不露出地面，布置在岩体内，井筒上部开挖一个半径为11.50m的穹顶，采用混凝土衬砌，衬砌厚50cm，而在井筒顶部高程992.00m设一条3.00m×3.00m的施工支洞与外部道路相连，永久运行期作为交通和通风洞。井壁周圈架设钢栏杆，防止人和物掉入井内。2.5压力管道2.5.1压力管道布置与设计总长82.686m。轴线高程自967.70m至951.00m。由一条主管引至下平段后分成两条支管，洞线方位角为SE100°。在调压井下游侧设置8m长的渐变段，管道直径由4.60m渐变至3.70m，由于该段管道内水压力较小，经计算，能满足钢筋混凝土衬砌限裂的要求，同时为尽量减少钢板制作，该段采用0.70m厚的混凝土衬砌。其后均采用钢板衬砌，钢板起点的桩号为‘引下1+387.89m’。主管段由上平段、上弯段、斜管段、下弯段及下平段组成。先设置7.75m长的上平段；上平段后接上弯段、斜弯段及下弯段，上、下弯段的转弯半径均为12.00m，长度为12.567m，斜管段的倾角为60°,长度5.427m。下弯段后接16.322m长的下平段，主管段直径均为3.70m，钢板厚度均为10mm，总长54.636m。主管末段设Y岔管后接内径2.529m的两条支管，支管长度均为21.16m，垂直进入厂房与蝴蝶阀相接，钢衬厚度为10mm。压力管道总长度为89.749m。其中压力钢管长3.1水轮机主要参数选择计算3.1.1水轮机机型确定已知：某水电站的最大毛水头Hmax=29.40m，最小毛水头Hmin=25.70m,加权平均毛水头Hp=27.37m，额定水头Hr=24.50m。由于水头的工作范围为（24.50～29.40）m，查表可知供选择的水轮机有型号：HL240和HL310。3.1.2HL240型水轮机方案的主要参数选择3.1.2.1转轮直径D1计算查表图可得HL240水轮机在限制工况下的单位流量Q1'M=1240L/s=1.24m3/s,效率ηM'=90.4%；由此可初假定原型水轮机在该工况下单位流量Q1'=Q1'M=1.24m3/s，效率η=92.0%。将上述的Q1'，η代入下式：式中：Nr=Ngr/ηgrgr其中：N=4500kwgrηgr=96.0%则Nr=4500/0.96=4687.5kw选用与之接近而偏大的标称直径200cm3.1.2.2转速的计算'n10M查表'n10M=72.0r/min，初步假定选用与之接近而偏大的同步转速n=214.3r/min3.1.2.3效率及单位参数修正查表得HL240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×(0.94-0.92)=0.02=2.0%取ξ=1.0%，则效率修正值Δη=1.0%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%+1.0%=93.0%η=ηM+Δη=90.4%+1.0%=91.4%单位转速的修正值：Δn'=n ' 1=0.87%<3%，可不加修正n10M\91.4同时单位流量Q1'也可不加修正。由上可见，原假定η=91.4%，Q1'=Q1'M=1.24m3/s，n1'0=n1'0M=72.0r/min是正确的。→D1=2.00m，n=214.3r/min也是正确的。3.1.2.4工作范围的检验在选定D1=2.00m，n=214.3r/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则水轮机最大引用流量为：2与特征水头Hmax、Hmin、Hr相对应的单位转速为：在HL240型水轮机模型综合特性曲线上给出Q1'max=1070L/s，nm'ax==79.05r/min，基本包括高效区。3.1.2.5吸出高度Hs计算的气蚀系数约为σ=0.200，并在图上查得气蚀系数的修正值为Δσ=0.042，由此可得出水轮机吸出高度：可见，吸出高度满足要求。3.1.3HL310水轮机方案的主要参数选择3.1.3.1转轮直径D1计算查表图可得HL310水轮机在限制工况下的单位流量Q1'M=1400L/s=1.40m3/s,效率ηM'=82.6%；由此可初假定原型水轮机在该工况下单位流量Q1'=Q1'M=1.40m3/s，效率η=89.6%。将上述的Q1'，η代入下式：式中：Nr=Ngr/ηgr其中：Ngr=4500kwηgr=96.0%则Nr=4500/0.96=4687.5kw选用与之接近而偏大的标称直径180cm3.1.3.2转速的计算'n10M查表'n10M=88.3r/min，初步假定选用与之接近而偏大的同步转速n=300r/min3.1.3.3效率及单位参数修正查表得HL3100在最优工况下的模型最高效率ηMmax=89.6%，模型转轮直径D1M=390mm，根据下式：则Δη=K(ηmaxηMmax)=1.0×(0.923-0.896)=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=89.6%+1.7%=91.3%η=ηM+Δη=82.6%+1.7%=84.3%单位转速的修正值：Δn'=n则1=0.94%<3%，可不加修正同时单位流量Q1'也可不加修正。由上可见，原假定η=89.6%，Q1'=Q1'M=1.40m3/s，n1'0=n1'0M=88.3r/min是正确的。→D1=1.80m，n=300r/min也是正确的。3.1.3.4工作范围的检验'在选定D1=1.80m，n=300r/min后，水轮机的Q1'max'可得： 1水轮机在Hr、Nr工作时，其Q1'=Q1'max3/s则水轮机最大引用流量为：HrHr·24.50=22.45m3/s2与特征水头Hmax、Hmin、Hr相对应的单位转速为：在HL310型水轮机模型综合特性曲线上给出Q1'max=1400L/s，nm'ax=106.52r/min，=99.59r/min，基本包括高效区。3.1.3.5吸出高度Hs计算由水轮机的设计工况参数==109.10r/min，Qmax=1400L/s，在表上可查得相应的气蚀系数约为σ=0.360，并在图上查得气蚀系数的修正值为Δσ=0.042，由此可得出水轮机吸出高度：=0.91m>[Hs]=4m可见，吸出高度满足要求。3.2水轮机造型综合比较水轮机方案参数对照表序号项目HL240HL3101模型转轮参数推荐使用水头H（m）范围25～45<302最优单位转速'7288.33最优单位流量Q1'0（L/s）4最高效率ηMmax（%）9289.65气蚀系数σ0.1950.3606原型水轮机参数工作水头H（m）范围24.5～29.4024.50～29.407转轮直径D1（m）2.008转速n(r/min)214.33009最高效率ηMmax（%）9391.3额定出力Nr（kw）4687.54687.5最大引用流量Qmax（m3/s）21.1822.45吸出高度Hs（m）3.01-0.91由对照表可见，两种机型方案的转轮直径相近，分别为2.00m和1.80m。但HL240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HL310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HL240型方案较为有利。3.3蜗壳尺寸计算Qmax=21.18m3/s，Vc=3.8m/s，Da=(1.55~1.Db=(1.33~1.37)D1=1.35×2000=2700mm，b0=0.365×2000=730mmφipiRi0.382.370.612.212.820.772.370.902.503.40210。2.623.63255。2.723.84300。2.824.03345。2.904.213.4尾水管计算（单位：mm）D1hLB5D4L1模型4602.6D14.5D12.720D11.35D11.35D10.675D11.82D11.22D1原型200052009000544027002700364024403.5调速器的计算HDmax1HDmax1式中：其中：Hmax=29.40m，η=91.4%/s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。3.5.2接力器选择3.5.2.1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=250mm的标准接力器。3.5.2.2接力器最大行程Smax的计算式中：a0max—水轮机导叶最大开度；=1070L/s；在水轮机的模型综合曲线查得：a0Mmax=22mm，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由查表可得D0M=534mm，Z0M=24，D0=1.16D1=2.32m，Z0=16选择计算系数为1.8时：3.5.2.3接力器容积Vs计算：两个接力器总容积Vs：3.5.3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，一般取选用与之相邻而偏大的DT—80型电气液压型调速器。3.5.4油压装置选择计算压力油箱的容积Vk：V由此选择相邻偏大的YZ—1型分离式油压装置。3.6发电机选择依据N=4500kW，ne=214.3r/min，在允许偏差内选用SF4500—28/325型悬式发电机。其各参数计算如下：3.6.1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=0.8，则Sf==5625KVA2p=28，取Kf=103.6.2定子内径Di×37.65=335.56cm3.6.3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；3.6.4定子机座外径D1当214≤ne<300rpm时，D1=1.20Di+1.20τ其中Di=335.56cm，τ=37.65cm，D1=1.20×335.56+1.20×37.65=447.85cm3.6.5风罩内径D2当Sf≤20000KVA时，D2=D1+200=447.85+200=647.85cm3.6.6转子外径D3D3=Di-2δ式中δ为单边空气间隙，初步估算时可忽略不计，则D3=Di=335.56cm3.6.7下机架最大跨度D4式中D5为水轮机机坑直径，查表可得：D5=30cm；则D4=30+60=90cm3.6.8推力轴承外径D6和励磁机外径D7查表可得：D6=200cm，D7=1403.6.9定子机座高度h1=214.3r/min≥214rpm得：h1=lt+3.6.10上机架高度h2悬式承载机架：h2=0.25Di=0.25×335.56=83.89cm3.6.11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h63.6.12下机架高度h7悬式非承载机架：h7=0.12Di=0.12×335.56=40.27cm3.6.13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=0.15×335.56=50.34cm3.6.14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=100cm3.6.15转子磁轭轴向高度h103.6.16定子铁芯水平中心线至主轴法兰盘底面距离h12=0.46×153+127.70=198.08cm3.6.17发电机主轴高度h11h11=(0.7~0.9)H=0.8×757.23=605.78cm3.6.18发电机总高度H=153+83.89+100+160+60+50+50.34+100=757.23cm712发电机外形尺寸3.6.19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。3.53.7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。3.8主厂房高度尺寸的确定3.8.1水轮机的安装高程因水电站地质条件的限制，厂房软基开挖较深，为节省混凝土的回填量，经与水工专业协商将水轮机安装高程降低，并确定机组安装高程为951.00m3.8.2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1m3.8.3蝴蝶阀室地面高程进口压力钢管中心高程为951.00m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：3.8.4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3.8.5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（1.53m）和上机架高的一半（0.42m）之和，则3.8.6装配厂层高程▽a：▽a3.8.7吊车轨顶高程▽6：▽6ad式中：ha—吊运部件与固定的机组或设备间的垂直净距；h11—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。3.8.8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0.5m3.9主厂房平面尺寸的确定3.9.1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x3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；则L1=6.479+0.400+2.000=8.879mL1取三者中的大值，L1=10.01m3.9.2边机组段加长ΔL3.9.3安装间长度L安取安装间长度为13.50米3.9.4主厂房长度取主厂房长度为55m，拟定机组段长43m，安装间长13.50m，边机组段加长段为2m，两边墙取三七墙，则墙厚2×0.37=0.74m。3.9.5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=3.24+0.4+5=8.64m式中：3.24—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=3.24+0.4+2=5.64m式中：3.24—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=8.64+5.64=14.28m；拟定主厂房的宽度为15.00m，BS=9.00m，Bx=6.00m，上下游墙为三七墙，则墙厚为2×0.37=0.74m。4.1油系统油系统分为透平油和绝缘油两个分系统。透平油系统供机组轴承润滑、调速系统及蝶阀操作系统用油。单台机组透平油量约为26m3，配置3m3油罐二个，2CY-3／0.33齿轮油泵1台，LY-50压力滤油机1台。4.2压缩空气系统一般常规水电站全厂压缩空气系统应分为高压压缩空气