水电站课程设计

水电站课程设计——水轮机选型设计说明书学校：专业：班级：姓名：学号：指导老师：2第一节基本资料……………………………………3第二节机组台数与单机容量的选择………………4第三节水轮机型号、装置方式、转轮直径、转速、及吸出高度与安装高程的确定…………5第四节水轮机运转特性曲线的绘制……………11第五节蜗壳设计…………………………………13第六节尾水管设计………………………………16第七节发电机选择………………………………18第八节调速设备的选择…………………………19参考资料……………………………………………203第一节基本资料一、水轮机选型设计的基本内容水轮机选型设计包括以下基本内容：（1）根据水能规划推荐的电站总容量确定机组的台数和单机容量；（2）选择水轮机的型号及装置方式；（3）确定水轮机的轮转直径、额定出力、同步转速、安装高程等基本参数；（4）绘制水轮机的运转特性曲线；（5）确定蜗壳、尾水管的型式及它们的主要尺寸，以及估算水轮机的重量和价格；（6）选择调速设备；（7）结合水电站运行方式和水轮机的技术标准，拟定设备订购技术条件。二、基本设计资料某梯级开发电站，电站的主要任务是发电，并结合水库特性、地区要求可发挥水产养殖等综合效益。电站建成后投入东北主网，担任系统调峰、调相及少量的事故备用容量，同时兼向周边地区供电。该电站水库库容小不担任下游防洪任务。经比较分析，该电站坝型采用混凝土重力坝，厂房型式为河床式。经水工模型试验，采用消力戽消能型式。经水能分析，该电站有关动能指标为：水库调节性能日调节保证出力4万kw装机容量16万kw多年平均发电量44350kwh最大工作水头39.0m加权平均水头37.0m设计水头37.0m最小工作水头35.0m平均尾水位202.0m设计尾水位200.5m发电机效率98.0%4第二节机组台数与单机容量的选择依据水能计算结果确定电站总装机容量时,不仅要考虑电站设计保证率、保证出力、备用容量、多年平均发电量、水电站年利用小时数等动能参数，还要从宏观上考虑水电站的总投资、年效益等经济指标。除有特殊要求或在小型水电站中受来流条件限制才考虑安装不同型号和不同容量的机组外，一般情况下，同一水电站中希望安装同一型号和相同容量的水能机。这对电站的设计、建设以及运行与维护都是有利的。下面的讨论是基于安装相同型号和相同单机容量的机组进行的。确定水电站机组台数和单机容量时，还要综合考虑下面的因素。一、机组台数与工程建设费用的关系在水电站的装机容量基本已经定下来的情况下，机组台数增多，单机容量减小。通常大机组单位千瓦耗材少，整体设备费用低；另外，机组台数少，厂房所占的平面尺寸也会减小。因此，较少的机组台数有利于降低工程建设费用。二、机组台数与设备制造、运输、安装以及枢纽安装布置的关系单机容量大，可能会在制造、安装和运输方面增加一定的难度。然而，有些大型或特大型水电站，由于受枢纽平面尺寸的限制，总希望单击容量制造得大些。三、机组台数与水电站运行效率的关系水轮机在额定出力或者接近额定出力时，运行效率较高。机组台数不同，水电站均效率也不同。机组台数越少，平均效率越低。但是机组台数多到一定程度，再增加台数对水电站运行效率增加的效果就不显著。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并且程度调频任务时，由于负荷经常变动，而且幅度较大，为使每台机组都可以在高效率区工作，则需要更多的机组台数。另外，机型不同，高效率范围大小也不同。对于高效率工作区教窄的，机组台数应适当多一些。四、组台数与水电站运行维护的关系机组台数多，单机容量小，水电站运行方式就较灵活，机组发生事故产生的影响小，机组轮换检修较易安排，难度也小。但因操作运行次数随之增多，发生事故的机率也随之增高，同时管理人员多，维护耗材多，运行费用也相应提高。故不能用过多的机组台数。五、机组台数与电气主接线的关系对采用扩大单元的电器主接线方式，机组台数为偶数为利。但由于大型机组主变压器受容量限制，采用单元接线方式，机组台数的单、偶数就无所谓了。上述各种因素互相影响，遵循上述原则，并且该水电站装机容量为16万kw，由于2.2万kw16万kw25万kw，该水电站为中型水电站，并担任系统调峰、调相及少量的事故备用容量，同时兼向周边地区供电。综上所述宜选用偶数机组台数：4台单机容量选择：单机容量N=16万÷4=4万kw水轮机额定出力rN=N÷98﹪=40000÷98﹪=40816kw5第三节水轮机型号、装置方式、转轮直径、转速、及吸出高度与安装高程的计算根据该水电站的水头变化范围35.0m～39.0m，在水轮机系列型普表中查出合适的机型有HL240型水轮机和ZZ440型水轮机两种。现将这两种水轮机作为初步方案，分别求出其有关参数，并进行比较分析后选择：一、HL240型水轮机参数计算1．确定水轮机的转轮直径由公式在本例中，额定出力是：rN=N·98﹪=40000/98﹪=40816KW。又从水电站教材图4-4，表4-2中查得:'1Q=1240L/s,92.0%。并且已经知道rH=37.0m带入公式求得：1D=4.03m。查表4-6，取与之接近而偏大的标准直径D1=4.10m。2.效率修正值的计算由图4-4查得HL240在最优工况下最高效率为maxM＝92.0%。模型转轮直径1MD=0.46m，则原型水轮机的最高效率max可以采用公式：511maxmax)1(1DDMM=1-(1-0.92)510.446.0=0.948=94.8%考虑到制造水平的差异，根据水轮机的标称直径，凭经验取ε=1%，如果水轮机所使用蜗壳和尾水管与模型实验时采用的型式不同，则意味着原型水轮机适应了异型部件。在此处，认为水轮机所采用的蜗壳和尾水管与水轮机的相似，故取/=0。则效率修正值由下式计算：，maxmaxM=0.948-0.92-0.01-0=0.018=1.8%3.确定水轮机的转速n'1072minMnr''1010Mnnn=1/10DHnr=108.67r/min式中：'1n—单位转速采用最优单位转速'1072nr/minH—采用设计水头，Hr37.0m1'19.81rrrNDQHH61D—采用选用的标准直径1D=4.03m采用与其接近的同步转速n=115.4r/min4．工作范围校核在选定1D=4.10,n=115.4r/min后，水轮机的'1maxQ及各特征水头相对应的'1n即可计算出来，水轮机在rH，rN下工作时，其'1Q即为'1maxQ，故'1maxQ=2/32181.9rHDN=92.0371.481.9408162/32=1240Ls则水轮机的最大引用流量为：macQ'1maxQrHD21=1240371.42=1225Ls与特征水头maxmin,HH，Hr相对应的单位转速：max1/min1HnDn391.44.11575.76r/minmin1/max1HnDn=351.44.115=79.98r/min'1rn=rHnD1=371.44.115=76.5r/min在HL240型水轮机模型综合特性曲线图（见附图）上分别绘出'1maxQ=1240Ls，'1maxn79.98r/mi，/min1n=75.76r/min的直线，由图可见，由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去。所以对于HL240型水轮机方案，所选定的参数14.1Dm和n=115.4r/min是合理的。5.确定水轮机的吸出高由于：'1maxQ=2/32181.9rHDN=1240LsmacQ'1maxQrHD21=12250Ls'1rn=rHnD1=76.5r/min＝0.032=202.0m由此可得水轮机的吸出高度：710()900sHH=1.38m6.装置方式：采用立轴安装方式7.安装高程的确定：立轴混流式水轮机2/0bHZsws=200.5+1.38+1.5/2=202.63m所以，HL220型水轮机方案的吸出高度满足电站要求二、ZZ440型水轮机参数计算1.确定水轮机的转轮直径由表4-1查得ZZ440型水轮机在限制工况下的单位流量'3116501.65QLSms，同时可查得该工况下的的气蚀系数0.72。但允许的吸出高度4sHm时，其相应的气蚀系数为：σ=0.340.72式中为气蚀系数修正值，由图3-16查得0.032在满足-4m吸出高度的前提下，从图中可查得选用工况点（'10115minnr，0.34）处的单位流量'1Q为1020LS。同时可查得该工况点的模型效率88.4%M，并据此假定水轮机的效率为91.2%。将以上的'r1rNQ、H、、各参数值代入，所以1D=4.46m选用与之相近的标称直径D1=4.50m。2．效率修正值的计算叶片在不同转角时的最大效率可以用公式计算。已知：10.46MD、3.5MHm，1D=4.46m，H=37m带入上式得max=1-0.65(1-max)叶片在不同转角时的maxM可由模型综合特性曲线查得，从而可求出相应的值的原型水轮机的最高效率max。当选用效率的制造工艺影响修正值1%时，即可计算出不同转角时的效率修正值。其中计算结果如下表:1'19.81rrrNDQHH510maxmax111(1)(0.30.7)MMMDDHH8ZZ440型水轮机效率修正值计算表项目叶角转角（）-10-50+5+10+15maxM（%）max（%）maxmaxM（%）（%）84.989.74.83.888.091.83.82.888.892.43.62.688.392.03.72.787.291.34.13.386.090.44.43.4由上表查得ZZ440型水轮机最优工况的模型效率为max88.8%M。由于最优工况接近于0o等转角线，故可采用效率修正值2.6%，从而可得原型最高效率为：已知在吸出高度-4m限制的工况点（'10115n，'311020Qms）处的模型效率为88.4%M,而该工况点处于5o和0o等转角之间，用内插法求得该点的效率修正值为2.70%，由此可得该工况点的原型水轮机效率为：88.4%2.70%91.10%(与上述假定91.2%相近。)由于：故单位转速可不作修正，同时，单位流量也可不作修正。由此可见，以上选用的14.5mDn=166.7r/mi是正确的。3．确定水轮机的转速nn=1/10DHn=156.84r/min采用与其接近的同步转速n=166.7r/min4.工作范围校核在选定14.5Dm，n=166.7r/min后，水轮机的'1maxQ及各特征水头相对应的'1n即可计算出来水轮机在Hr、Nr下工作时，其'1Q即为'1maxQ，故'31max32212408161.029.819.814.536.50.912rNQmsDHrHr则水轮机的最大引用流量为2/321/max118.9rHDNQ912.0375.481.940816232=1020Lsmax88.8%2.6%91.4%'max1'10max0.914110.01450.030.888Mnn9与特征水头maxmin,HH，Hr相对应的单位转速max1/min1HnDn395.47.166120.12r/minmin1/max1HnDn=355.47.166=126.80r/min'1rn=rHnD1=375.47.166=123.32r/min在ZZ440型水轮机模型综合特性曲线图(见附图)上分别绘出'1maxQ=1020Ls，'1maxn126.80r/min和/min1n=120.12r/min的直线，由图