水电站厂房的设计.docx
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水电站厂房的设计
绪论
水电站厂房是水电站主要建筑物之一,是将水能转换为电能的综合工程设施。
厂房中安装水轮机、发电机和各种辅助设备。
通过能量转换,水轮发电机发出的电能,经变压器、开关站等输入电网送往用户。
所以说水电站厂房是水、机、电的综合体,又是运行人员进行生产活动的场所。
其任务是满足主、辅设备及其联络的线、缆和管道布置的要求与安装、运行、维修的需要;为运行人员创造良好的工作条件;以美观的建筑造型协调与美化自然环境。
水电站厂区包括:
(1)主厂房。
布置着水电站的主要动力设备(水轮发电机组)和各种辅助设备的主机室(主机间),及组装、检修设备的装配场(安装间),是水电站厂房的主要组成部分。
(2)副厂房。
布置着控制设备、电气设备和辅助设备,是水电站的运行、控制、监视、通讯、试验、管理和运行人员工作的房间。
(3)主变压器场。
装设主变压器的地方。
电能经过主变压器升高到规定的电压后引到开关站。
(4)开关站(户外高压配电装置)。
装设高压开关、高压母线和保护措施等高压电气设备的场所,高压输电线由此将电能输往用户,要求占地面积较大。
由于水电站的开发方式、枢纽布置、水头、流量、装机容量、水轮发电机组形式等因素,及水文、地质、地形等条件的不同,加上政治、经济、生态及国防等因素的影响,厂房的布置方式也各不相同,所以厂房的类型有各种不同的划分,例如按机组工作特点可分为立式机组厂房、卧式机组厂房。
根据厂房在水电站枢纽中的位置及其结构特征,水电站厂房可分为以下三种基本类型:
1.坝后式厂房。
厂房位于拦河坝下游坝趾处,厂房与坝直接相连,发电用水直接穿过坝体引人厂房。
2.河床式厂房。
厂房位于河床中,本身也起挡水作用,如广西西津水电站厂房。
若厂房机组段内还布置有泄水道,则成为泄水式厂房(或称混合式厂房),。
3.引水式厂房。
厂房与坝不直接相接,发电用水由引水建筑物引人厂房。
当厂房设在河岸处时称为引水式地面厂房。
水电站厂房是专门的水工建筑物,它具有一般水工建筑物的共性,故其设计有以
下的特点:
(1)厂房内安装水轮机发电机组和辅助设备,以及控制操作和进行量测的设备,主要任务是发电,所以厂房设计必须保证机电设备的安全运行和提供良好的维护条件。
(2)水电站厂房是水工、机械和电机以及自动控制、电子设备的综合体,在设计、
施工和运行中,必须把几个方面配合好,使综合体优化。
(3)水电站厂房设计应力求紧凑和简单,使建筑上美观,运行方便,而不求豪华。
(4)厂房内运行管理人员应力求精简,应保证他们有良好工作条件和卫生环境。
(5)水电站厂房多建在偏僻地区,而机电设备一般既大又重,所以必须有较好的对外交通运输条件。
(6)设计水电站厂房时,要根据当地的地形、地质和水文条件,既考虑安排好压力输水管的进水和尾水管的出水条件,又要考虑到厂房与变压器和开关站在布置上的配合要求。
由上述特点可见,水电站厂房设计是比较复杂的,其中最关键的是要选择好水轮发电机组,即要尽可能选用转速高、尺寸小、重量轻的机组,因为厂房尺寸和起重设备的规模等都是随着机组的尺寸而定的。
对于一般的地面式厂房,选择合适的吸出高度也是非常重要的。
而且,全厂的机组台数不宜太多。
总之,在设计中要做多个比较布置方案,进行技术经济、运行管理综合比较,以选择确定最优设计方案。
第一章水电站厂房的位置及形式选定
第一节水电站厂房的选择
根据报告审查会决定采用钢筋混凝土面板堆石坝为坝型,选中坝址建坝。
左岸河岸式溢洪道,右岸长隧洞引水,在桐子营大桥以下420米处河道右侧建岸边厂房的枢纽总体布置方案。
通过工程所在地区水文、地质、地形、地貌构造,初步拟定在桐子营大桥以下420米处,靠近贡水河的右岸桔园处建设厂房,采用引水式厂房布置形式,通过有压隧洞引水。
选此处是因为该地区位于角砾岩、粉砂岩岩基上,地基比较好,地势平坦、开阔,厂房容易布置,从而工程开挖量小,交通便利,可节省材料和费用,便于工程的施工,另外,该地区靠近汞水河,从而比较容易泄水。
第二节厂房布置方岸的选定
方岸一:
主厂房位于桔园平坦处,副厂房位于主厂房上游一侧,升压站紧接副厂房,尾水渠布置在主厂房下游,斜对河岸。
这个方岸的优点是
(1)基础开挖几劈坡工程量小。
(2)尾水出口与河道斜交,免受下泄洪水的顶托。
(3)升压站紧接副厂房,缩短了引出线的长度。
方岸二:
副厂房位于主厂房的两侧,位于进厂公路的一侧,升压站位于主厂房的左侧,尾水渠布置在主厂房的下游。
这个方岸的优点是
(1)靠近公路,交通便利。
(2)升压站远离副厂房,延长了引出线的长度。
对于上述两个方岸的比较,可以得出结论:
方岸一,工程量小,主副厂房布置紧凑,厂区布置合理,虽有一些不足之处,但较方案二是利多弊少,故采用方案一。
第二章下部结构的设计与布置
第一节水轮机的计算
一、水轮机型号及主要参数选择:
1.水电站最大水头Hmax=65.89m,设计水头Hr=50.4m,加权平均水头
Hav=Hr=50.4m,
最小水头Hmin=35.7m,装机容量为24MV,初步布置2台机组,则单机容量为12MV。
2.水轮机型号选择
根据该水电站的水头变化范围35.7m~65.89m,在水轮机系列型谱表3-4,查出合适的机型有HL230和HL220,现将这两种水轮机作为初选方案,分别求出其有关系数,并进行分析。
水轮机HL230型水轮机方案的主要参数选择
(1)转轮直径D1计算
查表3-6可得HL230型水轮机在限制工况下的单位流量Q1'=1110L/S=1.11m3/s,效率m=85.2%,由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量Q1'm=Q1'=1.11m3/s,效率
=86.0%,设gr=97%
水轮机的额定出力Nr=Ngr=12000=12371KW,上述的Q1'、和Nr=12371KW、Hr=50.4mgr0.97
Nr12371
代入式D1='r==1.85m﹙2.1﹚
9.81Q1'HrHr9.811.1150.450.486%
选用与之接近而偏大的标称直径D1=2.0m
(2)转速n的计算
查表3-4可得HL230水轮机在最有工况下单位转速n1'0=71.0r/min,初步假定
n1'0m=n1'0=71.0r/min,将已知的n1'0和Hav=50.4m,D1=2.0m代入式
n=300r/min.﹙2.2﹚
n=n1D1H=712.050.4=252.0r/min,选用与之接近而偏大的同步转速
3.效率及单位参数修正
HL230型水轮机在最优工况下的模型最高效率为Mmax=90.7%,模型转轮直径为
D1M=0.404,根据式3-14可得原型效率:
max
=1-
1
5
=1-10.9075
0.404=93.2%
2.0
2.3﹚
则效率修正值为V=93.2%-90.7%=2.5%.
考虑到模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异,常在已求得的值中再减去一个修正值。
先取=1.7%,则可得效率修正值为=1.7%,由此可得原型水轮机在
最优工况和限制工况下的效率为
maxMmax
90.7%0.8%91.5%
2.4﹚
85.2%0.8%86.0%(与上述假定值相同)
单位转速的修正值按下式计算:
n1'n1'0mmax/Mmax1
则'n1=max/Mmax10.915/0.90710.44%
n10m
由于n1'/n1'0m3.0%,按规定单位转速可不加修正,同时单位流量Q1'也可不加修正由上可见原假定的=86%、Q1'Q1'm、n1'0n1'0m是正确的,那么上述计算及选用的结果D12.0m,n300r/min是正确的。
4.工作范围的检验
在选定D12.0m,n300r/min后,水轮机的Q1'max及各特征水头相对应的n1'即可计算出来。
水轮机在Hr,Nr下工作时,其Q1'即为Q1'max,故
Q1max
Nr
9.81D12HrHr
2=1.024<1.11m3/s
9.812250.450.40.86
2.5﹚
则水轮机的最大引用流量为QmaxQ1'maxD12Hr1.0242250.429.08m3/s
与特征水头Hmax,Hmin和Hr相对应的单位转速为
n1min
nD1
max
nD1
nD1
3002
65.89
3002
35.7
3002
50.4
73.92r/min
100.42r/min
84.52r/min
2.6﹚
在HL230型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出Q1'max1024L/S,n1'max100.42r/min,n1'min73.92r/min的直线,这三根直线所围成的水轮机工作范围(图
中阴影部分)基本上包含了该特性曲线的高效率区,所以对于HL230型水轮机方案,所选定的参数D12.0m,n300r/min是合理的。
5.吸出高度Hs计算
由水轮机的设计工况参数n1'r=84.52r/min,Q1'max1024L/S,在图上可查得相应的气蚀系数约为0.17,并在图2-26上查得气蚀系数的修正值约为0.025,由此可求
出水轮机的吸出高度为:
590
Hs10()H10(0.170.025)50.40.48m4.0m﹙2.7﹚
900900
可见HL230型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。
二、水轮机HL220型水轮机方案的主要参数选择
1.转轮直径D1的计算
查《水力机械》可得HL220型水轮机在限制工况下的单位流量Q1'=1150L/S=1.15m3/s,效率m=89.0%,由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量Q1'm=Q1'=1.15m3/s,
0.97
gr
效率=90.0%,设gr=97%水轮机的额定出力Nr=Ngr=12000=12371KW
上述的Q1'、和Nr=12371KW、Hr=50.4m代入式
选用与之接近而偏大的标称直径D1=2.0m
2.转速n的计算
《水力机械》查表3-4可得HL220水轮机在最有工况下单位转速n1'0=70.0r/min,初步假定n1'0m=n1'0=70.0r/min,将已知的n1'0和Hav=50.4m,D1=2.0m代入式
n=n1H=7050.4=248.5r/min,选用与之接近而偏大的同步转速n=250r/min.D12.0
3.效率及单位参数修正
可得HL230型水轮机在最优工况下的模型最高效率为Mmax=91.0%,模型转轮直
径为D1M=0.46,根据式3-14可得原型效率
max
=1-
5
Mmax
5
0.915
=93.3%
则效率修正值为V=93.3%-91.0%=2.3%.
考虑到模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异,常在已求得的值中再减去
一个修正值。
先取=1.3%,则可得效率修正值为=1.0%,由此可得原型水轮机在
最优工况和限制工况下的效率为
maxMmax
91.0%1.0%92.0%
89.0%1.0%90.0%(与上述假定值相同)
单位转速的修正值按下式计算:
n10m
max/
Mmax
则
Mmax
1
10.55%
由于n1'/n1'0m3.0%,按规定单位转速可不加修正,同时单位流量Q1'也可不加修正由上可见原假定的=90.0%、Q1'Q1'm、n1'0n1'0m是正确的,那么上述计算及选用的结果D12.0m,n250r/min是正确的。
4.工作范围的检验
在选定D12.0m,n250r/min后,水轮机的Q1'max及各特征水头相对应的n1'即可计算出来。
水轮机在Hr,Nr下工作时,其Q1'即为Q1'max,故
Q1max
Nr
9.81D12HrHr
2=0.968<1.15m3/s
9.812250.450.40.91
则水轮机的最大引用流量为QmaxQ1'maxD12Hr0.9682250.427.49m3/s与特征水头Hmax,Hmin和Hr相对应的单位转速为
'nD12502
n1min161.60r/min
1minHmax65.89
nD1
n1max
250283.68r/min
35.7
nD12502
Hr50.4
70.43r/min
在HL230型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出Q1'max968L/S,n1'max83.68r/min,n1'min61.60r/min的直线,这三根直线所围成的水轮机工作范围(图中阴影部分)基本上包含了该特性曲线的高效率区,所以对于HL220型水轮机方案,所选定的参数D12.0m,n250r/min是合理的。
5.吸出高度Hs计算'
由水轮机的设计工况参数n1'r=70.4r/min,Q1'max968L/S,在图上可查得相应的气蚀系数约为0.133,并在图《水力机械》查得气蚀系数的修正值约为0.025,由此
可求出水轮机的吸出高度为:
Hs10()H10590(0.1330.025)50.41.38m4.0m
s900900
可见HL220型水轮机方案的吸出高度满足电站要求
三、两种方案的比较分析
表2-1水轮机方案参照对照表
序号
项目
HL230
HL220
1
推荐使用的水头
范围
35~65
50~85
2
最优单位转速
n1'0r/min
71
70
3
模型转轮参数(最优单位流量Q1'0L/S)
913
1000
4
最高效率max%
90.7
91.0
5
气蚀系数
0.17
0.133
6
工作水头范围(m)
50.4~65.89
50.4~65.89
7
转轮直径D1m
2.0
2.0
8
转速n(r/min)
300
250
9
最高效率max%
91.5
92.0
10
额定出力
NrKW
12371
12371
11
最大引用流量
Qmaxm3/s
29.08
27.49
12
吸出高度Hsm
0.48
1.38
由表可见,两种机型方案的水轮机转轮直径D相同均为2.0m,但HL220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、有利于提高年发电量,而HL230型水轮机方案的机组转速较高,有利于减小发电机尺寸、降低发电机造价。
根据以上分析,在限制供货方面没有问题时,初步选用HL220型水轮机方案,故水轮机型号为HL220—LJ—200。
第二节水轮发电机的型式选择
单机容量(KW)
功率因数
(COS)
额定电压
额定容量(KVA)
12000
0.9
10.5
13333
本设计为大中型水电站,故采用大中型机组,采用立式SF12—18—3600型发电机
表2-2发电机的主要参数
、水轮机主要尺寸估算
1.极距;
Sf
Kj
941333343.69cm
2P212
2.8﹚
Sf—发电机额定容量(13333KVA)P—磁极对数(12)
Kj—系数,一般取(8-10)在这里取Kj=9
2.定子内径Di
2p21243.69
Di333.94cm
i3.14
式中:
2.9﹚
3.定子铁芯长度It
It=Sf
It=2
tCDi2ne
式中;ne_额定转速(r/min)
2.10﹚
Di_定子内径
C-系数(4*106~6.5*106)此处取5*106
I=Sf
tCDi2ne5106333.942250
13333
6
95.65cm
Di333.94
Itn95.65250
0.0140.035
所以采用悬式水轮发电机
4.定子铁芯外径Da(机座号)
ne250r/min166.7r/minDa=Di333.9443.69377.63cm
则取Da=378cm,故发电机型号为SF1212/378
、外形尺寸估算
1.平面尺寸估算
1)定子机座外径D1
Q214ne250r/min300D11.20Da1.20*378453.6cm
2)风罩内径D2
QSf20000KVAD2D12.0453.6200653.6cm
(3)转子外径
D3Di2单边空气间隙,初步估算时可忽略不计
D3Di333.94cm
(4)下机座最大跨度D4
Q10000Sf100000KVAD4D50.6m
式中D5为水轮机基坑直径9D5=3.0m
D4D50.6m=3.0+0.6=3.6m=3600cm
(5)推力轴承外径D6和励磁机外径D7
查《水利机械》D6=2400cm,D7=1500cm
三、轴向尺寸计算
1.定子机座高度h1
ne250r/min214r/min,h1It295.652*43.69183.03cm2.上机架高度h2
对于悬式承载机架h2=0.25Di0.25*333.9483.48cm
9
3.推力轴承高度h3,励磁机高度h4和永磁机高度h69
h3=1000mm,h4=1500~1800,取1600mm,其中机架高500~700,在这里取
600mm,h5=600mm,h6=500mm
4.下机架高度h7
悬式非承载机架h7=0.12Di0.12333.9440.07cm5.定子支座支承面至下机架支承面或下挡风板之间的距离h8
悬式非承载机架h8=0.12Di0.15333.9450.09cm6.下机架支承面至主轴法兰底面之间的距离h9按已生产的发电机统计资料,一般为700~1500mm,取h9=800mm7.转子磁轨轴向高度h10
有风扇时,h10It(700~1000)mm956.58001756.5mm8.发电机主轴高度h11
h11(0.7~0.9)H,H—发电机总高度,即由主轴法兰盘底面至发电机顶部的高度
H=h1h2+h3+h4+h5+h6+h8+h9=183.03+83.48+100+160+60+50+50.09+80=766.6c
mh110.8H0.8766.6613.28cm
9.定子铁芯水平中心线至主轴法兰盘底面距离h12
h12=0.46h1h10=0.46183.03+175.65=259.84cm
四、水轮发电机重量估算
1.发电机总重量Gf(t)
Gf=K1
2
Sf3
2
133333
250
113.35t
2.11﹚
K1—系数,对悬式发电机取8~10,在此处取8
2.发电机转子重量一般可按发电机总重量的1/2估算
Gf
2
113.35
2
56.675t
3.发电机飞轮力矩
2.12﹚
23.53.52
CD2K2Di3.5It5.23.33943.50.9565333.47tm2
K2—经验系数,可按9选取,当100ne375时,K25.2
Di—定子铁芯长度(m)
It—定子铁芯长度(m)
第三节蜗壳断面形式及尺寸计算
本电站最大工作水头超过40m,故采用金属蜗壳,有线变化结构简单,水力损失大:
抛物线变化结构复杂,水利损失小。
为了改善蜗壳的受力条件使水利损失最大,故采用
抛物线变化规律的圆形断面,圆形金属蜗壳断面包角通常采用f=345
、蜗壳进口断面流量
2.13﹚
QcQmaxfi27.4934526.34m3/s
c360i360
Qmax—水轮机最大引用流量
2
1.蜗壳进口平均流速2蜗壳进口断面平均流速Vc5.8m/s
则蜗壳进口断面面积
FcVQcc
26.34
5.8
4.54m2
2.14﹚
断面半径
max
Fc
Qmaxfi
360Vc
27.49345
3463.145.8
1.20m
由《水力机械》可查得金属蜗壳座环尺寸,水头在70m一下其座环外径Da3.4mRaDa/23.4/21.7m
R=Da2i=1.7+21.44=4.10m
2
表2-3蜗壳断面半径随角度的变化
蜗壳包角f
断面半径i(m)
R(m)
345
1.20
4.10
300
1.12
3.94
255
1.03
3.77
210
0.94
3.58
165
0.83
3.36
120
0.71
3.12
75
0.56
2.82
30
0.35
2.40
第四节尾水管形式及其主要尺寸确定
根据本电站的总装机容量为大中型水电站,为了减少尾水管的开挖深度,采用标准
弯肘型尾水管。
弯肘型尾水管。
是由进口直锥段,肘管和出口扩散段三部分组成,其大
致形状如图所示,使用推荐的尾水管尺寸2
表2-4本电站尾水管尺寸参数
肘管形
式
适用范
围
h/D1
L/D1
B5/D1
D4/
D1
h6/D1
L1/D1
h5/D1
标准混凝土肘管
混流式
D1D2
2.6
4.5
2.72
1.35
0.675
1.82
1.22
表2-5本电站尾水管尺寸参数
参数
D1
h
L
B5
D4
h6
L1
h5
标准
2.0
5.2
9.0
5.44
2.7
1.35
3.64
2.44
尾水管肘管是一90度变断面,起出口为矩形,断面水流由于在肘管中转弯受到离
心力的作用,由于曲率越小,半径越小,产生的离心力越大。
一般推荐使用合理半径
R=(0.
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