水电站课程设计.docx
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水电站课程设计
《水电站》课程设计
说明书
院系:
水电学院
专业:
水利水电工程
姓名:
学号:
指导:
第一章基本资料··································1
第二章机组台数与单机容量的选择··················2
第三章水轮机型号、装置方式的确定················2
第四章水轮机特性曲线的绘制······················9
第五章蜗壳的设计································11
第六章尾水管的设计······························12
第七章发电机的选择······························14
第八章调速设备的选择····························16
第一章基本资料
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,厂房型式为引水式。
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:
水库调节性能年调节
保证出力4万kw
装机容量16万kw
多年平均发电量42000kwh
最大工作水头38.0m
加权平均水头36.0m
设计水头36.0m
最小工作水头34.0m
平均尾水位152.0m
设计尾水位150.0m
发电机效率96%-98%
第二章机组台数与单机容量的选择
水电站总装机容量等于机组台数和单机容量的乘积,在总装机容量确定的情况下可以拟订出不同的机组台数方案,当机组台数不同时,则当单机容量不同,水轮机的转轮直径、转速也就不同。
有时甚至水轮机的型号也会改变,从而影响水电站的工程投资、运行效率、运行条件以及产品供应。
在确定水电站机组台数和单机容量时,综合考虑下面的因素:
(一)机组台数与工程建设费用的关系;
(二)机组台数与设备制造、运输、安装及枢纽布置的关系;
(三)机组台数与水电站运行效率的关系;
(四)机组台数与水电站维护的关系;
(五)机组台数与电气主接线的关系;
从而初步确定水电站采用4台机组,每台机组装机容量4万千瓦。
4万千瓦×4=16万千瓦
满足水电站要求。
第三章水轮机型号、装置方式的确定
由基本资料,根据水电站的工作水头范围,在反击式水轮机系列型号谱表中查得HL240型水轮机和ZZ440型水轮机都可以使用。
这样,将两种水轮机列入比较方案,并对其主要参数分别进行计算。
(一)HL240型水轮机的方案主要参数的计算
1、确定水轮机的转轮直径
由N=和可得(4-50)
HL240型水轮机的最优转速,在HL240型水轮机主要综合特性曲线上查得单位流量L/s。
由于转轮直径尚未确定,原型水轮机的效率η目前不能求出,初步假定原型水轮机在该工况点的效率为92%。
则由公式(4-50)可得到m
转轮直径应该符合水轮机转轮的标准尺寸系列。
通常是选用比计算值大的标准直径作为水轮机的标称直径。
查表4-6,取与之接近而偏大的标准直径m。
2、效率修正值计算
可查得HL240型水轮机在最优工况下的最高效率,模型转轮直径m,则原型水轮机的最高效率为
考虑到制造工艺水平的情况取,由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型基本相似,故认为,则效率修正值
水轮机在限制工况(也即设计工况)点的效率应为
与原来的假定基本符合。
3、确定水轮机的转速
计算水轮机转速的公式
其中为最优单位转速,即
HL240模型水轮机的最优单位转速r/min,H采用设计水头,则水轮机转速的计算值值为(r/min)
查表4-7,选用与之接近而偏大的发电机标准同步转速。
取r/min。
4、确定水轮机的吸出高
根据选到的m,r/min和水轮机的设计水头m可计算出在设计工况点水轮机的最大单位流量和相应的单位转速。
根据式(4-50)得
(m3/s)
(r/min)
由和可在图4-4中查出对应的空蚀系数为,从图3-16中可查得空蚀系数的修正值,由此可求得水轮机的吸出高为
(m)
(注:
对于水电站站址处海拔高度,在初步计算时可采用水电站尾水的平均水位。
)
5、工作范围的验算
在最大水头时,有
在最小工作水头时,有
在HL240型水轮机的模型综合特性曲线图上,分别画出,和的直线,三线所包围的水轮机工作范围包含了该特性曲线的高效区.所以该设计是合理的。
(二)ZZ440型水轮机的方案主要参数的计算
1、转轮直径的计算
=
对于值,可由附表水轮机主要参数查得该型水轮机在限制工况下的,同时还查得汽蚀系数。
但在允许的吸出高时,则相应的装置汽蚀系数为:
所以,为满足对吸出高的限制,值可在ZZ440型综合特征曲线图上依工况点查得1.08.同时亦可查该工况点上,由此可初步假定水轮机的效率为.
将以上各之代入上式,便可求得:
选择标注直径=4.5m.
2、效率修正值计算
对轴流转浆式水轮机,叶片在不同转角时的最大效率可用公式计算,即:
已知代入上式,则得:
叶片在不同转角时的值可自图ZZ440型水轮机模型综合特性曲线查得,由此便可用上式求的相应于该角时的水轮机最高效率,并将计算结果列于表3-2.
表3-2ZZ440型水轮机效率修正值计算表
叶片转角
-10
-5
0
+5
+10
+15
84.9
88.0
88.8
88.3
87.2
86.0
90.2
92.2
92.7
92.4
91.7
90.9
5.3
4.2
3.9
4.1
4.5
4.9
4.3
3.2
2.9
3.1
3.5
3.9
当选取制造工艺影响的效率修正值和不考虑异形部件的影响时,便可计算得不同角时效率修正值为:
将的计算结果亦同时列入表3-2中。
由附表水轮机主要参数查得在最优工况下模型的最高效率,由此最优工况很接近于的等转角线,故采用效率修正值,这样便可得出原型水轮机的最高效率为:
已知在限制工况模型的效率为:
,而该点处于与两等角线之间,用内插法可求得该点的效率修正值为,由此可求得水轮机在限制工况下的效率为:
与假定的效率差小于,所以不用修正。
3、转速的计算
由于
所以不考虑的修正,由此求得水轮机的转速为:
选用与之接近的标准同步转速n=166.7
4、工作范围的验算
在选定的的情况下,水轮机为:
则水轮机的最大引用流量为:
各特征水头下相应的值列表如下:
表3-3
项目
水头(m)
38
36
34
单位转速()
121.69
125.03
128.65
在ZZ440型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出,,的直线,三线所包围的水轮机工作范围包含了该特性曲线的部分高效区.所以该设计是不合理的.
5、吸出高程的计算
由水轮机的设计工况()在ZZ440型水轮机模型综合特性曲线图上查得相应的汽蚀系数;由设计水头在汽蚀系数的修正曲线图上查得,则可求得水轮机的吸出高为:
6、安装高程
(三)两种方案的比较
由上表可见,HL240型水轮机的转轮直径比ZZ440型的小,而且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少电站厂房的开挖工程量.ZZ440型水轮机方案的机组转速较高,有利于减少发电机的尺寸,减低发电机的造价,但是,这种机型的水轮机调节系统的造价较高.根据以上分析,在制造供贷方面没有问题时,初步选定HL240型的方案比较有利.
(四)装置方式的确定
在大型水电站中,其数轮发电机组的尺寸较大,安装高程也较低,因此其装置方式多采用竖轴式,这样使发电机的安装位置不容易受潮,机组的转动效率较高,而且水电站厂房的面积较小,设备布置较方便。
第四章水轮机运转特性曲线的绘制
水轮机运转特性曲线是针对原型水轮机绘制的,它直接的反映了原型水轮机在各种工况下的特性,水轮机运转特性曲线是在转轮直径和转速为常数时,以水头H为纵坐标和出力N为横坐标,绘制的几组等值线.
1、等效率线.的计算与绘制
在水轮机工作水头变化范围内取,,三个H值,绘出对应每个H值的工作特性曲线,在该图上作出各效率的直线,与图中的各线相交,读出所有交点的H,N值并将点绘制在H~N图上,并连成光滑的曲线,这就是该效率的值的等效率曲线,同理也可以得出其他的等效率曲线。
2、出力线的绘制
水轮机最大出力受到发电机额定出力和水轮机5%出力贮备线的双重限制,在运转综合特性曲线图上,H≥Hr时的出力线为N=Hr的一段垂直直线,H
3、等吸出高度线的计算与绘制
等吸出高度线可按下列方法步骤绘制:
1根据等效率曲线计算表中和作不同水头下的辅助曲线;
2在相应的模型综合曲线上,作以各水头下为常数的平线,它与等气蚀系数线分别相交于许多点,记下各点的和值,并将其列入表中,表中值可由在气蚀系数的修正曲线;
3由上述已知的可在辅助曲线上查的相应的N值,并记入表中;
4由公式计算出各值时相应的吸出高,并列入表中;
5根据表中对应的和N作个水头的的辅助曲线,如附图所示;
6在的辅助曲线上,作某一(如=-3m)为常数平线,它与该辅助曲线交于许多点,并可得出各交点上的H、N值在各点落在H-N坐标场里并连接成光滑曲线,即为吸出高(=-3m)的等吸出高曲线,如附图。
第五章蜗壳设计
一蜗壳型式的选择
由于所设计的水电站水头小于40m,为了节约钢材,且梯形断面与圆形断面相等时,梯形断面可以沿轴向上下延伸,与圆形相比径向尺寸较小,可以减少厂房的面积和土建投资,所以本设计采用了混凝土蜗壳,并采用平顶梯形断面.
二参数的选择
1断面形式
因为,本设计采用了平顶梯形,所以n=0。
当n=0时,γ=10°~15°,=1.5~1.7可达到2.0,本设计选用γ=12°,=1.6。
2包角选择
从蜗壳的鼻端至蜗壳进口断面之间的夹角称为蜗壳包角,常用来表示,对于混凝土蜗壳由于勘测流量较大,允许的流速较小,通常采用=180°~270°,本设计采用=270°.
3进口平均流速的确定
当蜗壳的断面形式及包角确定后,蜗壳进口断面均流速是决定断面尺寸的主要参数,
三蜗壳的水利计算与蜗壳单线图的绘制
(1)断面尺寸
根据公式,其中,查《水电站设计手册》(水利机械卷)表12-15,可知=6.35m=5.5m
解得a=3.53mb=5.65mm1=4.15mb0=1.5m
(2)确定中间断面顶角点的变化规律
根据《水电站》可知中间断面面积Fi与包角的关系为,所以是直线,在进口断面做出若干个中间断面,结合已知数据可以求出每个断面的面积Fi.
(3)蜗壳单线图的绘制
1
2
3
4
5
6.71
6.335
5.975
5.565
5.065
4.415
3.53
3.160
2.800
2.390
1.890
1.200
4.15
3.67
3.26
2.78
2.20
1.44
270
225
180
135
90
45
18.76
15.
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