水电站动力设备与管理毕业设计.doc

目录第一章 水轮机选型设计2第一节 水轮机型号选择及参数计算2第二节 绘制转轮运转综合特性曲线9二、等吸出高度线的绘制15第三节 技术经济指标算19第四节 最优方案选择22第五节 金属蜗壳的水力设计24第六节 尾水管尺寸的确定27第七节 发电机相关计算28第八节 水电站厂房布置30第二章 调节保证计算及调速设备的选择31第一节 设计水头下甩全负荷31第二节 最大水头下甩全负荷35第三节 调速设备的选择38第三章 辅助设备39第一节 油系统的计算39第二节 气系统的设计42第三节 水系统的设计44第四章 电气部分47第一节 电气主接线设计47第二节 短路电流计算49第四节 电气设备选择63谢辞69参考文献70前言 水资源是基础性的自然资源，是一种可持续的资源。水力发电是一种可再生的清洁能源。我国幅员辽阔，江河纵横、湖泊众多，蕰藏着巨大的水能资源。而且是世界上水能源最丰富的国家，且水电开发建设的自然条件非常优越。从资源的利用率上来看，非常利于水力发电。 本论文是根据水电站的相关原始资料进行编写的，设计的题目是：水电站的设计，根据设计的要求和基本情况，我们运用了三年在所学到的专业知识，将理论和实践紧密相联接，对我们三年的学习情况的总结和应用，同时，也培养我们独立完成任务，善于发现问题和解决问题的能力，力求做到设计更加完整，数据更精准，文字更简洁，能够通俗易懂，叙述条理清晰，便于理解。 本论文设计的内容有：水轮机组的选型设计，调节保证计算及调节设备的选择、水轮机组的辅助设计、水电站电气部分计算及选型，厂房尺寸设计等。 由于编者所学有所短缺，能力有限，设计过程中可能会有疏漏与不妥之处，希望读者，给予指正。编者2014年5月第一章 水轮机选型设计第一节 水轮机型号选择及参数计算一、机组参数的选择根据资料数据要求，此水电站总装机容量30万kW，根据目前水电站的发展状况，周全考虑并选择机组的台数为2、3、4、5台，其每台的装机容量分别为15万kW、10万kW、7.5万kW、6万kW。二、水轮机型号选择根据设计要求的原始材料及水电站的特征水头：Hmax=120m；Hmin=77m；Hav=113m；Hsj=106mHe=0.95Hav=0.95113=107.35根据水轮机型谱推荐的设计水头与比转速的关系，水轮机的比转速为由以上可知水轮机的比转速接近180m.kW，额定水头He在90125m范围 内，因此在水轮机的型谱中选择比转速在180（m.kW）左右的水轮机为宜，即本电站选择HL180-46转轮。三不同参数下水轮机转轮直径、机组同步转速确定、工作范围的确定1.装机台数为2台已知电站装机容量30万kW，则单机容量为15万kW 。（1）水轮机的额定出力取最优单位转速n110=67r/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Q11k=0.86m3/s，对应的模型的效率M=0.89，暂取效率修正值=2%，设计水轮机工况原型水轮机效率 （2）水轮机转轮直径D1根据水轮机教程P11-表1-3反击式水轮机转轮标称直径表参数，计算值处于标准值4.1m和5.0m之间，计算直径更接近4.1m，故取转轮直径D1=4.1m。 （3）最高效率及效率修正值 （4）限制工况原型水轮机效率 （5）转速n 同步转速介于166.7r/min和187.5r/min之间，接近166.7r/min，所以取166.7r/min(见水轮机书P170) （6）水轮机设计流量 （7）几何吸出高度Hs （8）额定单位流量 （9）单位转速校验 最大、最小、平均水头所对应的单位转速 2装机台数为3台已知电站装机容量30万kW，则单机容量为10万kW。 （1）水轮机的额定出力取最优单位转速n110=67r/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Q11k=0.86m3/s，对应的模型的效率M=0.89，暂取效率修正值=2%，设计水轮机工况原型水轮机效率 （2）水轮机转轮直径D1为根据反击式水轮机转轮标称直径表参（1）P11-表1-3，计算值处于标准值3.30和3.80m之间，计算直径更接近3.30m，故取转轮直径D1=3.30m。 （3）最高效率及效率修正值 （4）限制工况原型水轮机效率 （5）转速n同步转速介于214.3r/min和250r/min之间，接近214.3r/min，所以取214.3r/min （6）水轮机设计流量 （7）几何吸出高度Hs （8）额定单位流量（9）单位转速校验 最大、最小、平均水头所对应的单位转速3装机台数为4台已知电站装机容量30万kW，则单机容量为7.5万kW（1）水轮机的额定出力取最优单位转速n110=67r/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Q11k=0.86m3/s，对应的模型的效率M=0.89，暂取效率修正值=3%，设计水轮机工况原型水轮机效率(2)水轮机转轮直径D1为根据反击式水轮机转轮标称直径表参（1）P11-表1-3，计算值处于标准值3.00m和3.30m之间，计算直径更接近3.00m，故取转轮直径D1=3.00m。（3）最高效率及效率修正值 (4)限制工况原型水轮机效率 (5)转速n 同步转速介于214.3r/min和250r/min之间，接近250r/min，所以取 250r/min（6）水轮机设计流量 （7）几何吸出高度Hs (8)额定单位流量 （9）单位转速校验 最大、最小、平均水头所对应的单位转速4装机台数为5台已知电站装机容量30万kW，则单机容量为6万kW（1）水轮机的额定出力取最优单位转速n110=67r/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Q11k=0.86m3/s，对应的模型的效率M=0.89，暂取效率修正值=2%，设计水轮机工况原型水轮机效率(2)水轮机转轮直径D1为根据反击式水轮机转轮标称直径表参（1）P11-表1-3，计算值处于标准值2.50m和2.75m之间，计算直径更接近2.75m，故取转轮直径D1=2.75m。（3）最高效率及效率修正值 (4)限制工况原型水轮机效率 (5)转速n 同步转速介于250r/min和300r/min之间，接近250r/min，所以取 250r/min （6）水轮机设计流量 （7）几何吸出高度Hs (8)额定单位流量 （9）单位转速校验 最大、最小、平均水头所对应的单位转速把上述参数绘制在HL180综合特性曲线图上，以检验水轮机运行区域的效率高低。可以看出，单位转速的变化范围包括高效区第 3方案和第4方案比第1个多，水轮机的平均效率较高。因此，选择工作范围较优的第 3方案和第4方案各方案参数如下表1-1所示表1-1各方案计算参数型号HL220-46水轮机的额定出力(kW)转轮直径D1 (m)限制工况原型水轮机效率同步转速n（r/min）几何吸出高Hs（m）水轮机流量（m3、）2台机组1530614.10.911166.7-1.3330.9163台机组1020413.30.91214.3-1.330.9444台机组7653130.927250-1.3320.855台机组612242.750.908250-1.3310.817初选较优方案原则：1、不得超过出力限制线；2、与之间包含的最优效率区越多越好；3、越接近最优单位转速越好即67r/min;通过以上原则对此次的个方案进行比较，最终的初选较优方案为方案4和方案5。 第二节 绘制转轮运转综合特性曲线一、等效率曲线的绘制及机组出力限制线的绘制1.方案3的计算绘图如下(1)求出水轮机原型最优工况T0和效率修正值为简化计算 ，其他工况的效率修正值也采用(2)求水轮机的最优单位转速n110和单位转速修正值n11 (3) 在水轮机工作水头范围（HminHmax）内取5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具体结果见表1-2，然后对每个水头值作等效率曲线。表1-2 Hmin=77H=90mmQ11PmQ11P0.70.380.73716706.97930.760.3950.79723731.699150.720.440.75719869.88740.780.450.81727714.559950.740.50.77723175.96750.80.5150.83732494.219070.760.540.79725674.31890.820.560.85736177.809360.780.590.81728755.499650.840.620.87740988.752420.80.650.83732455.302750.860.6650.89744966.336420.820.70.85735787.03450.880.750.91751844.658250.840.7750.87740546.012130.890.780.92754506.431980.840.910.87747608.865850.890.840.92758699.234440.820.9450.85748312.496580.880.870.91760139.803570.80.9750.83748682.954130.86O.910.89761532.881410.780.990.81748250.753650.840.9450.87762474.7920.761.0150.79748258.210530.820.9750.85762988.150230.741.030.77747742.493050.810.83763095.5710.721.040.75746965.18840.781.0150.81762511.729670.71.050.73746164.021750.761.0350.79762183.05979Hr=106mHav=113mmQ11PmQ11P0.80.410.83733065.802180.820.440.85739991.21940.820.4550.85737571.796990.840.490.87745575.015150.840.5050.87742673.741290.860.530.89750419.607550.860.5450.89747104.098210.880.5750.91755920.150130.880.590.91752130.404620.90.630.93762605.327050.90.6250.93756427.311250.910.6750.94767793.007380.910.70.94763873.06660.930.740.96775890.83690.920.730.95767313.867940.930.760.96777941.94060.920.7750.95771463.352950.910.810.94781351.608850.910.810.94773910.262780.90.840.93783473.76940.90.8450.93776289.724810.880.890.91786554.667150.880.890.91778637.390020.860.930.89788472.141550.860.9250.89779947.322650.840.9550.87788824.774430.840.960.87781122.359680.820.9750.85788616.906630.820.980.85780923.870440.810.83788768.0350.810.83780648.2980.781.020.81788379.87370.781.0250.81780689.24845 Hmax=79 mQ11PmQ11P0.820.460.85745753.17320.930.780.96787539.41560.840.480.87748856.61760.920.80.95788855.5360.860.520.89754135.02640.910.810.94789026.14420.880.5650.91760131.26630.90.840.93791348.50480.90.610.93766336.41420.880.880.91793655.77760.910.660.94772539.82120.860.930.89796818.41260.920.670.95774416.51140.840.950.87796695.3890.930.690.96777438.71380.820.9750.85796976.83450.940.720.97781641.24640.810.83797142.220.940.760.97786176.87120.781.020.81796717.4404(4) 在曲线=f（P）上过某效率值水平线与曲线相交，记下各点P，H值。将各点P值绘在坐标图上，将各点连成光滑曲线，即为某的效率值。绘制出力限制线。在HrHmax之间，是一条P=Pr的直线。在HminHr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。各方案的曲线见图图1-1图1-2图1-3图1-42.方案4的计算绘图如下(1)求出水轮机原型最优工况T0和效率修正值为简化计算 ，其他工况的效率修正值也采用(2)求水轮机的最优单位转速n110和单位转速修正值n11 (3) 在水轮机工作水头范围（HminHmax）内取5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具体结果见表1-3。然后对每个水头值作等效率曲线表1-3 Hmin=77H=90mmQ11PmQ11P0.780.460.79818400.505520.80.440.81822798.255280.80.510.81820911.852710.820.4750.83825213.50720.820.550.83823103.391610.840.520.85828260.917910.840.6050.85826020.263730.860.550.87830588.123680.860.650.87828607.302220.880.610.89834697.789160.880.7250.89832634.98180.90.6650.91838668.734440.890.790.90835956.877570.910.720.92842322.96690.890.840.90838232.629320.920.760.93845155.646320.880.8750.89839387.0470.920.780.93846343.95280.860.920.87840490.335450.910.80.92847025.518780.840.940.85840428.178360.90.840.91848844.717190.820.970.83840745.981570.880.880.89850055.826990.80.990.81840593.596430.860.920.87851165.588690.781.010.79840401.109940.840.960.85852174.00230.761.040.77840558.507750.820.9750.83851754.04110.810.81851814.216540.781.020.79851558.31258Hr=106m Hav=113mmQ11PmQ11P0.820.460.83831210.183250.820.450.83833605.46170.840.480.85833344.406640.840.470.85835936.723640.860.510.87836254.269630.860.50.87839121.712240.880.550.89839988.350910.880.550.89844014.154160.90.60.91844595.229160.90.580.91847448.666210.910.640.92848086.417040.910.610.92850446.512220.930.680.94852192.934870.930.670.94856602.612180.940.710.95855070.412070.940.70.95859760.866120.940.760.95858948.610110.940.740.95863175.772760.930.780.94859868.366470.930.760.94864205.948140.910.80.92860108.021290.910.80.92866159.360290.90.840.91862433.320820.90.830.91867900.67750.880.880.89863981.361460.880.870.89869622.38930.860.920.87865399.858940.860.910.87871201.516280.840.950.85865994.138140.840.940.85871873.447280.820.9750.83866152.018860.820.970.83872438.439660.810.81866228.93510.80.990.81872167.528490.781.020.79865901.838650.781.010.79871825.3249 Hmax=120 mQ11PmQ11P0.820.450.83836775.740770.930.760.94870263.02230.840.4750.85839745.301380.910.80.92872400.715850.860.4950.87842384.260660.90.8250.91873858.677460.880.4540.89839759.149580.880.8470.89874176.210770.90.5750.91851477.260050.860.910.87877918.53980.910.610.92855205.545830.840.940.85878653.859570.930.640.94859168.860880.820.970.83879272.152320.940.690.95864464.33350.80.990.81878975.683870.940.740.95869135.662010.781.010.79878601.19741(4) 在曲线=f（P）上过某效率值水平线与曲线相交，记下各点P，H值。将各点P值绘在坐标图上，将各点连成光滑曲线，即为某的效率值。绘制出力限制线。在HrHmax之间，是一条P=Pr的直线。在HminHr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。各方案的曲线见图图1-5图1-6图1-7图1-8二、等吸出高度线的绘制1、方案二的计算绘图如下表1-4方案C等吸出高度表H Q11P Hs770.080.710.740.417657.882.10.090.770.80.5526248.21.330.10.80.830.6431688.7360.560.110.850.880.8946721.796-0.21900.080.790.820.530907.030.80.090.870.90.7550883.525-0.10.10.850.880.9361693.4472-10.110.80.830.9961942.2111-1.91060.070.840.870.5142752.26980.260.080.910.940.6357060.8388-0.80.090.850.880.9177160.2832-1.860.10.80.830.9979174.0818-2.920.110.7750.8051.0581443.2185-3.981130.070.870.90.5552496.73-0.370.080.910.940.6362805.1788-1.50.090.850.880.9386794.5936-2.630.10.810.840.9887303.6528-3.760.110.780.811.02588051.3335-4.891200.070.9050.9350.62567822.5625-10.080.910.940.887277.12-2.20.090.850.880.8889876.864-3.4图1-9表1-5Hs-1-2-3-4HPPPP90245002100019600161001062670023000209101810011329870258702287020870120314562945627456254561206782286377943009700411361805803358730089304106590617836079373824439057089729887433077650图1-102、 方案3的计算绘图如下表1-6H Q11P Hs1200.070.890.9080.5851359.2578-1.0010.080.9250.9430.83576789.71668-2.2010.090.8520.870.93579329.6906-3.4010.10.8350.8530.9982354.83905-4.6010.110.7850.8031.0279876.79192-5.8011130.070.860.8780.53541859.88361-0.3710.080.9480.9660.83571880.86927-1.5010.090.850.8680.9472710.52783-2.6310.10.8150.8330.99874084.14298-3.7610.110.780.7981.02572891.43082-4.8911060.070.8250.8430.4832760.261690.2590.080.9090.9270.8160791.56212-0.8010.090.8550.8730.93866297.26802-1.8610.10.8030.8211.00366668.80034-2.9210.110.7750.7931.0366128.54425-3.981900.080.810.8280.5428321.395060.7990.090.870.8880.7542185.65287-0.1010.10.840.8580.94551358.18199-1.001图1-11表1-7Hs-1-2-3-4HPPPP90270002400022000200001062870025000231002210011331870298702487025870120334563345628456274561206635976789783298235411361880717107205574084106597916329765668663389051789567896008963006图1-123.最终方案3和方案4的综合特性曲线入下图图1-13 方案3综合特性曲线图1-14 方案4综合特性曲线第三节 技术经济指标算一.据所绘制的运转特性曲线计算各方案的平均效率利用面积法求各方案的平均效率式中1 、2 为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。具体结果见表1-8. 表1-8 平均效率的比较方案三(1+2)/2Ai(1+2)Ai/20.830.10.0830.850.40.340.870.50.4350.8921.78Ai(1+2)Ai/2(%)60.8888%方案四(1+2)/2Ai(1+2)Ai/20.830.50.4150.8510.850.871.51.3050.8932.67Ai(1+2)Ai/2(%)60.8787%二.机电设备投资估算方案3：装机台数4台、转轮直径3、单机7.5万千瓦1、水轮机投资估算（1）水轮机单重（2） 水轮机总重（3） 转轮重量（4） 发电机重量式中：KG-估算系数，悬式机组范围为810，伞式机组79 Nn-容量（KVA）（5） 转子带轴重量（6）起重机选择：本电站属于大中型水电站一般选双小车桥式起重机根据转子带轴重量为166.5和以下求得厂房的宽度为19.8m查水力机械分册P327选2*200/40t的双小车桥式起重机（7）机电设备总费用 （8） 安装运输费 （9） 总费用 （10） 总耗钢量 2、发电机及电气部分投资估算（1）发电机总重（2） 发电机总价（3） 变压器总重（4） 变压器总价（5）开关总价根据设备手册P420选LW1-220断路器得开关设备总价为 （6） 自动化设备总价（7） 运输总费用（8） 总费用（9） 总耗钢量3、机电投资估算汇总（1）总费用（2） 总耗钢方案4：装机台数5台、转轮直径2.75m、单机6万千瓦1、水轮机投资估算（1）水轮机单重（2） 水轮机总重（3） 转轮重量（4） 发电机重量式中：KG-估算系数，悬式机组范围为810，伞式机组79； Nn-容量（KVA）（5） 转子带轴重量（6）起重机选择本电站属于大中型水电站一般选双小车桥式起重机根据转子带轴重量为143.55和以下求得厂房的宽度为19.8m查水力机械分册P327选2*150/25t的双小车桥式起重机（7）机电设备重（8） 安装运输费（9） 总费用 （10） 总耗钢量2、发电机及电气部分投资估算（1）发电机总重（2） 发电机总价（3） 变压器总重（4） 变压器总价（5）开关总价：根据设备手册P420选LW1-220断路器得开关设备总价为（6） 自动化设备总价（7） 运输总费用（8） 总费用（9） 总耗钢量3、机电投资估算汇总（1）总费用（2） 总耗钢第四节 最优方案选择表1-9 水力机械投资估算表方案 项目 三四水轮机单重(吨/台)154533.5水轮机总重(吨)6162667.5水轮机单价(万元/吨)7.52.5水轮机总价（万元）770033343调速器单价(万元/台)8080调速器总价(万元)160320起重机重量(吨)360250起重机总价(万元)21601500辅助设备投资(万元)1541039628安装运输费(万元)12333170.3总投资(万元)1664342799.05总耗钢量(吨)9762917.5表1-10 电气部分投资估算表方案 项目 三四发电机单重(吨/台)370319发电机总重(吨)14801595发电机单价(万元/吨)1515发电机总价(万元)2220023925变压器、开关总价(万元)3882814664自动化设备总价(万元)6102.83858.9设备安装运输费(万元)5370.4643395.832总投资(万元)72501.26445843.732总耗钢19642321表1-11 各方案综合比较表方案 项目 三四最大水头Hmax(米)120120最小水头Hmin(米)7777平均水头Hp(米)107.35107.35装机容量Ny(万千瓦)3030水轮机型号HL180-46HL180-46单机容量N(万千瓦)7.56机组台数45转轮直径D1(米)32.75机组转速(转/分)250250水轮机平均效率88%87%总投资(万元)89144.388643.7总耗钢量(吨)29405238.5比较结果方案三较优由于方案三与方案四造价基本一样，而方案三的耗钢量少并且平均效率较高通过综合比较，此次设计最终决定选用方案三，其主要参数为表1-11所示。第五节 金属蜗壳的水力设计一、 蜗壳型式、断面形状和包角的确定1、由于本站应用水头为：77-120m40m,故采用钢板焊接蜗壳。2、金属蜗壳断面一般均为圆形，仅当蜗壳尾部用圆断面不能和座环蝶形边相接时，采用椭圆形断面。3、圆断面金属蜗壳的的包角一般均为345。二、进口断面的半径的计算1、进口断面流量2、进口断面流速由于电站设计水头为106m，根据蜗壳进口断面平均流速曲线查得进口断面流速V0=9.5m/s。3、进口断面面积4、进口断面半径三、确定座环的尺寸1、根据已知转轮直径D1=3m查金属蜗壳座环尺寸表得 -水利机械P 131 表1-12 名称Da(m)Db(m)K(m)R(m)座环参数4.7540.1250.32、活动导叶高度3、固定导叶高度 4、 进口断面中心距 5. 蜗壳系数： 当 S时，采用圆断面根据上式圆断面各数值如表1-13：表1-13蜗壳圆形断面计算表断面号/Cr0h2xx2iiR13450.269992.50.261.04401.31401.72661.40943.81405.223423300.258252.50.261.01551.27371.62251.37203.77375.145833150.246512.50.260.98611.23271.51951.33403.73275.066743000.234772.50.260.95591.19071.41781.29533.69074.986052850.223032.50.260.92471.14781.31741.25593.64784.903762700.211302.50.260.89241.10371.21831.21583.60374.819672550.199562.50.260.85891.05851.12041.17493.55854.733482400.187822.50.260.82401.01191.02391.13313.51194.645092250.176082.50