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轴流式水轮机毕业设计

轴流式水轮机毕业设计

任务书、基本资料和指示书

河海大学水电学院动力系

二○○六年三月

轴流式水轮机毕业设计

任务书

一、设计内容

根据原始资料，对指定电站、指定原始参数进行机电部分的初步设计，包括：

轴流式水轮机的选型、发电机选型，调保计算及调速设备选择，混流式水轮发电机组的辅助设备系统设计，电气一次部分设计。

二、时间安排（供参考）

1、轴流式水轮机的选型、发电机选型5.5周

2、调保计算及调速设备选择0.5周

3、辅机系统2周

5、电气部分2周

6、整理成果1周

7、评阅答辩1周

8、机动0.5周

总计12.5周

三、成果要求

1、设计说明书：

说明设计思想，方案比较及最终结果，并附有必要的图表。

2、设计计算书：

设计计算过程，计算公式，参数选取的依据，计算结果。

3、图纸：

主机成果图、水系统图、气水系统图、电气主结线图，共5-6张（含CAD设计图），规格1号图。

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基本资料

富春江水电站位于浙江北部钱塘江上游富春江上，造成后接入华东电网向金华等地供电。

富春江水电站坝址选在七里垅峡口，上距新安江水电站约60公里，下距杭州市110余公里，，地理位置优越。

水库为日调节，总库容9.2亿立方米。

电站以发电为主，并可改善航运，发展灌溉及养殖事业等综合效益。

电站为河床式，公路从左岸进入厂房。

本电站装机有下列反案：

方案序号

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

Ⅶ

Ⅷ

Ⅸ

Hmax

米

24.5

22

20.5

H平均

米

16

14

12.5

Hmin

米

10

8

9

N装机

万千瓦

35

32

29

32

30

28

31

28

25

利用小时数

小时

3200

3250

3450

3350

3350

3700

3160

3200

3500

保证出力

万千瓦

6

5.1

4.5

本电站下游特征洪水位如下：

万年一遇洪水位▽15.6（Q=43100米3/秒）

千年一遇洪水位▽14.6（Q=29400米3/秒）

本地区年平均气温为16.0℃,实测最高气温为40.5℃,雨日约175天,以五月份为最集中.

本电站建成后将承担峰荷,也承担部分基荷,有调相任务,本电站将在120公里外的金华变电所接入系统（电力系统结线见附图）并向七里垅镇供电2-3万千瓦。

参考文献

一、水轮机刘大恺主编

二、水轮机设节沈祖诒主编

三、水力机组辅助设备范华秀主编

四、水电站电气部分季一峰主编

五、水电站动力设备设计手册络如蕴主编

六、水轮机设计手册哈尔滨大电机研究所主编

七、水电站的水轮机设备（苏）莫洛仁夫主编

八、发电厂（下册）华中工学院主编

九、发电厂变电所电气设备湖南省电力学校主编

十、电力工程设计手册（第一册）西北、东北电力设计院主编

十一、电力工程设计手册（第二册）西北、东北电力设计院主编

十二、水电站机设计技术规程

十三、电力系统规划设计手册（影印摘编本）

十四、电力工程西安交通大学主编

十五、水力机械华东水利学院编中国戒严出版社1961年版

十六、水电站机电设计手册电工一次水利电力出版社

十七、水电冲机电设计手册水力机械水利电力出版社

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指示书

第一节轴流式水轮发电机组选型设计

一、选型设计要求

根据给定的电站资料，选择水轮发电机及其附属设备。

设计过程为：

拟定几个可能的方案，对各初拟方案分别求出其动能经济性并进行综合比较，最后选出最佳方案。

二、选型设计的程序

（一）按给定特征水头决定机组型号。

（二）拟定机组台数。

（三）确定水轮机的标准直径和标准转速。

（1）利用型谱表给定的最优参数和限制工况参数计算水轮机直径D1，并选用标准值。

（2）利用最优工况的

和计算出的标准直径D1，计算水轮机转速n，并选用同步转速。

（3）按计算所得的标准直径D1，同步转速n，分别用给定的特征水头（Hmax，Hr，Hmix）在综合特性曲线上画出水轮机工作范围，初步选出较优方案进行详细计算。

（四）技术经济指标计算

（1）动能经济指标计算

1、在初拟方案中优选出3-4个待选方案。

2、利用综合特性曲线绘制各待选方案的运转特性曲线。

3、利用面积法求各方案运转特性曲线的平均效率。

4、按效率差值求出电能差最后折算成投资差（0.30元/kw.h）。

5、求最优方案的Hs值。

（2）机电设备投资和耗钢量。

1、机电部分包括：

水轮机、发电机、调速器、辅助设备、起重设备、开关设备、变压器，以及设备运输、安装费用等，对每一方案应算出其总设备造价，并折算成单位千瓦投资。

2、算出每一方案的总耗钢量和单位千瓦耗钢量。

以上关于设备的投资和耗钢量估算，单价可参考表一，计算方法可参阅参考资料十五附录Ⅲ，或参阅参考资料五，机电设备重量及价格亦可直查阅有关产品目录或样本。

方案比较时电气主结线可先统一按“发电机一变压器”单元结线。

高压按单母线结线。

电气部分自动化设备总价按发电机变压器及开关总价的10%计。

（3）水轮机运行性能比较

根据水电站在电力4系统中的运行方式，水轮机在计算水头下的效率值，汽蚀性能，运行管理方式进行综合分析。

三、各待选方案的综合比较

上述各项计算可自编程序，采用微型计算机进行。

表式参见表二～表五。

表一主要机电设备参考单价表

项目

参考价格

水轮机

2.5万元/吨

发电机

3.0万元/吨

调速器

80万元/台

桥式起重机

1.2万元/吨

变压器、开关设备

4.0万元/吨

油压装置（不含油）

3.0万元/吨

表二水轮机方案比较综合表

方案

项目

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

最大水头Hmax（米）

最小水头Hmin（米）

平均水头Hp（米）

装机容量Ny（万千瓦）

水轮机型号

单机容量N（千瓦）

机组台数

转轮直径D1（米）

机组转速（转/分）

受阻容量（千瓦）

计算水头（米）

水轮机最高效率

水轮机平均效率

模型最高效率时的n′1

总投资（万元）

单位千瓦投资（元/千瓦）

总耗钢量（吨）

单位千瓦耗钢量（公斤/千瓦）

比较结果

表三水力机械投资估算表

方案

项目

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

水轮机单重（吨/台）

水轮机总重（吨）

水轮机单价（万元/吨）

水轮机总价（万元）

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（包括主阀）

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）

表四电气部分投资估算表

方案

项目

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

发电机单重（吨/台）

发电机总量（吨）

发电机单价（万元/吨）

发电机总价（万元）

变压器、开关总价（万元）

自动化设备总价（万元）

设备安装运输费（万元）

总计（万元）

单位千瓦投资（元/千瓦）

单位千瓦耗钢量（公斤/千瓦）

水轮机方案比较机电投资总表

方案

项目

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

水力机械部分

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）

电

气

部

分

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（吨/千瓦）

机电投资总计

总投资（万元）

总耗钢量（元/千瓦）

单位千瓦投资（元/千瓦）

单位千瓦耗钢量（吨/千瓦）

四、最优方案主要参数。

（列表）

五、计算最优方案的进、出水流道

1、蜗壳计算。

（画出单线图）

2、尾水管计算。

（画出单线图）

六、绘制厂房横剖面图

1、按主机及电机外形尺寸定出厂房主要尺寸。

2、按下游水位和Hs定出主厂房各层标高。

3、按发电机层标高求出水轮机主轴长度。

4、按主轴长度和起重机尺寸决定厂房高度。

5、初步绘制厂房横剖面图，（待以下各节其他部分设计完成后，再作修改，正式绘制）。

（一）厂房各层高程的确定。

（1）根据已选定的机型计算出水轮机动性吸出高度Hs的大小以及下游最低水位（一台机组满负荷情况下泄流量水位）。

确定水轮机的装置高程。

根据已选定的尾水管型式尺寸，可定出水电站厂房水管底板高程。

岩基上尾水管的底板厚度约为0.5米，较坏的地基底板厚度在3米以下。

但尾水管出口顶部高程，应在下游最低水位以下至少0.75-1.0米。

（2）水轮机层地面高程决定：

根据蜗壳最大断面处顶部高程，加上蜗壳上部混凝土保护层的厚度（大致取1.0米左右），这样就可定出水轮机层地面高程。

（3）发电机层地板高程的决定：

发电机层地板高程，应高出下游最高水位以上，并且照顾到水轮机顶盖到发电机推力轴承之间，要有足够的空间（约3-4米）以利于运行维护。

若下游最高水位变化较大，发电机层要布置在下游最高水位以上，则必增加机组主轴的长度与土建工程量，这时发电机层可以布置低于下游最高水位，但对厂房要采取防洪措施。

对园筒式发电机机墩，其园筒壁厚度大约在1-1.5米左右。

圆筒内径（水轮机井）应有足够空间，能把水轮机从井中吊出。

机墩上进入孔宽约1米，高约2米左右，按结构要求进入孔顶部应有1米左右的厚度。

发电机层地板以上必须有足够高度，使吊车在吊起发电机转子或水轮机转轮时能在厂房内通行，不妨碍到其他机组运行以及人行。

这样可以确定吊车梁上轨道的高程。

再加上吊车的高度以及厂房梁架高度，可定出厂房顶的高程。

（二）厂房宽度的确定

主厂房的下部块体结构的宽度与厂房上部的宽度应相适应，下部块体结构平面尺寸，首先取决于蜗壳平面尺寸以及施工情况（二期混凝土），蜗壳四周混凝土厚度至少要有0.8-1.0米，对大型机组，这个数字还要大些，加上机组下游侧（二期混凝土以外）还有一个外墙的厚度（约1-3米范围）以及在机组的上游侧主阀需要的宽度（在二期混凝土以外）和外墙的厚度，这样厂房下部块体结构平面尺寸（宽度）也可大致定出。

厂房上部宽度除布置发电机外，而两旁必须有足够的通道），若厂房内布置有主阀，必须注意到阀门须在吊车范围线以内，并且要注意到厂房的柱子不能支承在蜗壳的上方。

第二节调节保证计算及调速设备选择设计

一、任务

选取导叶接力器直线关闭时间，使相应的ξ和

值不超过相应规程规定的数值，选取接力器，调速器和油压装置的尺寸和型号。

二、调保计算工况选择，应对设计水头和最高水头甩全负荷两种工况进行计算，应使两个

和ξ均不超过规程的值。

在电站布置型式为单机单管时，只要对一台机组甩全负荷进行计算。

在引水式电站上，有时几台机共一根压力钢管，此时水击情况比较复杂，在初步设计时可简化计算，对联在一根钢管上的机组全部同时甩负荷计算，此为最危险的工况。

此时把它们化为一个等效机组进行计算，即取分叉管最长的一台机组来计算分叉管的

LV，而压力总管中的

LV进行计算即可。

三、调保计算步骤

先对设计工况计算，给定Ts值，一般电站Ts可在4-8秒内选取，计算ξ和

；若超过允许值，则适当调整Ts，并再计算，如满足要求，则计算最大水头甩全负荷；此时因为最大水头带全负荷时导叶开度比较小，故实际关闭时间将不是Ts，而是

或

式中：

和

分别是在Hmax和Hp带全负荷时的导叶开度；

和

分别是Hmax和Hp甩全负荷时导叶接力器的直线关闭时间，如最大水头甩全负荷时ξ和

超过规定值，则还要调整Ts，并重新对设计工况进行计算，如满足要求，则计算结束。

四、调保计算公式

建议参考参考资料二或六。

转浆式水轮机的桨叶关闭时间可选为导叶关闭时间的5-7倍，并应适当考虑水流惯性，可参看考资料二。

五、原始数据取得

1、

LV应按从进水口至尾水管出口分段进行计算然后叠加。

其中钢管部分和尾水管部分的

LV通常是全部计入的，而蜗壳

LV有时取一部分（如一半），因为蜗壳并不是全部串联在管路中，压力钢管流道可取经济流速约5米/秒左右，遂洞内流速约为3米/秒左右。

2、发电机GD2，可根据同型号发电机在手册中查得。

（参考资料五和七）或按下列公式近似计算：

GD2=（4.5-5.5）

（吨米2）

其中：

Di——定子铁芯内径。

Li——定子铁芯高度（单位均为米）。

六、调速设备选择计算：

参看参考资料二和六。

新的大中型电站一般应选用电调。

选油压装置时先不考虑主阀等其他设备用。

第三节轴流式水轮发电机组的辅助设备

一、水系统

1、技术供水

（1）确定哪些设备用水进行冷却、润滑、操作的，按参考资料三或参考资料所述的方法进行用水量估算，水温按250C考虑。

（2）水源和供水方式

根据电站水头，按参考资料十二的规定，确定供水方式。

如所采用的供水方式不符合规程规定，应通过技术经济比较进行论证。

供水设备选择，确定滤水器型式和个数；

采用水泵供水时，应首先确定设备配置方式，再根据水压水量要求选择水泵，并按参考资料十二的要求设置备用泵，校验吸水高、确定是否设置起动充水设施。

采用射流泵供水时，应按参考资料五所介绍的方法，确定射流泵的主要参数。

2、消火和生活供水

（1）发电机消火：

按已确定的发电机尺寸，定消火环管布置直径，并按参考资料三确定环管直径，定消火水量及水压要求。

（2）厂房消火：

按每个消火栓用水量2.5升/秒，两个同时工作考虑。

（3）油库及变压器的水喷雾消火：

另设系统，本设计可暂不考虑。

（4）生活供水：

考虑厂房内运行，检修人员的卫生用水及饮用水。

用水量较小，可不予计算，但供水可靠性应予保证。

（5）根据电站水头及引水方式确定消火供水方式，选择供水设备。

3、检修排水

（1）排水体积估算

1根据电站具体情况确定检修时下游尾水位。

2钢管段：

蝴蝶阀或进口闸门至蜗壳进口段。

3蜗壳：

分段计算，中心流线按长度量取，近似按圆台或棱台计算；或取始末断面平均值，近拟按圆柱体或棱柱体计算。

4尾水管：

分三段计算，直锥段按圆台计算。

弯肘段中心流线按长度量取，取始末断面平均值，近似按棱柱体计算。

水平段按棱台计算。

（2）上下游闸门漏水量估算。

（3）检修排水泵选择。

4、渗漏排水

（1）参考类似已建电站确定集水井有效容积，确定集水井在厂房中的位置。

（2）选择渗漏水泵。

5、绘制水系统图

供水和排水，渗漏和检修排水，一般分开设置系统，亦可考虑有一定联系，水泵互为备用。

根据表达清楚的需要，供水、排水可绘在同一张图上，亦可分开绘两张图，图上应标明主要管道的管径，自流供水按V=1.5-7米/秒，与水泵连接的管道，按水泵出口流速。

图上应示出必要的自动化元件。

二、气系统

1、确定厂内压缩空气供气对象及各用户对气压的要求，设置厂内综合供气系统。

2、各用户的用气量计算，参阅参考资料三所介绍的计算方法

计算中应注意以下问题：

①按照对电气主结线及运行方式的初步考虑，分析确定同时制动机组台数，进行制动用气计算。

②调相计算时，空压机选择，应考虑按全厂的所有机组同时进行调相的条件，但依次投入。

调相用气量的大小随下游尾水位的高低而变化。

调相贮气缸的选择应考虑在调相可能的最高尾水位时压水所需的用气量。

③蝶阀围带用气量较小，可不予计算。

但其气压要求应予保证。

④如电气部分选用空气断路器，则在厂外设压缩空气系统，本设计可暂不考虑。

3、选择贮气罐和空压机

参阅参考资料三所介绍的计算方法，及参考资料所载的设备型号规格。

4、绘制气系统图

高低压系统可分开设置，亦可有一定联系。

对于干燥要求较高的压缩空气用户，应对气考虑干燥措施，如热力干燥。

对于供气可靠性要求较高的压缩空气用户，应有保证措施，如设置专用系统或设置经止回阀连结的专用贮气罐。

三、透平油系统

1、确定透平油用户，设备用油量估算。

参阅参考资料五。

2、桶和油处理设备选择，按参考资料三所介绍的计算方法，及参考资料五所载的设备型号规格。

四、成果要求

1、水、气、油系统设计说明书，计算书各一份。

2、水、气系统图各一份。

第四节电气部分

一、设计要求

（一）符合国家经济建设的各项方针和政策。

（二）符合国家或部颁的各项设计规程和要求。

（三）在满足必要的供电可靠性和灵活性及保证电能质量的前提下，力争降低投资及年运行费用。

（四）尽量采用新技术和选用技术经济指标先进的设备及材料。

二、接入系统设计

（一）分析已知条件

1、分析本电站在电力系统中的地位，考虑本电站对系统送电的要求及最少送电回路数。

2、根据电力系统地理接线图，考虑本电站可能接入的地点及电压等级。

（二）估算送电容量

1、送电容量=本电站最大出力-近区供电负荷-本电站自用电负荷+有可能通过本站转送的容量。

2、水电站自用电负荷按电站装机容量的（0.3-1.0）%估算，电站容量越大，比例数越小。

（三）根据

（一）、

（二）两项，以及各级电压线路的输送容量与送电距离的关系（参见参考资料四1-5节），提出几个技术上可能的接入系统的方案。

1、方案应包括接入系统地点，电压等级和送电回路数。

2、方案不宜过多，应剔除明显不经济方案。

（四）选择各方案送电线路的截面

1、计算送电线路工作电流

（安）

式中：

P——送电容量（千瓦）；

nxl——送电回路数；

U——送电线路定线电压（千伏）；

cos

——送电功率因数，考虑到电力系统的经济性，升压变的功率损耗和近区负荷用电及自用电负荷的功率因数较低等原因，送电功率因数（cos

）可取略高于发电机的额定功率因数（cos

），如cos

=0.8，取cos

=0.85，取cos

=0.9等。

2、一般按经济电流密度选择送电线路导线截面。

参见参考资料四1—5节，参考资料十4-9节。

3、送电线路导线通常选用钢芯铝铰线（LGJQ型）。

参见参考资料十一40—1节。

4、按最大允许长期工作电流校验导线截面。

参见参考资料四4—9节，参考资料十4—9节和附录1—4节。

5、按电晕条件校验导线截面。

参考资料同上。

6、列表说明接入系统方案。

表式见表六。

表六

方案

一

二

三

接入系统地点

送电线路电压等级

KV

送电回路数

送电线路长度

KM

送电线路导线型号

（五）各方案技术经济比较（如方案优缺点明显，比较可以简化）。

1、技术比较

从运行方式、安全性、可靠性、灵活性及扩建或分期建设的可能性等诸方面，阐述和比较各方案的优缺点。

2、经济比较

1）可只比较各方案中不同的部分。

2）由于方案的电压等级及回路数不同，有可能影响主接线，因此，必要时应结合主接线方案一并进行比较。

3）投资（K）比较，包括送电线路投资，本电站及接入系统处增加的变压器和配电装置（按单元计算）的投资等。

为简化起见。

不考虑因为方案功率损耗增加而增加的装机投资。

投资指标参见参考资料十三，参考资料十附录1—4节。

4）年运行费用（C）比较

（1）计算折旧费用（

a）

折旧费（a），占其投资（K）的百分比，可参考表七。

表七

变压器

配电装置

送电线路

铁塔

混凝土杆

6%

（6~10）%

4.5%

3%

（2）计算维护费用（CP）

（3）计算送电线路年电能损耗

为简化起见，不比较送电线路及变压器的无功功率损耗。

送电线路最大有功功率损耗

（千瓦）

（千瓦）

式中：

nxl——送电回路数；

nxl——线路电力损失常数（千瓦/兆瓦2。

公里），参见参考资料十附录1—4；

ΔPXLO——每回线路最大送电功率（兆瓦）；

PXL——每回线路长度（公里）；

L——每回线路最大线电流（安）；

IXL——导线单位长度电阻（欧/公里），参见参考资料十40-1节。

R0——送电线路年电能损耗，参见参数资料十四。

式中：

——最大功率损耗时间，其值查表八。

表八

最大负荷利用小时数（Tzd）

功率因素（cos

）

0.8

0.85

0.9

0.95

0.9

最大功率损耗时间（

）

2000

1500

1200

1000

800

700

2500

1700

1500

1250

1100

950

3000

2000

1800

1600

1400

1250

3500

2350

2150

2000

1800

1600

4000

2750

2600

2400

2200

2000

4500

3155

3000

2900

2700

2500

5000

3600

3500

3400

3200

3000

5500

4100

4000

3950

3750

3600

6000

4650

4600

4500

4350

4200

6500

5250

5200

5100

5000

4850

7000

5950

5900

5800

5700

5600

7500

6650

6000

6550

6500

6400

8000

7400

7350

7250

（4）计算变压器年电能损耗

一台双绕组变压器最大功率中随负荷变化的部分

（千瓦）

或

（千瓦）

式中：

——变压器电力损失计算常数（千瓦/兆瓦2），参见参考资料十附录1-4；

SB——变压器最大负荷（兆伏安）；

——变压器短路损耗（千瓦）；

——变压器额定容量（千伏安）；

一台三绕组变压器最大功率损耗中随负荷变化的部分。

（千瓦）

式中：

P1、P2、P3和Q1、Q2、Q3——相应地为通过1、2、3绕组的有功功率和无功功率（千瓦）；

V1e——1绕组的额定电压（千伏）。

三绕组变压器的参数计算，参见参考资料十四，2-3节。

变压器的年电能损耗中的不变部分，等于变压器的空载损耗ΔPo（千瓦），其值参见参考资料十三，参考资料十一，23一1节。

变压器的电能损耗

（度）

式中：

nB——并联运行变压器台数；

T——变压器年运行小时数。

（5）计算年运行小时数

（元）

y经济比较用价，取0.30元/度

（