新庄水电站增效扩容改造油气水系统设计毕业设计.docx
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新庄水电站增效扩容改造油气水系统设计毕业设计
泾惠渠新庄水电站增效扩容改造油、气、水系统设计
学生：
孙强强专业年级：
热能与动力工程10级指导老师：
甘雪峰
摘要：
新庄水电站原装机容量为800+630Kw，增效扩容改造之后总的装机容量为2x800Kw。
在本次的增效扩容改造项目中，辅助设备的油气水系统是设计的主要的内容。
主要是油气水系统图，管件以及油气水设备的选择，油气水布置图以及相应的水力计算。
设计中油系统主要为机组润滑、制动以及顶转子三项内容；不需要设计气系统，对于检修吹扫用气，仅仅是设置一台移动式的吹气装置即可；水系统中，技术供水水源取自于地下水，采用循环供水的方式，供水对象为上导轴承冷却供水以及射流泵供水；排水系统中，上导冷却排水以及射流泵排水排至集水井；检修排水排至尾水渠，生活排水以及厂房渗漏水排至尾水渠。
关键词：
系统图；设备选型；布置图；水力计算
JINGHUIQUXINZHUANGSTATIONEXPANSIONTRANSFORMATION
EFFICIENCYOFOIL,GAS,WATERSYSTEMDESIGN
Author:
SunQiangqiangInstructor:
GanXuefeng
Abstract:
XinZhuanghydropowerstationtheoriginalinstalledcapacityof800+630Kw,afterthereconstructionefficiencythetotalinstalledcapacityof2x800Kw.Intherevampingprojectoftheefficiencyofoilgaswatersystem,auxiliaryequipmentisthedesignofthemaincontent.Isthemainoilgaswatersystemdiagram,fittingsandoilgaswaterequipmentselection,calculationofoilgaswaterlayoutandthecorrespondinghydraulic.
Designofoilsystemmainlytoprotorthreecontentsastheunitoflubricating,brakeandgassystem;donotneedtodesign,tooverhaulthepurgegas,justblowingdevicecansetupamobile;watersystem,watersupplyfromgroundwatertechnology,thecirculatingwatersupplyway,supplywaterfortheguidebearingcoolingwaterandajetpumpwatersupply;drainagesystem,thecoolingwaterandthejetpumpdrainagetowater;waterdrainagetorepairthetailrace,drainageandwaterleakagebenttothetailrace.
Keywords:
computational;systemdiagram;equipmentselection;layoutofhydraulic
第一章新庄水电站概况
1.1概述
1.1.1新庄水电站的基本情况
新庄水电站位于泾阳县燕王乡山西庄村，距咸阳市约40km，泾阳县城约8km，距燕王乡2km，项目区有G70“福～银”高速公路及G211国道从燕王乡通过，对外交通方便。
该电站地理位置见图1.1-1。
图1-1新庄水电站地理位置图
该水电站1976动工兴建，1978年建成发电，该站由西北农学院水利系设计。
发电采用并网运行，由10kV线路并入泾阳县电网。
该水电站是利用泾惠渠南干渠道上的跌水而建成的引水式水电站，该引水渠道以灌溉为主，发电为辅。
新庄水电站由两大部分组成：
即引水系统和厂区部分。
引水系统由引水渠道、压力前池和压力管道组成；厂区部分由厂房、变电站及生活区组成。
原设计安装2×800kW水轮发电机组两台，后电站实际安装800+630kW两台水轮发电机组，设计年发电量670万度，年利用小时数4180小时。
新庄水电站平面布置现状图见图1.1-2：
图1-2新庄水电站现状平面布置图
1.1.2增效扩容改造的主要内容
本次增效扩容改造的主要内容为：
机组更换重新选型设计及电气设备的全面升级更换改造设计。
增效扩容改造后，电站多年平均发电量提高到649万kW·h，年利用小时3841小时。
工程概算总投资626.62万元。
1.2电站基本情况
新庄水电站水工部分比较简单，只有渠道连接段和引水渠道两大部分，虽年久失修，但还比较完好。
渠首部分为浆砌实连接渠道，有局部勾缝脱落现象，但不影响运行。
引水渠修建在泾河左岸，岩石为片麻状花岗岩，岩石坚硬，内衬砼比较完整，没有塌陷，剥落现象。
1.3增效扩容后新庄水电站基本资料
新庄水电站没有调节能力，属于径流式电站。
增效扩容后的额定容量为2×800kW，多年平均发电量649万kW·h，年利用小时数为3841h。
水轮发电机组型号及主要参数见表1-1、表1-2。
表1-1水轮机参数表
序号
参数
水轮机
1
型号
DJ502-LH-120
2
额定水头（m）
12
3
额定流量（m³/s）
7.95
4
出力（kW）
842
5
额定转速（r/min）
375
6
最优效率（%）
90
表1-2发电机参数表
序号
参数
发电机
1
型号
SF800—16/1730
2
额定功率（kW）
800
3
额定电压（KV）
6.3
4
额定电流（A）
91.6
5
功率因数
0.8
6
最优效率（%）
95
压力前池水位434.62m，设计尾水位421.86m，考虑电站压力管道水头损失，电站额定水头为12m。
1.4新庄水电站现状
新庄水电站现状由引水部分和发电枢纽两大部分组成，引水部分由115m管道、压力管道、压力前池组成，发电厂区由主厂房（长19.86m，宽8.6m，高8.5m）、生活区、变电站组成。
主厂房内安装800+630KW轴流定浆式水轮发电机组2台，目前机组最高效率为85%，平时多在低于80%的效率下运行工。
高压开关柜及保护柜布置在主厂房上游侧。
高压开关柜为现场自制成，内部电气元件陈旧，柜体绝缘存在一定隐患，各种保护（屏）柜均为70―80年代的继电方式，灵敏度差，与现在电站要求计算机自动控制无法连接，且现在根本无维修配件。
电站主变与厂变均为损耗较大的老式S7、S9型变压器。
为提高电站操作自动化程度、确保运行的可靠性、降低生产过程中的能量损耗、充分利用水能资源，本次进行增效扩容机电设备改造是非常必要的[8]。
1.5电站基本情况评价
1.5.1水工部分评价
新庄水电站水工部分比较简单，只有渠首连接段和引水管道两大部分，虽年久失修，但还比较完好。
渠首部分为浆砌石连接管道，有局部勾缝脱落现象，但不影响运行。
引
水管道修建在泾惠渠左岸，岩石为片麻状花岗岩，岩石坚硬，内衬砼，比较完整，
没有塌陷，剥落。
1.5.2厂房部分评价落现象
厂房部分由主厂房、生活区、变电站组成，主厂房为钢筋砼框架结构。
生活区为砖混结构、变电站布置在主厂房右侧。
根据现场踏勘主厂房和和生活区均无沉陷、裂缝、渗漏等安全隐患，本次不必进行改造[10]。
1.5.3供电范围
新庄水电站出线两回，一回通过长8km的10kV输电线路接入泾阳城关变，与县供电线路联网供电；一回通过长7.5km的10kv线路接入新川线农电系统，分东西两片向泾阳县农网供电。
考虑新庄水电站已形成的供电格局，本阶段的接入系统方式仍然利用原并网线路[7]。
1.5.4设计保证率
依据《小型水电站设计规范》（GB50071-2002），“水电站的设计保证率可根据水电站容量占电力系统容量的比重、设计电站的调节性能和容量大小等因素，在80%-90%范围内选取”。
新庄水电站为径流式电站，而且装机容量不大，电站建成后将并入区域电网运行，装机容量占电网系统容量的比重远小于20%，因此，电站设计保证率采用80%。
1.5.5工程任务
新庄水电站属于泾惠渠南干渠上的径流引水式电站，本项目任务是发电，不存在防洪、通航等任务。
第二章油系统图及设备选择
2.1水电站用油的种类及其作用
2.1.1用油的种类
为了保证设备的安全正常运行，在进行负荷调节的能量传递、机组运转的润滑散热以及电气设备的绝缘灭弧，都是利用油作为介质来完成的。
由于设备的特征、要求以及工作条件的不同，需要使用各种性能的油，水电站的主要用油为润滑油以及绝缘油。
润滑油主要为透平油，供给机组轴承润滑和调速系统，进水阀、调压阀、液压操作阀门的液压操作用。
绝缘油主要有变压器油、断路器油、电缆油。
2.1.2油的作用
透平油的主要作用部件是机组推力轴承、机组上导轴承、机组下导轴承、机组水导轴承、水轮机调速器接力器、水轮机定转子下的接力器[3]。
2.1.2.1透平油的作用：
透平油在机组运行中的主要作用是润滑、散热以及液压操作
（1）润滑作用
油在机组运行部件与约束部件之间的间隙形成油膜，一润滑油内部的液态的摩擦代替固体之间的摩擦，从而减低摩擦系数，减少设备的磨损，延长设备的使用寿命，保证设备的功能以及安全运行。
（2）散热作用
润滑油在对流作用下将热量传出，在经过油冷却器将其热量传递给冷却水，从而使油或者是设备温度不至于升高到规定值，保证设备的安全运行。
（3）液压操作
水电站中常利用透平油作为传递能量的工作介质。
2.1.2.2绝缘油的作用
绝缘油在设备中的作用是绝缘、散热、以及灭弧。
（1）绝缘作用
绝缘油的绝缘强度比空气大得多，因而利用绝缘油作为绝缘介质可以大大提高电气设备的运行的可靠性，并且可以缩小设备的尺寸，使得设备的布置更加的紧凑。
（2）散热作用
利用油的对流作用，将热量传递给冷却器散发出去，使得变压器的温度保持在正常的水平，保证变压器的功能以及安全运行。
（3）灭弧作用
绝缘油在收到电弧作用的时候，产生分解，产生氢气，氢气是一种活波的灭弧气体，它在油被分解的过程中带走大量的热，同时也直接钻进有弧线地带，将弧线冷却，使得弧线熄灭。
2.2油系统的相关计算
设计油系统时，应该编制设备用油量明细表，分别计算出透平油和绝缘油的总的用油量。
所有设备的用油量应该是以制造的资料为依据[2]，在初步的设计阶段，未能获得制造厂的资料的时候，可以参照容量和尺寸相近的有关资料进行估计，变压器与油开关的用油量可以在产品目录中查取。
2.3油系统的设计分析
2.3.1绝缘油系统
当电站的装机容量不是很大，变压器较小，绝缘用油量也比较小时，可以采用移动式油泵重换油只需要油桶注油即可，可以不设置绝缘油系统。
新庄水电站需要更换绝缘油只需要储备几桶绝缘油即可，如果本电站设计绝缘油系统的话，如果长期不用就只会是浪费资源，所以本电站不需要设计绝缘油系统。
2.3.2透平油系统
依据经验可知，平均每400KW的机组所消耗的透平油量为180Kg，其中包括有一台机组的所有的运行油量，透平油的密度为0.852Kg/L，通过计算可知，体积为0.211m3
（1）运行用油量V1
对于透平油是指一条机组润滑油量、调速器充油量以及进水阀门接力器充油量和管道充油量之和[2][4]，即有：
V1=Vh+Vp+Va+Vg（2-1）
新庄水电站增容改造之后机组为2x800kw的容量，则每台机组的消耗油量为0.422m3。
（2）事故备用油量V2
以最大一台设备充油量的110%来计算，其中10%是考虑油的蒸发、漏损以及取样的余量。
由于两台机组的装机容量一样，所以他们的用油量相同，即有：
V2=1.1V1max=1.1x0.422=0.465m3（2-2）
（3）补充备用油量V3
设备在运行过程中，由于存在油的漏损，因而需要补充油，设备45天的添油量，即有：
X3=V1ax45/365（2-3）
其中：
a表示设备在一年之中需要补充油量的百分数，转浆式水轮机组取值
a=15%~25%，其他机组5%~10%，变压器取值5%。
对于新庄水电站来说，所选用的是定将水轮发电机组，而且型号都是比较小的，所以在进行补充设备油量的计算中，取a=5%。
通过上式计算可得补充备用油量V3=0.03M3。
2.4油系统的设备选择
根据水电站所在的地理位置以及交通的情况，装机容量以及机组台数等因素，拟定油系统的规模，再油系统类型以及用油量确定之后就可以选择设备，设备的配置原则，按照透平油以及绝缘油两个系统分别配置。
设备包括：
储油设备，净油设备，油的吸附处理设备，油泵、油管以及油化实验设备[6]，油化实验设备，一般的中小型电站只是设置油化分析项目，因而新庄水电站的增容改造项目中不需要设置油化实验设备。
2.4.1储油设备选择
储油设备包括有净油桶，运行油桶，中间油桶，重力加油桶以及事故排油池，对于透平油系统，设置中间油桶是指当油库在场外的时候，为了检修的方便，可以在场内设置中间油桶[3]，由于本电站是小型的水电站而且只有两台机组，油库也是设置在厂房的内部，因而不用设置中间油桶。
（1）净油桶选择
储备净油桶设备换油的时候使用，容积为最大一台设备充油量的110%，加上全部设备运行45天的补充备用油量，即有：
V净=1.1V1max+
（2-4）
V净=0.465+0.03x2=0.525m3
（2）运行油桶选择
运行油桶用于设备检修时排油及净油用，考虑到他可兼做接受新油，并且与净油桶互用，其总容积与净油桶一样[7][8]。
小型的水电站以及大中型的水泵站其用油量少，可以只设置一个运行油桶对于本电站来说，考虑到运行的方便，将不设置运行油桶，而是在机组附近设置活接头，直接用于接受新油，增加运行的灵活性，减少成本。
（3）事故排油池
事故排油池用于接收事故排油，设置在油库底层或者其他合适的位置上，其容积为油田容积之和，本电站设计的事故排油池容积为3m3。
2.4.2油系统图
油系统即是储油设备、用油设备、油处理设备及输油管路连接起来的供、排油系统，机组使用油的设备主要是机组轴承、调速器、及转浆式水轮机轮叶转动机构[5]。
为保证机组设备的安全运行，油系统应该实现以下的作用：
（1）接受新油
（2）储备净油
（3）给设备充油
（4）向运行设备添油
（5）检修时从设备排除污油
（6）对运行油桶中的污油进行净化处理
（7）油的监督与维护
制定油系统图，应该遵循以下原则：
（1）能使一台滤油机单独的工作
（2）油可以从任何一个储运桶直接或是经过油泵，滤油机进入任何一个用油设备或者是储油桶，油也可以从任何一个用油设备亿以上方式进入任何一个储运桶
（3）经常操作的阀门应该尽量的集中，便于操作
（4）应该尽量满足保安、防火的要求
根据相应的计算结果以及新庄水电站的实际情况，可以做出新庄水电站的油系统原理图（见附图）。
2.4.3油净化设备的选择
油净化设备包括压力滤油机、真空滤油机、油泵。
对于压力滤油机以及真空滤油机的选择的原则是：
大型水电站两个油系统分别设置一台压力滤油机以及一台真空滤油机；对于中型水电站各设置一台压力滤油机，共设置一台真空滤油机；小型水电站和大中型水泵站各设置一台压力滤油机；特小型水电站可以只设置一条移动式压力滤油机[4]。
对于新庄水电站，属于小型水电站，可以只设置一台压力滤油机，以减少设备的投资。
（1）压力滤油机的选择
按照4h之内净化一台机组的最大的用油量同时考虑压力滤油机更换滤纸的时间，计算时应该将其额定生产效率减低30%，故压力滤油机的生产率为
QL=V1max/（1-0.3）/t（2-5）
其中：
V1max为一台机组设备的充油量单位为m3
t滤清的时间，取为4h
由此可以算出=0.422/（1-0.3）/4=0.15（m3/h）
根据透平油计算出的QL值，在产品目录中选取压力滤油机，压力滤油机的型号为LC-50。
（2）油泵的选择
油泵是在接受新油，设备充油排油和油的净化时使用。
由于齿轮泵的机构简单，工作可靠，维护方便，价格便宜等优点，所以输油泵多采用齿轮泵。
油系统输油泵生产率按4h之内充满一台机组的用油量来计算，即：
Q=V1max/t（2-6）
式中:
一台机组的充油量，m3
T充油时间，透平油系统t=4h
由此计算出Q=0.422/4=0.11（M3/h）
油泵的扬程应该能够克服设备之间的高程差以及管路损失，根据生产率和要求的扬程在产品目录中选取油泵。
一般按系统选择两台其中一台移动式用以接收新油和排除污油，小型水电站和泵站也可以只是设置一台移动式油泵。
综合上述的信息，根据新庄水电站的实际情况，选择一台移动式油泵，型号为2CY.2/16-7。
2.4.4管道的选择
根据经验以及新庄水电站的实际情况，由于新庄水电站原来的油系统的管道斌没有损坏，因而管道无须再进行选择，选用原来的管道即可。
2.4.5油系统设备表
油系统设备表见下表
表2-1油系统设备表
序号
名称
型号及规格
数量
单位
备注
1
旋塞阀
X13T
15
个
2
旋塞阀
X13T
15
个
3
活接头
BDMI-50
5
个
4
活接头
BDMI-50
10
个
5
移动油泵
2CY4.2/16-7
1
台
6
压滤机
LY-50
1
台
7
油盆
4
个
自购
第三章气系统
3.1压缩空气系统分类
压缩空气系统包括高压气系统以及低压气系统。
水电站的高压供气系统对象主要包括有：
油压装置的压力油槽充气和变电站配电装置中空气断路器以及气动操作开关用气。
低压气系统供气对象主要包括：
机组制动用气、设备维护检修用气以及空气围带供气、水电站机组调相压水用气、寒冷地区场外水工建筑物防冻吹冰供气以及水泵站操作出水管道驼峰上真空破坏阀的供气等。
3.2气系统设计
国内一些小型水电站的水轮机辅助设备及油气水系统应有尽有，基本上是大中型电站模式的缩小，设备利用率不高。
不但增加了电站建设投资，也相应增加了日常维护工作量。
加之小型水电站运行人员素质不高，对运行也带来了不便。
小型水电站，尤其是北方小水电站，多属季节性电站，在电网中，小型水电站处于次要地位。
设计和建设应该从实际出发，力求简单、实用、经济、可靠。
简化和取消气系统正是基于这一目的考虑的。
对于高压气系统
据估算，对小型水电站高压气系统简化贮气罐后，约可节省设备投资1～2万元；如果取消高压气系统，可节省投资5万元左右。
对于低压气系统
分析与实践表明，小型立式机组的水电站不设低压气系统亦是可以的。
至于吹扫、风动工具等这些零星非经常性的需要，可以在机修设备中增加一个小型空压机来解决这样，降低了电站设备投资，还避免了因小水电主副厂房面积不足给布置带米的困难。
对于新庄水电站，没有蝶阀设置，原来的气系统中只是有低压气系统。
增容改造之后，将原来的低压气制动的系统图改为油制动的系统图，原来低压气系统有制动以及清扫两个功能，为了保证清扫功能，厂房内另外设置有移动式的吹气装置，这样就保证了原来的低压气系统的功能[13]。
由上述可知，对于新庄水电站增效扩容之后，并不需要进行其系统的相关的设计，只需要在油系统的基础之上再设计一个油制动系统原理图即可。
油系统制动图见附图。
第四章水系统
水电站的水轮发电机组的水系统包括有供水系统以及排水系统两个部分。
4.1供水系统
水电站的供水包括：
技术供水，消防供水以及生活给水。
中小型水电站的水轮发电机组以技术供水为主，消防供水为辅，与整个电站的消防供水以及生活供水组成统一的供水系统。
对于新庄水电站的供水系统，主要是以技术供水为主，其他供水只是在技术供水的基础上给与的供水。
4.1.1技术供水的对象
小型水轮发电机组饮水设备主要有：
水轮发电机组各个轴承的油冷却器；水润滑的水轮机导轴承、水冷式空压机、水冷式变压器、油压装置等。
对于新庄水电站的供水系统来说，由于没有气系统，所以在很多地方都是不需要供水的，实际上需要用水的设备有：
水轮发电机组的上导推力轴承油冷却器；射流泵排水用水以及水轮机蜗壳顶盖密封。
水轮发电机组轴承冷却
水轮发电机组轴承一般都是利用汽轮机油润滑和冷却，运行中摩擦产生的热量如果不可以及时导出，将会使得轴瓦以及油温上升，过高的温度不仅仅是加速油的老化，而且缩短的轴瓦的寿命，甚至可能使得轴承烧毁。
为此，通常是在轴承箱中设置蛇形管式油冷却器，冷却水不断从管内通过，吸收并且带走热量。
4.1.2技术供水要求
技术供水主要是对于水的水量、水温、水压、以及水质的要求[12]。
（1）水量用水设备的所需水量由制造厂家给定。
（2）水温通常，各种冷却器均是以入口水温为25oC作为设计标准，当入口水温高于限定值的时候，必须采用特殊设计的冷却水或者是增加冷却水量，如果入口水温是低于限定值的时候，可以适当的减少水量。
应该注意的是，冷却器温度也不可以过低，一般是不低于4摄氏度，水温过低会使得冷却水管会沿着长度方向温度变化过大，产生温度应力，甚至也由此产生裂纹而破坏，低温水管接触还会发生外壁接露，这是设备运行所不允许的。
（3）水压进入用水设备的水，必须具有一定的压力，不同用水设备的水压不相同，压力过低不能够维持要求的流量，压力过高可能是的冷却器或者是设备破坏。
（4）水质技术供水的水质要求，主要是限制水内的机械杂质、生物杂质以及化学杂质的含量，通常包括悬浮物，泥沙、有机物以及水生物。
4.1.3技术供水系统的组成
水轮发电机组的技术供水系统是由四个部分组成的，分别是水源选取、水质处理设备、供水管道系统、测量以及水力旋流器等。
（1）水原选取一般是从水电站所在的河流或者是水库中选取，可以分为从上游和从下游取水两大类。
从上游取水可以利用电站的水头取水，根据电站的具体条件的不同，可以分为从蜗壳取水，压力钢管取水以及坝前取水三种。
下游取水则是在上游取水不能满足要求的时候或者上游取水在能源利用方面很不合理的时候可以从下游尾水抽取技术用水，当河水不符合要求的时候（河水不符合要求主要是指河水中含沙量太大而且含有水生物以及有机物质），可由地下水源取得。
必须设置不同形式的备用水源，以保证供水可靠。
采用地下水源的时候，一般通常是由水泵抽取，因而投资和运行费用较高，某些电站的地下水具有一定的压力，可以自流供水。
有资料可知，新庄水电站是没有调节能力的，属于径流式电站，并且新庄水电站的水质不满足要求，因而新庄水电站的供水水源是选取的地下水，由于此次是对新庄水电站的增效扩容改建，所以有些设备可以在原有的基础之上加以应用，可以节省一定的投资。
（2）水质处理设备机组用水设备对于水质的要求，主要是限制水内的机械杂质、生物杂质、以及化学杂质的含量。
化学杂质去除较为困难，需要的费用以及设备比较多，中小型电站不进行，对于新庄水电站来说，也不设置这些设备[14]。
（3）供水管道系统一般是采
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