河海大学热能与动力工程毕业设40～75m水头320MW

热能与动力工程专业毕业设计

目 录

原始资料……………………………………………………………………………………… 3 第一章 水轮机的选型设计……………………………………………………………… 4

第一节 水轮机型号选定……………………………………………………………… 4 第二节 原型水轮机主要参数的选择 ………………………………………………… 4 一 二台机组………………………………………………………………………… 5 二 三台机组…………………………………………………………………….…… 7 三 四台机组………………………………………………………………………… 9 四 五台机组………………………………………………………………………… 12 五 各方案参数列表………………………………………………………………… 13 第三节 较优方案选择………………………………………………………………… 14 第四节 技术经济指标计算…………………………………………………………… 16

一 动能经济指标…………………………………………………………………. 18 二 机电设备投资和耗钢量………………………………………………………. 17 第五节 最优方案选择………………………………………………………………… 22

一 水利机械投资估算表 ……………………………………………………… 22 二 电气部分投资估算表 ……………………………………………………… 23 三 方案总表 ………………………………………………………………… 23 四 最优方案的选择……………………………………………………………… 24 五 最优方案吸出高度的计算…………………………………………………… 24 第六节 最优方案的进出水流道设计………………………………………………… 25

一 转轮的计算…………………………………………………………………… 25 二 蜗壳计算……………………………………………………………………… 26 三 尾水管计算…………………………………………………………………… 29 第七节 绘制厂房横剖面图…………………………………………………………… 30 一 发电机外型尺寸估算………………………………………………………… 30 二 厂房各高程的确定……………………………………………………………… 33 三 厂房宽度的确定………………………………………………………………… 35 四 主厂房长度确定………………………………………………………………… 36

第二章 调节保证计算及调速设备的选择………………………………………… 38

第一节 设计水头下甩全负荷时的调保计算 ……………………………………… 38 一 已知计算参数………………………………………………………………… 38 二 管道特性计算………………………………………………………………… 39 三 水击压力升高计算……………………………………………………………… 41 四 转速上升计算………………………………………………………………… 43 第二节 最大水头下甩全负荷下的调保计算……………………………………… 44 一 管道特性系数………………………………………………………………… 45 二 水击压力升高计算…………………………………………………………… 47 三 转速上升计算…………………………………………………………………… 48 第三节 调速设备的选择…………………………………………………………… 49

第三章 辅助设备选择……………………………………………………………… 50

学生：李义

1

学号：06022128

320MW 40～75m水头 水电站机电初步设计

第一节 气系统……………………………………………………………………… 50 一 气系统用户 …………………………………………………………………….51 二 供气方式……………………………………………………………………… 51 三 设备选择……………………………………………………………………… 51 第二节 水系统……………………………………………………………………… 57 一 技术供水系统…………………………………………………………………….57 二 消防和生活供水………………………………………………………………… 60 三 检修排水……………………………………………………………………… 61 四 渗漏排水……………………………………………………………………… 64 第三节 透平油系统………………………………………………………………… 65 一 透平油系统供油对象 …………………………………………………………..65 二 用油量估算…………………………………………………………………… 65 三 油桶及油处理设备选择……………………………………………………… 66

第四章 电气部分………………………………………………………………………… 68

第一节 接入系统设计……………………………………………………………… 68 第二节 电气主接线设计…………………………………………………………… 70 一 发电机电压侧………………………………………………………………… 60 二 送电电压侧…………………………………………………………………… 70 三 近区负荷侧…………………………………………………………………… 70 四 电厂自用电侧………………………………………………………………… 71 第三节 短路电流计算……………………………………………………………… 72 一化简电路图 …………………………………………………………………… 73 二 计算短路电流………………………………………………………………… 75 第四节 设备选择…………………………………………………………………… 87 一 断路器和隔离开关选择……………………………………………………… 87 二 变压器中性点隔离开关选择………………………………………………… 88 三 避雷器的选择………………………………………………………………… 89 四 隔离开关避雷器选择………………………………………………………… 89 五 发电机出口母线选择………………………………………………………… 90 六 发电机消弧线圈选择………………………………………………………… 90 七 电压互感器选择……………………………………………………………… 91 八 其它设备选择………………………………………………………………… 92

附录一 效率和出力计算结果……………………………………………………… 93 附录二 番口水电站电力系统接线图……………………………………………… 96 参考文献 ………………………………………………………………………………… 97

李义

2

学号：06022128

热能与动力工程专业毕业设计

原始资料

番口水电站位于我国河北省北部，滦河干流上，番口水库是综合利用的多年调节水库，主要任务是调节滦河水量供天津市和唐山地区工农业用水，引水结合发电，兼顾防洪。番口水电站建成后并入京津唐点网运行，在系统中担负调峰、调相和事故备用。

电站为坝后式。河谷宽约600米，主河槽位于右岸，宽为100米，大坝溢流段350米，布置在左岸。厂房布置在右岸非溢流坝坝后，铁路右岸下游方向进厂。毅力钢管为140米。

本电站下游水位曲线见下图：

下Q(m/s) 基本参数：

电站总装机32万千瓦， 最高水头HMAX为75米， 平均水头HP55米， 最小水头Hmin40米，

年利用小时数为2380， 保证出力为11万千瓦。 其千年洪水位为155.1米， 五百年洪水位153.9米。

本地区年平均气温16.5度，实测最高温度37.6度，实测最低温度-15.8度，电站建成后将在距离80公里的唐山变电所接入系统,（电力系统接线图参见电气部分），并向太平庄供电5000千瓦，送电距离20公里。

学生：李义

3

学号：06022128

320MW 40～75m水头 水电站机电初步设计

番口水电站设计主要包括四部分内容：

水轮机主机选型设计，调节保证计算及调速设备选择设计，辅助设备系统（包括透平油、水、气系统）设计和电气部分设计。

设计原则：选择效率最高，经济投资最少的，综合效益最好的作为最优方案。 设计程序：

1、按给定特征水头决定机组型号； 2、拟定机组台数；

3、确定水轮机的标准直径和标准转速； 4、技术经济指标计算和比较； 5、选出最优方案。

第一章 水轮机的选型设计

第一节 水轮机型号选定

一、水轮机型式的选择

根据水电站原始资料，该水电站的水头范围为45-80m，查《水电站机电设计手册—水力机械》表1-1可知，适合此水头范围水轮机的类型有轴流式和混流式。

二者相比：

1、轴流转桨式水轮机适用于水头与负荷变化较大的电站。 2、轴流式水轮机空化系数大，当尾水管较长时，易产生紧急关机时的抬机现象。 3、混流式水轮机比转速范围广，适用水头范围广，结构简单，价格低，运行稳定且效率高。

根据本电站特点，选择混流式水轮机。

二、比转速的选择

水轮机的设计水头估算:

由《水电站机电设计手册—水力机械》P36知：设计水头初算时可近似取（0.9-1.1）HP，现取Hr?HP?55(m)

按我国水轮机型谱推荐的设计水头与比转速的关系，水轮机的ns为

李义 4 学号：06022128

热能与动力工程专业毕业设计

ns?20002000?20??20?249.68(m?KW) Hr55因此，以选择ns在250左右的水轮机为宜。

根据本电站水头变化范围45~80m，查《水电站机电设计手册—水力机械》表

1—4在水轮机型谱中，适合本电站的水头段有HL260可选择。在设计工况下HL260转轮的ns为247m?KW,与本电站的计算比转速最接近，而且空化系数小，故选用

HL260转轮。

第二节 原型水轮机主要参数的选择

电站所在电力系统的容量：

2?75?2?30?2?60?5?180?4?120?

2?180?3?150?3?180?2?60?320?3500(MVA)

一般情况下，单机容量不得超过系统容量的15%，即不超过

3500?15%?525(MVA)

根据电站建成后,在电力系统的作用和供电方式以及电站运行的灵活性和检修

的要求,初步拟定机组台数为2台、3台、4台、5台、6台进行比较。 台数 单机容量（万千瓦） 2 16 3 10.7 4 8 5 6.4 一、二台

1、计算转轮直径

由《水轮机》P169页可知，水轮机额定出力：

Pr?NG?G16?104??163265(KW)

0.98式中 ?G-----发电机效率,一般可取0.95-0.98，现取0.98

NG -----同步发电机的额定容量(KW)

由水轮机型谱可知，取最优单位转速n110?79r/min与出力限制线交点的单位流量为设计工况点单位流量，则可取Q11r?1.247m3/s,对应的模型效率?M?0.893，暂取效率修正值???0.03，??0.893?0.03?0.923,模型

学生：李义

5

学号：06022128

热能与动力工程专业毕业设计

n11max?nD1136.4?4.1??88.42(r/min) Hmin40当n?150r/min时

最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速

n11min?nD1150?4.1??71.01(r/min) Hmax75n11a?nD1150?4.1??82.93(r/min) Hp55nD1150?4.1??97.24(r/min) Hmin40n11max?当D1?4.5m时

2、计算原型水轮机的效率

?max?1?(1??M0)5D1M0.35?1?(1?0.923)5?0.953 D14.5????max??M0?0.953?0.923?0.03

限制工况原型水轮机效率为：

???M????0.893?0.03?0.923

3、同步转速的选择

n?n110HpD1?79?55?130.20(r/min) 4.5此值介于标准值125r/min和136.4r/min之间，两者皆取。 4、计算水轮机的运行范围

当n?125r/min时

最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速

n11min?nD1125?4.5??64.95(r/min) Hmax75n11a?nD1125?4.5??75.85(r/min) Hp5511

学生：李义 学号：06022128

320MW 40～75m水头 水电站机电初步设计

n11max?nD1125?4.5??88.94(r/min) Hmin40当n?136.4r/min时

最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速

n11min?nD1136.4?4.5??70.88(r/min) Hmax75n11a?nD1136.4?4.5??82.76(r/min) Hp55nD1136.4?4.5??97.05(r/min) Hmin40n11max?四、五台

1、计算转轮直径

由《水轮机》169页可知，水轮机额定出力：

Pr?NG?G6.4?104??65306(KW)

0.98D1?Pr 1.59.81Q11rHr? ?65306 1.59.81?1.247?55?0.923 ?3.80(m)

计算值处于标准值3.3m和3.8m之间，所以取3.8m。

当D1?3.8m时

2、计算原型水轮机的效率

?max?1?(1??M0)5D1M0.35?1?(1?0.923)5?0.951 D13.8????max??M0?0.951?0.923?0.028

限制工况原型水轮机效率为：

李义

12

学号：06022128

热能与动力工程专业毕业设计

???M????0.893?0.028?0.921

3、同步转速的选择

n?n110HpD1?79?55?154.18(r/min) 3.8此值介于标准值150r/min和166.7r/min之间，两者皆取 4、计算水轮机的运行范围

当n?150r/min时

最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速

n11min?nD1150?3.8??65.82(r/min) Hmax75n11a?nD1150?3.8??76.86(r/min) Hp55nD1150?3.8??90.12(r/min) Hmin40n11max?当n?166.7r/min时

最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速

n11min?nD1166.7?3.8??73.15(r/min) Hmax75n11a?nD1166.7?3.8??85.42(r/min) Hp55nD1166.7?3.8??100.16(r/min) Hmin40n11max?五、各方案列表如下

方案 台数 直径（m） 转速(r/min) n11max (r/min) n11a (r/min) n11min (r/min) 一 二 2 6 93.8 100 125 136.4 13

88.99 94.87 88.94 97.05 75.89 80.90 75.85 82.76 64.99 69.28 64.95 70.88 三 四 3 4.5 学生：李义 学号：06022128

320MW 40～75m水头 水电站机电初步设计

五 六 5.0 115.4 125 136.4 150 125 136.4 150 166.7 91.23 98.82 88.42 97.24 88.94 97.05 90.12 100.16 77.80 84.27 75.41 82.93 75.85 82.76 76.86 85.42 66.63 72.17 64.58 71.01 64.95 70.88 65.82 73.15 七 八 九 十 4.1 4 4.5 十一 十二 5 3.8 第三节 较优方案选择

说明：

1、在最小水头下，水轮机不能发出额定出力，此时水轮机受到出力限制线的限制，所以不需要试算最小水头下的Q11值。

2、在最大水头和平均水头下，用原型水轮机效率?计算出来Q11,但是

Q1和此水头对应的n11的交点的模型水轮机效率加上修正值并不一定等于

?，这就需要试算。

3、在平均水头下，有些方案的Q11偏大，无法从综合特征曲线上找到。 设计工况单位流量：

试算法作发电机出力限制线，并换算到水轮机运转综合特性曲线上，同时计算设计水头。

'

由Q11?T?Pr/9.81D1H1.5?C，假定一个?1，由此公式计算出一个Q11,'

再由Q11和对应水头的n11在图上找到一点，并查出此点的?M,将此?M转换''成原型效率?T（按限制工况点效率误差??计），将?T代入公式计算，重复

2前面的过程，直到两次单位流量相差值小于5%便认为可以。

按上述方法求出发电机出力限制线并且换算到水轮机运转综合特性曲线上。发电机出力限制线与水轮机出力限制线的交点，通过交点的值反过来求设计水头的值。

一、试算

李义

14

学号：06022128

热能与动力工程专业毕业设计

各方案列表如下： 平均水头 HP=60.0m 方案 ηT 一 二 三 四 五 七 八 九 十 十一 0.929 0.94 0.945 0.872 0.867 0.955 0.945 0.93 Q11 1.22 1.21 >1.347 >1.347 1.15 1.39 1.40 1.05 1.07 1.22 ηT' 0.892 0.896 0.885 0.902 0.912 0.87 0.874 0.892 Q11' 0.80 0.79 0.77 0.84 0.84 0.73 0.72 0.796 最大水头 Hmax=80.0 m 二、初选较优方案

根据前面拟定的各方案的工作范围是否包含高效区，或者包含高效区的面积大小；发电机出力限制线是否靠近水轮机出力限制线；设计水头与平均水头是否接近，平均水头对应的单位转速是否接近最优工况下的单位转速等原则来初选较优方案。 较优方案如下： 方案 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 15

台数 2 3 4 容量(万千瓦) 16 10.7 6.4 直径(m) 6 5 3.8 转速（r/min） 93.8 115.4 150 学生：李义 学号：06022128

320MW 40～75m水头 水电站机电初步设计

三、反算设计水头

nD?93.8?6.0?方案I Hr?(1)2????54.12(m)

n11r?76.5?nD?115.4?5.0?方案II Hr?(1)2????52.02(m)

n11r80??nD?150?3.8?方案III Hr?(1)2????54.09(m)

n11r?77.5?222第四节 技术经济指标计算

一、动能经济指标

根据运转特性曲线，求各个较优方案的平均效率

1、绘制转轮运转综合特性曲线 等效率曲线的绘制：

（1）在水轮机工作水头Hmin~Hmax内范围取4个水头值，计算各水头对应的单位转速n11，以各n11值在模型综合特性曲线上作水平线与其等效率线相交得一系列交点，根据交点处的Q11和?M计算出原型水轮机的效率?和出力P具体结果见附表。然后对每个水头值作等效率曲线。

（2）曲线??f(P)上过某效率值水平线与曲线相交，记下各点P，H值。

（3）各点的H、P值绘在坐标图上，将各点连成光滑曲线，即为某?的效率值。

（4）绘制出力限制线。在Hr~Hmax之间，是一条P?Pr的直线。在

Hmin~Hr之间出力限制线一般由模型综合特性曲线的95%出力限制线换

算而得。

效率和出力计算结果见附表一.

各方案的水轮机运转综合特性曲线见下图:

李义 16 学号：06022128

热能与动力工程专业毕业设计

方案I转轮运转特性曲线

方案II转轮运转特性曲线

方案III转轮运转特性曲线 学生：李义

17

学号：06022128

320MW 40～75m水头 水电站机电初步设计

2、根据绘制的运转特性曲线，利用面积法求各个较优案的平均效率

?????1??2?A2?A

式中 ?1————特性曲线上相邻等效率线上的效率值

?2——特性曲线上相邻等效率线上的效率值

A——为两相邻效率线之间的面积

具体结果如下： 方案 水轮机平均效率 I 89.32% II 89.96% III 89.56% 二、机电设备投资和耗钢量

（一） 水力机械部分 1、水轮机

由选型计算可知选择水轮机为HL260,根据转轮直径查《水电站机电设计手册——水力机械》P139图2-55,估算各种方案的水轮机的重量:

方案Ⅰ Z?2台,D1?6.0m,G1?900t

(t) 总重 900?2?1800(万元) 总价 1800?3.5?6300方案Ⅱ Z?3台,D1?5m,G1?575t

(t) 总重 575?3?1725.5(万元) 总价1725?3.5?6037方案Ⅲ Z?5台,D1?3.8m,G1?300t

总重300?5?1500(t)

(万元) 总价1500?3.5?5250

李义

18

学号：06022128

热能与动力工程专业毕业设计

2、调速器

按一台30万元来考虑，各方案总价估算如下： 方案Ⅰ 总价 30?2?60(万元) 方案Ⅱ 总价 30?3?90(万元) 方案Ⅲ 总价30?5?150(万元) 3、起重设备

由《水电站机电设计手册—水力机械》P299知道,具有上部结构的厂房一般选用桥式起重机,当最重吊运件的重量为100-600吨,机组台数小于4台,选用一台双小车或单小车桥式起重机;当机组台数多于5台时,因机组安装检修时吊运任务繁重,此时若选用一台双小车桥式起重机,则应另设置一台起重量较小的单小车桥式起重机辅助吊运之用,或者用两台起重量各为最重吊运件重量一半的单小车桥式起重机.本电站初步比较投资时,采用一台双小车桥式起重机考虑投资.

起重机的重量由跨度L=D1?4.5和转子重,查《水电站机电设计手册—水力机械》表7-16数据及计算过程如下:

方案Ⅰ 跨度 6.0?4.5?27m

转子重 636.40t 采用两台单小车400/100t桥式起重机 起重机重量 238?2?476t

投资 476?2.2?1047.2(万元)

方案Ⅱ 跨度 5?4.5?22.5m

转子重 423.87t 采用双小车2?250/50t桥式起重机 起重机重量 221t

投资 221?2.2?486.2(万元)

方案Ⅲ 跨度 3.8?4.5?17.1m

转子重 252.64t 采用双小车2?150/25t桥式起重机 起重机重量 128t

投资 128?2.2?281.6(万元)

4、辅助设备部分

辅助设备投资=k×（水轮机+调速器价格）

查原始资料汇编59页可得各方案的k值,估算如下：

方案Ⅰ Pg?16万千瓦，k?2.9%

总价 2.9%?(6300?60)?184.44(万元)

方案Ⅱ Pg?10.7万千瓦，k?3.6%

学生：李义

19

学号：06022128

320MW 40～75m水头 水电站机电初步设计

总价 3.6%?(6037.5?90)?220.59(万元)

方案Ⅲ Pg?6.4万千瓦，k?4.4%

总价 4.4%?(5250?150)?237.6(万元)

5、设备安装运行费

安装设备运输费=k×设备总价，查原始资料汇编可得各方案的k值，估算如下：

方案Ⅰ 总价 7.6%?(6300?60?1047.2?184.44)?576.96(万元) 方案Ⅱ 总价 7.9%?(6037.5?90?486.2?220.59)?539.91(万元) 方案Ⅲ 总价 8.4%?(5250?150?281.6?237.6)?497.21(万元) （二）电气部分 1、水轮发电机

查《电气一次》P183可知：GF?KG3(Sn2)(t) nn式中 KG——估算系数，悬式机组范围为8～10，伞式机组7～9 当发电机额定转速大于150r/min时，采用悬式机组; 当发电机额定转速小于

150r/min时，采用伞式机组.采用伞式机组,取KG=8

nn——发电机额定转速(r/min) Sn——额定视在功率(KVA)

Sn?Pn式中: pn为同步发电机额定有功功率; Cos?n为额定功率因数,Cos?n由<<电气一次>>P157知道,机组容量在20-170MVA时,Cos?n=0.85

估算各方案发电机的重量：

KW 方案Ⅰ nn?93.8r/min,Pr?1600002160000GF?8?3?1272.79(t) 2(93.8?0.85)总重 G总?2GF?2?1272.79?2545.58(t)

李义 20 学号：06022128

热能与动力工程专业毕业设计

转子重约为GF/2?636.40(t) 总价 2545.58?4?10182.32(万元)

方案Ⅱ nn?115.4r/min,Pr?107000KW

2107000GF?8?3?847.74(t) 2(115.4?0.85)总重 G总?3GF?3?847.74?2543.22(t) 转子重约为GF/2?423.87(t) 总价 2543.22?4?10172.88(万元)

方案Ⅲ nn?150r/min,Pr?64000KW

264000GF?8?3?505.29(t) 2(150?0.85)总重 G总?5GF?5?505.29?2526.43(t) 转子重约为GF/2?252.64(t) 总价 2526.43?4?10105.70(万元)

2、变压器

查《电气一次》P217图5-25页可得：

方案Ⅰ Z?2台，视在功率S?320?(2?0.85)?188.24MVA

总重 145?3?435(t) 总价 435?5?2175(万元)

方案Ⅱ Z?3台，视在功率S?320?(3?0.85)?125.49MVA

总重 115?3?345(t)

(万元) 总价 345?5?1725方案Ⅲ Z?5台，视在功率S?320?(5?0.85)?75.29MVA

学生：李义

21

学号：06022128

320MW 40～75m水头 水电站机电初步设计

总重 90?5?450(t) 总价 450?5?2250(万元)

3、开关设备

在初步设计时开关单价按100万元/台计算，每台机组设有两台开关，投资如下：

方案Ⅰ 总价 100?4?400(万元) 方案Ⅱ 总价 100?6?600(万元)

(万元) 方案Ⅲ 总价 100?10?10004、电气自动化设备

根据设计任务书P2说明，估算时以发电机、变压器和开关设备总价的10%计算

计算如下：

方案Ⅰ 总价 10%?(10182.32?2175?400)?1275.73(万元) 方案Ⅱ 总价 10%?(10172.88?1725?600)?1249.79(万元) 方案Ⅲ 总价 10%?(10105.70?2250?1000)?1335.57(万元) 5、电气部分运输费

设备安装运输费=k×设备总价

查原始资料汇编可得各方案的k值，投资估算如下： 方案Ⅰ 总价 7.6%?(12757.3?1275.73)?1066.51(万元) 方案Ⅱ 总价 7.9%?(12497.9?1249.79)?1086.07(万元) 方案Ⅲ 总价 8.3%?(13355.7?1335.57)?1219.38(万元)

第五节 最优方案选择

一、水力机械投资估算表

方案 水轮机单台重（吨/台） 水轮机总重（吨） 水轮机单价（万元/吨） 水轮机总价（万元） 李义

Ⅰ 900 1800 3.5 6300 22

Ⅱ 575 1725 3.5 6037.5 Ⅲ 300 1500 3.5 5250 学号：06022128

热能与动力工程专业毕业设计

调速器单价（万元/台） 调速器总价（万元） 起重机重量（吨） 起重机单价（万元/吨） 起重机总价（万元） 辅助设备投资（万元） 安装运输费（万元） 总投资（万元） 总耗钢量（吨） 单位千瓦投资（元/千瓦） 单位千瓦耗钢量（公斤/千瓦） 30 60 476 2.2 1047.2 184.44 576.96 8168.56 2276 255.27 7.11 30 90 221 2.2 486.2 220.59 539.91 7374.2 1946 230.44 6.08 30 150 128 2.2 281.6 237.6 497.21 6416.41 1628 200.51 5.09 二、电气部分投资估算表

方案 发电机单台重 （吨/台） 发电机总重（吨） 发电机单价（万元/吨） 发电机总价（万元） 变压器总重（吨） 变压器单价（万元/吨） 变压器总价（万元） 开关总价（万元） 自动化设备总价（万元） 设备安装运输费（万元） 总投资（万元） 单位千瓦投资（元/千瓦） 总耗钢量（公斤） 单位千瓦耗钢量（公斤/千瓦） Ⅰ 1272.79 2545.58 4.0 10182.32 435 5 2175 400 1275.73 1066.51 15099.56 471.86 2980.58 9.31 Ⅱ 847.74 2543.22 4.0 10172.88 345 5 1725 600 1249.79 1086.07 14833.74 463.55 2888.22 9.03 Ⅲ 505.29 2526.45 4.0 10105.70 450 5 2250 1000 1335.57 1219.38 15910.65 497.21 2976.45 9.30 三、方案总表

方案 学生：李义

Ⅰ 23

Ⅱ Ⅲ 学号：06022128

320MW 40～75m水头 水电站机电初步设计

最大水头Hmax(m) 最小水头Hmin(m) 平均水头Hp(m) 装机容量N(万kw) 水轮机型号 单机容量N(万kw) 机组台数 转轮直径D1(m) 机组转速(r/min) 计算水头Hr(m) 水轮机最高效率 水轮机平均效率 模型最高效率时的n1' 总投资(万元) 单位千瓦投资(元/ KW) 总耗钢量(吨) 千瓦耗钢量(公斤/万KW) 75 40 55 32 HL260/D74 16 2 6.0 93.8 54.12 95.5% 89.32% 79 23268.12 727.13 5256.58 16.43 75 40 55 32 HL260/D74 10.7 3 5.0 115.4 52.02 95.7% 89.96% 79 22207.94 694 4834.22 15.11 75 40 55 32 HL260/D74 6.4 5 3.8 150.0 54.09 95.5% 89.56% 79 22327.06 697.72 4604.45 14.40

四、最优方案的选择

由方案总表可知，尽管方案Ⅱ总耗钢量不是最小，但总投资最小，从而单位千瓦投资最小，且平均效率最高，故采用方案Ⅱ作为最优方案。

五、最优方案吸出高度Hs的计算

1、 设计水头 Hr?52.02m

设计水头对应的单位转速与出力限制线的交点的?M?0.895，则

?T??M????0.895?0.03?0.925

设计工况的单位流量

Q11r?Pr9.81?TD12Hr1.5

?1091803?1.280m/s 21.59.81?0.927?5.0?52.0224

学号：06022128

李义

热能与动力工程专业毕业设计

原型水轮机的有效流量 Q?Q11rD12Hr?1.280?5.02?50.02?226.31m3

QT?Q?226.31m3

查原始资料P57，可得?w?149.6m，根据《水轮机》P58得 吸出高度：

??K??Hr 900式中： Hs——水轮机的吸出高度；

σm——模型空化系数，各种工况的σm值可从该型号水轮机的

模型综合特性曲线中查得；

Kσ——水轮机的空化安全系数；

H——水轮机的水头，一般取设计水头；

?——水轮机安装位置的海拔高程。

149.6Hs?10??1.15?0.143?52.02?1.28m

900Hs?10?第六节 最优方案的进出流水道计算

一、转轮的计算

图1-1 转轮计算示意图 表1-8HL具体尺寸 单位：mm

D2 772 3860 D3 401 2005 b0 280 D4 458 D5 1086 5430 R1 44 220 R2 43 215 h 509 2545 1400 2290 二、蜗壳计算

学生：李义

25

学号：06022128

320MW 40～75m水头 水电站机电初步设计

1、蜗壳型式的确定

当水头小于40m时，多采用混凝土蜗壳，当水头大于40m时。采用金属蜗壳，本电站水头范围40-75m，故采用金属蜗壳。金属蜗壳按其制造方法有焊接、铸焊和铸造三种类型，铸焊和铸造一般用于高水头混流式水轮机，尺寸较大的中低水头混流式水轮机一般都应用钢板焊接结构，故本站采用钢板焊接蜗壳。

2、蜗壳的断面形状及座环的确定

金属蜗壳断面一般为圆形，而由于蜗壳尾部用圆断面时不能和座环蝶形边相接，故采用椭圆形断面。采用带蝶形边的座环，锥角为550，其有关尺寸查[《水电站机电设计手册》——水力机械]P128表2-16

座环的有关尺寸见下表： 名称 Da (m) Db (m) 参数 7.75 6.65 3、蜗壳的包角：金属蜗壳的包角一般为3450。

4、蜗壳的进口流速

采用[《水电站机电设计手册》——水力机械]P117图2-22中的中间值,取6.5米。

5、金属蜗壳外形尺寸的计算

按?u=常数且蜗壳与座环蝶形边相切进行计算，具体计算如下： 进口断面尺寸计算 （1）进口断面流量

K (m) 0.15 r (m) 0.4 Q0??0Q3600?345?226.31?216.88(m3/s) 0360式中 ?0——蜗壳包角，取3450

Q——水轮机设计流量(m3/s)

（2）进口断面流速 V0?KHr?0.92?52.02?6.635(m3/s) 式中 K——流速系数 查《水轮机》P94图5-46，取0.92 （3）进口断面面积

F0?Q0216.88??32.69(m3/s) V06.635（4）进口断面半径

?0?F0??32.69?3.23(m) 3.14（5）进口断面中心距

李义 26 学号：06022128

热能与动力工程专业毕业设计

a0?r0??2?h2

式中 h?b0/2?r(1?cos550)?Ktan?

h?1.4/2?0.4(1?cos550)?0.15?tan550?1.085(m)

座环蝶形边半径r0?D?7.75?K??0.15?4.025 22a0?4.025?3.232?1.0852=7.432(m)

（6）进口断面半径

R0??0??0?7.432?3.23?10.662(m)

由进口断面尺寸求出蜗壳系数C和蜗壳常数K

C??0a0?a0??22?3457.432?7.432?3.2322 ?467.10

K?QC216.88?467.10?44.81 ?3600?2?720??3、圆断面计算

由《水轮机》P94图5-47的几何关系，可得下列各计算式：

???iC?2r0?iC?h2

?i??2?h2 ?i?r0??

Ri??i??i

h?1.891

cos55?由进口断面的C值后即可确定各个圆形断面的尺寸，ψi幅度采用变化0

15，具体计算见下表:圆形断面

s?断面号 1 2

υi 345 330

xi 2.922 2.830

ρi 3.117 3.031

αi 6.947 6.855

Ri 10.064 9.886

学生：李义

27

学号：06022128

320MW 40～75m水头 水电站机电初步设计

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

315 300 285 270 255 240 225 210 195 180 165 150

2.736 2.641 2.542 2.442 2.339 2.233 2.124 2.012 1.895 1.772 1.644 1.507

2.943 2.854 2.764 2.672 2.578 2.483 2.385 2.286 2.183 2.078 1.969 1.857

6.761 6.665 6.567 6.467 6.364 6.258 6.149 6.037 5.920 5.797 5.669 5.532

9.704 9.520 9.332 9.140 8.943 8.742 8.535 8.323 8.103 7.876 7.639 7.390

7、椭圆断面的计算

当计算圆形断面半径ρ

（1）椭圆短半径

?2?1.045A?0.81L2?1.345L

（2）与圆同等面积

A???2?d2tg?

???iC(ctg2??2RA1?) ?/Csin?d?ra?Ra?3.875?3.265?0.610m

（3）椭圆断面长半径

李义

28

学号：06022128

热能与动力工程专业毕业设计

?1?L??2??2ctg?

L?h1.085??1.325(m) 0sin?sin55Ra?r0?Lcos??4.025?1.325?cos550?3.265

（4）椭圆断面中心距

a?Ra?1.22?2（5）椭圆断面外径

R?a??1

具体计算见下表: 椭圆断面: 断面号 υi ρ2 15 135 1.672 16 120 1.474 17 105 1.271 18 90 1.062 19 75 0.847 20 60 0.623 21 45 0.389 22 30 0.145 23

15

-0.111

三、尾水管计算

学生：李义

A 10.058 8.789 7.563 6.384 5.254 4.175 3.153 2.194 1.309

ρ1 1.826 1.767 1.706 1.643 1.578 1.511 1.441 1.368 1.291

29

ρ a R 1.741 5.305 7.131 1.621 5.064 6.831 1.496 4.816 6.522 1.364 4.561 6.205 1.226 4.298 5.877 1.077 4.025 5.537 0.913 3.740 5.182 0.727 3.442 4.810 0.497

3.128

4.420

学号：06022128

320MW 40～75m水头 水电站机电初步设计

图1-3 尾水管计算示意图

如图所示，水轮机流道尺寸按推荐的尾水管各部尺寸确定，如下表：

表1-10尾水管尺寸 单位mm

b0 h1 h2 h3 h4

280 2592 1366 1311 670 1400 12960 6830 6555 3350 D1 D2 b1 b2 b3 1351 1478 487 1750 6755 7390 2435 8750 D0 R1 R2 1160 1160 815 5800 5800 4075 4500 22500 第七节 绘制厂房剖面图

一、水轮发电机外形尺寸估算(如图所示)

李义 30 学号：06022128

320MW 40～75m水头 水电站机电初步设计

?顶??6?h11?h12?2

?175.516?5.4?0.8?2?183.716(m)

式中：h11——轨道至起重机顶端距离，h11=5400mm；《水力机械》p128

h12——桥机顶部与天花板之间最小净距不小于0.2～0.3m，取h12=0.8m；

房顶厚度取2.0m；

三、厂房宽度的确定

以机组中心线为界，厂房宽度B可分为上游侧宽度Bs和下游侧宽度Bx两部分，主厂房以发电机层地板为界，分为上部结构和下部结构。

1、上部结构

厂房上部结构宽度，根据发电机风罩直径，调速器，油压装置以及发电机层上下游通道等布置要求，结合选择相应容量的桥机跨度确定。 （1）上游侧宽度的确定

Bs??32??3?A1?15.17?0.4?3.7?11.69m 2式中 A1——上游主通道宽度（2.2m）和其他设备安放宽度（1.44m）之和

?3——风罩内径

?3——风罩壁厚，一般取0.3-0.4米，现取0.4米。 （2）下游侧宽度的确定

Bx??32??3?A2?15.17?0.4?2.24?10.23(m) 2式中 A2——辅通道的宽度，取A2?2.24m 主厂房总宽

B?Bx?Bs?B'?11.69?10.23?2?0.4?22.7m（1-88）

式中：B’——墙厚度取0.4m； 牛腿厚度暂取0.6m，含墙。

取标准桥式起重机跨度为22m。故厂房总宽度暂定为24

2、下部块体

厂房下部结构由下游侧宽度和上游侧宽度组成。

李义 36 学号：06022128

热能与动力工程专业毕业设计

（1）上游侧宽度的确定

主要取决于蜗壳进口布置，主阀（主阀布置在主厂房之内）和机组其他附属设备的布置，由下述经验公式估算：

B2=?D1

式中 α——系数，当D1?6.0?1.0m时，相应α=1.8-6.0取α=2.6 则B2?2.6?5.0?13m

（2）下游侧宽度的确定

主要取决于尾水管尺寸及下游混凝土的结构厚度，由《动力设备》可采用下述经验公式估算：

B1?4.5D1?4.5?5.0?22.5m 下部结构宽度B?B1?B2?22.5?13?35.5m

四、厂房长度

主厂房的总长度包括机组段的长度（机组中心距）、端机组段的长度和安装场的长度，并考虑必要的水工结构分缝要求的尺寸。 1、机组段长度的确定

机组段长度由蜗壳、尾水管、发电机等设备在x轴方向上的尺寸决定，同时考虑机组附属设备及主要通道、吊物孔的布置及所需尺寸。

机组段长度按下式分段计算：

L1?L?x?L?x

（1） 蜗壳层

L?L?x?L?x?11.6?9.21?20.81m

其中 L?x?R1??1?10.2?1.4?11.6m L?x?R2??1?7.71?1.5?9.21m （2） 尾水管层

L?x?L?x?B13.7??2??1.4?8.25(m) 22L?L?x?L?x ?8.25?8.25 ?16.5(m)

（3） 发电机层

L?x?L?x??32?15.174b??0.4?9.985(m) ??3?222学生：李义

37

学号：06022128

320MW 40～75m水头 水电站机电初步设计

L?L?x?L?x?2?9.985?19.97(m)

式中 R1——蜗壳+X方向最大平面尺寸

R2——蜗壳-X方向最大平面尺寸

B——尾水管宽度

?1——蜗壳外部混泥土厚度，初步设计可取1.2-1.5米，取1.5m

?2——尾水管边墩混泥土厚度，初步设计可取1.2-1.5米，取1.4m

?3——发电机风罩壁厚，取0.4m

?3——发电机风罩内径

——两台机组之间风罩的净距，一般可取1.5-2.0米，如需两台机b

组之间设置楼梯时，则一般取3-4米，现取4.0m。 L1取最大尺寸即蜗壳方向上的长度L1=20.81m 2、端机组断长度L2的确定

L2?(0.2?1.0)D1

L2?0.5D1?0.5?5.0?2.5(m)

3、主厂房的长度L主

L主?nL1?L2?3?20.81?2.5?64.93(m)

4、安装场长度L3的确定

按检修一台机组的长度考虑，L3?(1.0?1.5)L1，取L3?1.3L1?27.053m 厂房总长度为L?L主?L3?64.93?27.053?93.402(m) 取厂房总长度为93.5m。

第二章 调节保证计算及调速设备的选择

电站在运行过程中，常常会由于各种事故，机组突然与系统解列，从而造成机组甩负荷。此时机组转速上升，调速器关闭导叶，经过一段时间后，机组回复到空载转速，在此调节过程中，除调节系统稳定性是个重要问题外，在调节过程中的最大转速上升值亦很重要。在甩负荷时，由于导叶迅速关闭，水轮机的流量会

李义

38

学号：06022128

热能与动力工程专业毕业设计

急剧变化，因此在水轮机过水系统内会产生水击，此时产生的最大压力上升或最大压力下降对压力过水系统的强度是有影响的。调节保证计算就是在初步设计阶段计算出上述过程中最大的转速上升及最大的压力上升值。二者都不能超过允许值。调节保证计算一般应对两个工况进行，即计算设计水头甩全负荷和最大水头甩全负荷的压力上升和速率上升，并取其大者。

调节计算的标准：

1、压力变化计算标准：

（1）机组甩负荷时，蜗壳允许的最大压力升高?max按《水利机械》P207表查得?max=0.45

（2）机组甩负荷时，尾水管进口允许的最大真空高度为8m-9 m水柱 （3）机组突然增加负荷时，压力输水系统内任何一段均不允许发生负压 2、转速变化计算标准

（1）当机组容量占电力系统运行总容量的比重较大，且担负调频任务时，宜小于45%

（2）当机组容量占电力系统运行总容量的比重不大或担负基荷时，机组甩全部负荷的转速升高的允许值宜小于55%

第一节 设计水头下甩全负荷

一、已知计算参数

GD2??4.5~5.5?Di3..5lt ?5?10.763.5?1.45 ?29626 .54(t?m2）公式见《设计指示书》P6 式中：

Di——定子铁芯内径（米） Lt——定子铁芯高度（米）

压力钢管长约为140m，经济流速为5.0m/s，设计流量为226.31m3 /s

二、管道特性系数

1、压力钢管段

?LT1T1V?140?5?700m2/sl

LT1、VT1——分别为引水管的长度与流速

2、蜗壳段

平均流速取进口断面平均流速

V?6.635m3 /s

蜗壳中心线长

学生：李义

39

学号：06022128

320MW 40～75m水头 水电站机电初步设计

Lc?32.27m

? LVCC?32.27?6.635?214.11(m2/s)

Lc、Vc——分别为蜗壳的长度与流速

蜗壳?LCVC只取一半，因为蜗壳并不是全部串联在管路中。 3、尾水管段 （1）直锥段

平均面积

22(D3?D4)SB1???442 (5.412?6.752) ???442

?29.37(m2) 平均流速

VB1?Q/SB1?226.31/29.37 ?7.7(m/s) 几何长度

LB1?4.99(m)

?LB1VB1?4.99?7.7?38.423(m2/s) （2）肘管段 平均面积

?D24SB2?4?B5h62

??6.75213.6?3.375?4?2

?40.83(m2)

平均流速

李义 40 学号：06022128

热能与动力工程专业毕业设计

VB2?Q/SS2 ?226.31/40.83 ?5.543(m/s) 由量测法可得其几何尺寸

LB2?11.9078(m)

?LB2B2V?11.91?5.543?66.02(m2/s)

（3）扩散段 平均面积

（h?h3）B5SB3?4

2（6.555?3.35）?13.6?

2?67.35(m2)

平均流速

VB3?Q/SS3?226.31/67.35?3.36(m/s) 几何长度

LB3?13.0(m)

?LB3B3V?13.0?3.36?43.68(m2/s)

B?LVB??LB1VB1??LB2VB2?LB3VB3

?38.423?66.02?43.68 ?148.123(m2/s)

水击传播速度:

《水利机械》P208知大多情况下压力钢管压力波传播速度a=1000m/s

1LV?LV???TT2?LCVC??LBVB

1?700??214.11?148.123

2?955.178(m)

?L??L??L??LTCB

?140?32.27?4.99?11.91?13.0 ?202.17(m)

管道特性系数：

学生：李义

41

学号：06022128

320MW 40～75m水头 水电站机电初步设计

压力引水系统的平均流速

V0??LV?955.178?4.72(m/s) ?L202.17gH0955.178?1.872(s)

9.81?52.02水流惯性时间常数

TwLV??? 公式见《水轮机调节》P233

式中 H0——甩负荷前水电站静水头 管路特性常数：

hw?aV01000?4.72??4.62(s) 2gH02?9.81?52.02接力器的直线关闭时间Ts’一般为5-10s，取Ts’=8 s

2L?2?202.17/1000?0.404s 水击的相长tr?a导叶关闭时间Ts’>tr,发生的水击为间接水击。

由《水利机械》P213知，当hwτ0>1.5时，最大水击压力变化发生在末相，τ0为导水机构的初始相对开度，甩全负荷时τ0=1，hwτ0=4.04 ?1.5，所以水击发生在末相。

三、水击压力升高计算

???LV955.178??0.234

gH0TS'9.81?52.02?81、由于水击发生在末相，最大压力上升值

?A?m?(?2?4??)

20.234?(0.2342?4?0.234)

2?0.263 A?max?K?m?1.2?0.263?0.316

式中 K——机型修正系数，混流式水轮机取K?1.2

2、各管段的压力升高

（1）压力钢管末端压力升高?T

李义 42 学号：06022128

热能与动力工程专业毕业设计

?T??LTVT700?max??0.316?0.232 ?LiVi955.178?HT??TH0?0.232?52.02?12.05(m)

（2）蜗壳末端最大压力升高?C

?C???LTVT??LcVc?max?LiVi

700?214.11?0.316

955.178

?0.302

小于蜗壳允许的最大压力升高

?Hc??cH0?0.302?52.02?15.732(m) （3）尾水管中最大压力降低?B

?B???LBVB?max?LiVi

148.123?0.316

955.178

?0.049

?HB??BH0?0.049?52.02?2.55m

尾水管中最大真空度

v2HB?HS???HB4g

9.842?1.28??2.55?6.30(m)

4?9.81

由于HB <(8~9)m,所以满足压力升高要求。 式中 HS——吸出高度

? ——尾水管进口流速

v2 和△HB应为同一时间内的最大总和，为方便起见，在近似2g计算时可

学生：李义

43

学号：06022128

320MW 40～75m水头 水电站机电初步设计

vv2为关闭开始时刻的尾水管进口速度的一半即0。 2g4g2四、转速上升计算

假定甩负荷后，导叶开始动作到最大转速时刻之间的水轮机力矩随时间沿直线减少至零

1、机组惯性时间常数T?

T??GD2n20365N0

29626.54?115.42?

365?109180

?9.90(s)

式中 n0——甩负荷前机组转速（r/min）

N0——甩负荷前水轮机出力（kw） GD2——机组飞轮力矩（KN.m2）

2、调节滞后时间常数Tc

TC?Tq?0.5bPT?

?0.2?0.5?4%?9.90 ?0.40(s)

式中 Tq——接力器不动时间，可取0.1-0.3s取Tq?0.2(s)

bP——调速器永态转差系数，一般为%2-%6，取bP=4%

3、水锤压力影响系数 f1?1???1?0.234?1.234

?Y?2Tc?TS'f?1?1 Ta李义 44 学号：06022128

热能与动力工程专业毕业设计

?2?0.4?8?1.234?1?1

9.90n1fn1 ?0.44

ne??1.92

式中n1——甩负荷时初始单位转速，为79 r/min

n1’——单位飞逸转速，为150.4r/min C?11??Yne?1?1?0.68 0.441?1.92?1甩全负荷时机组的速率上升值

??(2Tc?TS'f1)C?1?1

T??(2?0.40?8?1.234)?0.68?1?1

9.90?31.6%?55%

由以上计算可知，本电站机组设计水头下甩全负荷时，压力升高与转速升高均在允许范围内。

第二节 最大水头甩全负荷

Q11?Pr1091803??0.760m/s（2-24） 21.521.59.81?D1Hmax9.81?0.902?5.0?75式中：Pr——机组的单机容量kW；

D1——转轮原型直径m； Hmax——水头m；

?——水轮机原型最高水头效率；

Q?Q11D12Hmax?0.760?5.02?75?164.5m3/s（2-25）

式中：Q11——机组的单位流量m3/s；

D1——转轮原型直径m； Hmax——最大水头m；

一、管道特性系数

1、压力钢管段

?L学生：李义

T1T1V?700(m2/s)

45

学号：06022128

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vtj2.html