电大水利水电 水电站课程设计 本科.docx
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电大水利水电水电站课程设计本科
《某小型水电站设计》
课程设计
学生姓名：
学号：
专业：
水利水电
指导教师：
第一章内容简介
内容摘要
本设计为一座引水式径流开发的水电站。
拦河坝的坝型为5.5米高的砌石滚水坝，在河流右岸开挖一条356米长的引水渠道，获得平均静水头57.0米，最小水头50m，最大水头65m。
电站设计引用流量7.2立方米每秒，渠道采用梯形断面，边坡为1：
1，底宽3.5米，水深1.8米，纵坡1：
2500，糙率0.275，渠内流速按0.755米每秒设计，渠道超高0.5米。
在渠末建一压力前池，按地形和地质条件，将前池布置成略呈曲线形。
池底纵坡为1：
10。
通过计算得压力前池有效容积约320立方米。
大约可以满足一台机组启动运行三分钟以上，压力前池内设有工作闸门、拦污栅、沉砂池和溢水堰等。
整个设计根据地形及地质条件和相关资料、规格等要求，进行全面结合考虑，力图合理、科学，有较强的实用性。
关键词：
引水式径流水电站设计规划
第二章有关设计资料
二.1厂区地形和地质条件
水电站厂址及附近经地质工作后，认为山坡坡度约30度左右，下部较缓。
沿山坡为坡积粘土和崩积滚石覆盖，厚度约1.5米。
并夹有风化未透的碎块石，山脚可能较厚，估计深度约2～2.5米。
以下为强风化和半风化石英班岩，厂房基础开挖至设计高程可能有弱风化岩石，作为小型水电站的厂址地质条件还是可以的。
二.2水电站尾水位
厂址一般水位10.0米。
厂址调查洪水痕迹水位18.42米。
二.3对外交通
厂房主要对外交通道为河流右岸的简易公路，然后进入国家主要交通道。
二.4地震烈度
本地区地震烈度为六度，故设计时不考虑地震影响。
第三章水轮机型号及主要参数选择
本水电站的最大水头Hmax=65m，，最小水头Hmin=50m，平均水头Hav=57.0m；水轮机的装机容量Ny=3380kW，装机台数4台，单机容量Ny1=845kW。
对于引水式电站，设计水头Hr=Hav=57m。
电站设计引用流量QP=7.2m3/s，单机引用流量QP1=1.8m3/s。
三.1水轮机型号选择
根据该水电站的水头变化范围50~65m，查《水电站（第四版）》，河海大学，刘启钊主编P79表3-6水轮机系列型谱中查出合适的机型有HL220、HL230。
三.2主轴及蜗壳形式选择
三.2.1主轴
本电站为小型引水式电站，引用流量小，为减少厂房的开挖量及高度，采用卧轴式。
三.2.2蜗壳
本电站为小型引水式电站，引用水头较高，因此采用金属蜗壳为宜。
通常情况下，金属蜗壳断面为圆形，包角。
本设计中也是如此。
三.3HL220型水轮机方案的主要参数选择
三.3.1转轮直径D1计算
查《水电站（第四版）》，河海大学，刘启钊主编P79表3-6可得HL220型水轮机在限制工况下：
单位流量，效率。
由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量，效率假设为89.15%。
转轮直径D1按下式计算：
（3-1）
式中Nr——水轮机的额定出力，845kW；
Hr——水轮机的设计水头，对于引水式水电站取为平均水头，57.0m；
——原型水轮机单位流量，初步假定；
——与相应的原型效率，假设为89.15%。
根据计算结果，D1=0.44m，选择与之相近且偏大的轮转标称直径D1=0.5m。
三.3.2转速n的计算
查《水电站（第四版）》，河海大学，刘启钊主编P79表3-6可得HL220型水轮机模型在最优工况下的单位转速=70.0r/min。
水轮机的转速n按下式计算：
（3-2）
式中——原型水轮机最优工况下单位转速，初步假定==70r/min；
Hav——水轮机的平均水头，57.0m；
D1——水轮机的轮转直径，由3.2.1计算可得，0.5m。
由式（3-2）得，n=1057r/min，若选择的偏大同步转速的1500r/min，则相差太大，不宜。
故选用与之接近而偏小的同步转速1000r/min。
三.3.3效率及单位参数修正
查《水电站（第四版）》，河海大学，刘启钊主编P79表3-6可得HL220型水轮机模型最高效率ηMmax=91.0%，模型的转轮直径D1M=0.46m。
对于混流式水轮机，当水头H<150m时，原型效率按下式计算：
（3-3）
效率修正值为，则原型的效率为：
（3-4）
按下式判定是否对单位转速进行修正：
（3-5）
由式（3-5）可知，此时单位转速可不加修正，同时，单位流量也可不加修正。
由上可见，原假定的是正确的，那么上述计算及选用的结果D1=0.5m、n=1000r/min也是正确的。
三.3.4工作范围的检查
水轮机在Hr、Nr下工作时，其
（3-6）
则水轮机的最大引用流量为
（3-7）
与特征水头Hmax、Hmin和Hr相对应的单位转速为
（3-8）
在HL220型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出、、的直线，如附图4所示，由这三根直线所围成的水轮机工作范围基本并末包含该特性曲线的高效率区。
但是考虑到修改转轮直径对其工作范围影响不太，若修改其同步转速使之达到1500r/min，则估算其单位转速可达100-110r/min，更加偏离高效率区。
因此，对于HL220型水轮机方案，所选定的参数D1=0.5m和n=1000r/min是合理的。
三.3.5吸出高度的HS计算
由水轮机的设计工况参数，，在曲线图上查得相应的气蚀系数约为σ=0.104，气蚀系数修正值Δσ＝0.022（当HP＝57.0米时）。
可按下式计算水轮机的吸出高度：
（3-9）
式中—水轮安装位置的海拔高程，本设计取为下游水位一般水位10.0m；
—模型气蚀系数，0.104；
—气蚀修正系数，0.022；
—水轮机水头，本设计取为设计水头57.0m。
计算式（3-9）得，水轮机的吸出高度HS=2.81m。
三.3.6飞逸转速nf的计算
（3-10）
式中—模型最大可能开度的单位飞逸转速，133r/min；
Hmax——水轮机最大水头，65m。
三.4两种方案的比较分析
为了便于比较分析，现将两种方案（HL230型水轮机方案的主要参数选择，引用他人计算成果）的有关参数列入表3-1中：
表3-1水轮机方案参数对照表
序号
项目
HL220
HL230
1
模型转轮参数
推荐使用的水头范围（m）
50~85
35~65
2
最优单位转速n'10（r/min）
70.0
71
3
最优单位流量Q'10（L/s）
1000
913
4
最高效率ηMmax（%）
91
90.7
5
气蚀系数σ
0.104
0.17
6
原型水轮机参数
工作水头范围（m）
50~65
50~65
7
转轮直径D1（m）
0.5
0.5
8
转速n（r/min）
1000
1000
9
最高效率ηmax（%）
0.9115
0.9109
10
额定出力Nr（kW）
845
845
11
最大引用流量Qmax（m3/s）
1.695
1.765
12
吸出高度HS（m）
2.81
0.299
由表3-1可见，两种机型方案的水轮机转轮直径D1相同，均为0.5m,。
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，安装高程较高，有利于提高年发电量和减小电站厂房的开挖量。
故选择HL220型水轮机方案，即：
选定水轮的型号为HL220—WJ—50。
第四章机电设备
四.1水轮机
对机组转轮的直径小于1m、吸出高度为正值的水轮机，常采用卧轴装置，以降低厂房高度。
而且卧式机组的安装、检修及运行维护也方便。
由上述水轮机的参数计算以及水电站的类型可以确定水轮机装置方式采用卧轴式，水轮的型号为HL220—WJ—50。
台数：
四台；
重量：
7000Kg；
型号：
HL702（220）—WJ—50；
参考价格：
22000元/台；
额定转速：
n＝1000n/min
设计水头：
HP＝57.0m；
设计流量：
QP＝1.8m3/s；
额定出力：
N＝845KW；
四.2调速器（自动调速器）
调速器一般由调速柜、接力器、油压装置三部分组成。
中小型调速器的调速柜、接力器和油压装置组合在一起，称为组合式；大型调速器分开设置，称为分离式。
中小型调速器是根据计算水轮机所需的调速功A查调速器系列型谱表来选择的。
反击式水轮机的调速功A（N•m）的经验公式：
Q为最大水头下额定出力时的流量为
=1.33。
故本设计选用中小型调速器，油压装置与调速器组合在一起，根据调速器系列型谱表选用自动调速器，型号为XT—300。
型号：
XT-300；
台数：
四台；
接力器全行程：
150mm；
接力器全行程时间：
1.5～5s；
外形尺寸：
长×宽×高（mm）1635×1000×1785；
重量：
1081Kg；
参考价格：
20000元；
四.3发电机
选择与水轮机单机容量相匹配的发电机，型号为SFW118/44-6。
发电机主要参数，如下所示：
台数：
四台；
型号：
SFW118/44-6；
额定功率：
800KW；
额定电压：
6300V；
发电机总重：
6500Kg；
cosφ＝0.8；
额定转速：
n=1000n/min；
飞逸转速：
np＝1800n/min；
外形尺寸：
长×宽×高（mm）3190×1530×1500；
参考价格：
65000元/台；
四.4蝶阀
快速阀门有：
平板阀、蝴蝶阀、球阀。
本设计根据水头和输水要求采用蝴蝶阀，
蝶阀由阀壳和阀体组成，具体参数如下图4-1所示：
φ0.8m手电动操作；
重量：
阀体340Kg；
活门:
277Kg；
启闭方式：
电动操作；
主要尺寸：
a=1730mm；b=880mm；c=350mm；d=850mm；e=470mm。
图4-1立式蝴蝶阀外形示意图
四.5桥式起重机
水电站必不可少起重设备，安装、检修等都需要起重设备，本设计采用洛阳市洛北起重设备厂生产的SDQ手动单梁起重机，具体参数如下：
型号：
SDQ手动单梁起重机；台数：
一台；
起重量：
10000千克；跨度：
11.0米。
第五章电气主结线及电气设备布置：
电站采用单母线分段接线，1号和2号发电机组的出线经高压开关接至6.3KV母线为一组。
另一组由3号和4号发电机组组成。
每一组各自通过主变接入35KV高压母线，二段母线之间用高压开关连接，厂用电由发电机母线经变压器送至380V母线。
根据电站主结线，水电站内应布置下列配电设备：
高压开关柜共13只，其中：
1＃、2＃、3＃、4＃发电机开关柜共4只，6.3KV母线联络柜2只；主变开关柜4只；近区用电柜1只；厂用高压柜1只；备用1只。
如图5-1所示：
开关柜尺寸：
长×宽×高＝1.2×1.2×3.2米。
低压控制盘7面；直流盘1面；同期盘一面；
低压继保盘7面；励磁盘4面；机旁盘4面。
表盘尺寸：
宽90cm，厚60cm，高210～240cm。
主变两台：
型号：
SJ6-3200/35/6.3KVy/Δ-11。
每台总重量：
8770Kg，外形尺寸：
长×宽×高2790×2825×2815mm。
厂变一台：
型号：
SJ－30/6.3/0.4KVy/y-12。
总重量：
312Kg；外形尺寸：
长×宽×高：
975×408×930mm。
变电站面积（主变压器场和高压开关站）：
25×20m。
图5-1电站主结线图
第六章主要控制高程的确定
六.1水轮机的吸
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