水电站课程设计

水电站课程设计1《水电站》课程设计一、设计目的使学生对水电站初步规划阶段的水能利用、水电站开发方式选择、水电站出力估算、水轮发电机组选择设计和厂房布置等工作内容有全面了解、重点掌握水电站装机容量和机组台数确定、水轮机选择设计、参数计算等工作内容和程序。通过工程设计实例的训练，培养学生独立工作及综合分析、解决问题的能力，以便将来承担水电站工程设计任务。二、拟设计水电站参数资料及相关要求拟设计某一引水式水电站，已经过水文水能计算，其各种技术参数及设计要求如下：1．电站最大水头max35.6Hm，加权平均水头28avHm，设计水头28rHm，最小水头min24.5Hm；2．电站最大可引用流量3max27.8/Qms；3．拟选用水轮发电机组额定出力（单机容量）及台数：1600,31600fyNKWNKW；4．水电站站址海拔高程m0.860；5．下游水位流量关系曲线（略）；6．要求最大允许吸出高mHs5.5。三、设计内容1.确定水电站装机容量（通过估算水电站出力确定fynNN）及台数；2.机型号的选择及主要参数计算；3．水轮机调速设备及水轮机发电机的选配；4．蜗壳、尾水管型式选择及各有关尺寸计算；5．厂房布置设计（水电站主厂房各层平面及剖面图）。水电站课程设计2四、设计报告1．水轮机型号的选择据该水电站的工作水头范围，在反击式水轮机系列型谱表中查得HL240型水轮机和ZZ440水轮机都可使用，这就需要将两种水轮机都列入比较方案，并对其主要参数分别予以计算。2．水轮机主要参数的计算2.1HL240型水轮机方案主要参数的计算2.1.1直径1D的计算rrrHHQND1181.9式中31160016840.95281240/1.24/(1)frfrNNkWHmQLsms由附表查得同时在附图1中查得水轮机模型在限制工况下的效率，由此可初步假设水轮机在该工况的效率为91．0％。将以上各值均代人上式得：13/216841.0139.811.24280.91Dm选用与之接近而偏大的标准直径11.0Dm2.1.2效率修正值的计算由附图1查得HL240型水轮机在最优工况下模型的最高效率max92.0%M，模型转轮的直径mDM46.01，则原型水轮机的最高效率max可采用下式计算，即：max551max10.461(1)1(10.92)0.931593.15%1.0MMDD考虑到制造工艺水平的情况取%11；由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型机基本相似，故认为02；则效率修正值为：maxmax10.93150.920.010.0015M由此得水轮机限制工况的效率为：0.9040.0150.9055M（与原来假定的数值相同）90.4%M水电站课程设计32.1.3转速的计算110DHnnav式中11010nnnM由附图1查得在最优工况下的min/7210rnM，同时由于：maxmax1100.9315110.0140.030.9055MMnn所以1n可忽略不计，则以/1072n代入上式得：7228381/min1.0nr选用与之接近而偏大的标准同步转速428.6/minnr2.1.4工作范围的验算在选定的11.0Dm，428.6/minnr的情况下，水轮机的max1Q和各种特征水头下相应的1n值分别为：31max23/223/2116841.281.24/9.819.811.0280.9055rrNQmsDH则水轮机的最大引用流量maxQ为：223max1max11.241.0286.56/rQQDHms对1n值：在设计水头28rHm时11428.61.081/min28rrnDnrH在最大水头max35.6H时11minmax428.61.071.8/min35.6nDnrH在最小水头min24.5H时1maxmin428.61.086.6/min24.5nDnrH在HL240型水轮机的模型综合特性曲线图上，分别画出1max1240/QLs，1min71.8/minnr和1max86.6/minnr的直线，如图2.1.4所示。可以看出这些直线所标出的水轮机相似工作范围（阴影部分）基本上包括了特性曲线的高效率区，所以对选定的直径11.0Dm，428.6/minnr还是比较满意的，但这还需要和其它方案作比较。2.1.5水轮机吸出高Hs的计算由水轮机的设计工况（181rn，1max1240Q）在附图1上可查得相应的汽蚀系数195.0；再由设计水头28rHm，在附图2可查得04.0，于是可求得水轮机的吸出高为：860.010.0()10.0(0.1950.04)282.4645.5900900sHHmm水电站课程设计42.2ZZ440型水轮机方案主要参数的计算2.2.1转轮直径的计算2/31181.9rrHQND式中rN，rH值同前。对于1Q值，可由附图2查得该水轮机在限制工况下的sLQ/16501，同时还查得汽蚀系数72.0。但在允许吸出高[sH]=-5.5m时，则相应的装置汽蚀系数为：860.010.0[]10.05.59009000.520.7228sHH所以，为了满足对吸出高的限制，1Q值可在ZZ440型水轮机综合特性曲线（附图2）上依工况点（1115,0.52n）查得为1330L/s。同时亦可查得该工况点上85%,M由此可初步假设水轮机的效率为87％。将以上各值带入上式，便可求得：13/216841.00079.811.33280.87Dm基本符合标准直径，故选用11.0Dm。2.2.2效率修正值的计算对于轴流转浆式水轮机，叶片在不同转角时的最大效率max可用下式计算：已知110.46,3.5,1.0,28,MMrDmHmDmHm代入上式。得：510maxmaxmax0.463.51(1)(0.30.7)10.787(1)3.328.5MM叶片在不同转角时的maxM值可从水轮机综合特性曲线图查得，由此可应用上式求得相应于该角时的水轮机最高效率，并将计算结果列于表2.2.2。当选取制造工艺影响的效率修正值%11和不考虑异形部件影响时，便可计算得不同转角时的效率修正值为：%1maxmaxM将的计算结果也列在表3-4中。表2.2.2ZZ440型水轮机效率修正值计算表叶片转角－10－50+5+10+15(%)maxM84.988.088.888.387.286.0(%)max88.190.691.290.889.989.0(%)max－(%)maxM3.22.62.42.52.73.0(%)2.21.61.41.51.72.0由轴流式水轮机模型主要参数表查得ZZ440型水轮机在最优工况下的最高效率水电站课程设计5%,89maxM由于最优工况很接近于00的等转角线，故采用效率修正值1.4%，这样便可得出原型水轮机的最高效率max为：max0.890.0140.90490.4%已知在限制工况(101115,1330nQ)时模型机的效率为：85%,M而该点处于15,10两等转角线之间，用内插法可求得该点的效率修正值为1.99%,由此可求得水轮机在限制工况下的效率为：0.850.01990.8787%与原来假定的效率很接近，不再修正。2.2.3转速的计算由于10max10max0.904110.00780.030.89MMnn所以不考虑10n的修正，由此可求出水轮机的转速为：10111528608.5/min1.0arnHnrD选用与之接近而偏大的标准同步转速n＝600r/min。2.2.4工作范围的检验计算在选定的11.0,600/minDmnr的情况下，水轮机的max1Q和各种特征水头下相应的1n值分别为：31max23/216841.332/9.811.0280.87Qms则水轮机的最大应用流量为：223max1max11.3321.0287.047/rQQDHms对1n值：在28rHm时16001.0113.4/min28rnr在max35.6Hm时1min6001.0100.56/min35.6nr在min24.5Hm时1max6001.0121.22/min24.5nr在水轮机综合特性曲线图上画出：1max1332/QLs，1min100.56/minnr，水电站课程设计61max121.22/minnr的直线，如图2.2.4所示。可以看出这些直线所示出的水轮机相似工作范围（阴影部分）仅包括了部分高效区。2.2.5水轮机吸出高sH的计算在设计工况（11max113.4,1332rnQ）时，由水轮机综合特性曲线图可查得汽蚀系数为0.52，由此可求得水轮机的吸出高为：10.0()900srHH860.010.0(0.520.04)286.645.5900sHmm（不满足要求）3．两种方案的分析比较为了便于分析比较，现将上述两种方案的有关参数列表如下：表3水轮机方案参数对照表序号项目HL240ZZ440123456模型转轮参数推荐使用的水头范围（m）最优单位转速min)/(10rn最优单位流量)/(10sLQ限制工况单位流量)/(max1sLQ最高效率(%)maxM设计工况汽蚀系数25～457211001240920.19520～361158001660890.4278910111213原型水轮机参数工作水头范围（m）转轮直径D1（m）转速min/rn最高效率(%)max额定出力)(kWNr最大引用流量)(3maxSmQ吸出高sH24.5～35.61.0428.693.1516846.562.46424.5～35.61.060090.416847.047-6.64从表中可以看出，两种不同的机型方案在同样水头下同时满足额定出力的情况下，HL240型方案与ZZ440型方案相比较，它具有效率高，工作范围好，汽蚀系数小等优点，这可以提高水电站的年发电量和减小厂房的开挖量，而ZZ440型方案的优点仅表现在水轮机的转速较高，可以选用较小尺寸的发电机以节省水电站的机电投资，但该型水轮机为双调节的水轮机，水轮机和调速设备的价格均较高。由此看来，若在造价供货方面没有问题时，初步选用HL240型方案较为有利。在技术设计阶段，尚需要做出各方案的动能指标和经济指标，进一步进行分析比较，以选出合理的方案。4．绘制水轮机的工作特性及运转特性曲线前面已在主要综合特性曲线上初步检验了水轮机的工作范围，但对原型水轮机来说这种水电站课程设计7工作范围尚不够准确也不够直观，而且在应用上也不够方便。因此，为了进一步分析比较原型水轮机的能量、汽蚀特性，计算水轮机的能量指标以评定所选择的水轮机直径、转速的正确性和指导水轮机的安全经济运行，则需要绘制水轮机的运转特性曲线。水轮机在正常运行中，同步转速n(即额定转速)是不变的，当水头H和出力N变化时,效率和汽蚀系数也随之变化.反映原型水轮机在各种运行工况下这些参数之间的关系称为水轮机的特性曲线.最常用的有水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线.在一定水头下,效率和出力之间()fN的关系曲线称为水轮机的工作特性曲线,综合反映各种运行状况下,HN,,sH等参数之间的关系曲线.称为水轮机运转特性曲线或水轮机运转综合特性曲线.这些特性曲线都是根据模型水轮机的综合特性曲线通过相似公式的转换计算