富春江水电站水动水轮机的初步设计毕业设计.doc

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1、摘 要本次设计是对富春江水电站的初步设计。初步设计主要是对水力机组的设计，进行了水轮机、发电机和调速器的选择。对厂房进行了布置，并对油、气、水等各辅助系统进行了设计。另外，在本次设计中还运用AutoCAD对厂房布置及油系统、气系统、水系统等系统图进行绘制，它们可以更直观的表达厂房和各个辅助设备的布置和构成。关键词：富春江水力发电 水力机组 辅助系统 厂房布置 AbstractIt was carried on the preliminary design of the Fu Chun Jiang hydropower stations in this design. The design of

2、 the hydraulic unit is main of preliminary design, it includes the followings: the choice of hydraulic turbine, generator and governor. The powerhouse layout also was designed as well as the auxiliary systems which include the oil system, the compressed air system and the water supply system. Beside

3、s, AutoCAD is used to draw powerhouse layout and the oil system, the compressed air system and the water supply system, etc. They can directly express the layout and components of the powerhouse and each auxiliary system.Keywords: Fu Chun Jiang hydroelectric power, hydraulic unit, auxiliary system,

4、building layout.目 录前 言- 1 -第一章 水轮机选择- 2 -1.1 机组台数选择- 2 -1.2 水轮机型号选择- 3 -1.3 水轮机转轮标称直径与转速计算- 4 -1.4 水轮机初选方案比较- 8 -1.5 绘制水轮机运转综合特性曲线- 13 -1.6 确定选定方案的主要参数- 19 -1.7 蜗壳的水力计算- 19 -1.8 尾水管选择- 22 -1.9 水轮机参数的确定- 25 -1.10 导水机构主要参数的选择- 26 -1.11 水轮机的结构说明- 29 -第二章 水轮发电机选择- 30 -2.1 发电机的主要参数- 30 -2.2 主要尺寸的确定- 30 -

5、2.3 发电机结构形式的选择- 31 -2.4 其他外形尺寸估算- 32 -2.5 发电机重量估算- 34 -2.6 计算飞轮力矩的惯性时间常数- 35 -2.7 发电机结构说明-35-第三章 调保计算及调速设备选择- 37 -3.1 调节保证计算- 37 -3.2 调速器选择- 44 -3.3 油压装置选择- 45 -第四章 厂房布置- 47 -4.1 厂房起重机的选择- 47 -4.2 厂房布置- 48 -第五章 辅助系统- 54 -5.1 技术供水系统- 54 -5.2 排水系统- 55 -5.3 油系统- 59 -5.4 压缩空气系统- 61 -总 结- 66 -参考文献- 68 -致

6、 谢- 69 -附 录- 70 -长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文)前 言富春江水电站是我国自行建设的一座低水头河床式电站。它具有以发电为主,兼有农田灌溉、改善航运,发展渔业、上下游防洪、和城市供水等综合效益。电站位于浙江省钱塘江干流富春江上七里垅峡谷出口处。上流离新安江水电站约60公里,下游离杭州市约110公里。控制流域面积31300平方公里，多年平均流量1000秒立米，设计洪水流量23100秒立米，总库容9.2亿立米，设计灌溉面积6万亩，装机容量29.72万千瓦。 电站枢纽主要建筑物有大坝、厂房、船闸、鱼道、灌溉渠首及升压站、开关站等。拦江大坝为混凝土实体重力式溢流坝，坝顶

7、高程32.2米,最大坝高47.7米；坝顶长度554.4米，坝基岩石为流纹斑岩，坝体工程量65万立方米，主要泻洪方式为坝顶溢流；溢流坝段全长287.3米,坝顶高程11.6米,共分17孔,每孔净宽14米,弧形闸门控制,最大泻流量33560立方米每秒.河床式发电厂房,位于毅力坝段左侧,是挡水建筑物的一部分,全长189.15米,水上部分宽24.7米,水下部分宽61.25米；主厂房最大高度57.4米,净宽19.2米,安装4台单机容量6万千瓦及一台容量5.72千瓦转叶式水轮发电机组,以110千伏、220千伏输电线路联入华东电网.升压站、开关站设置在厂房左侧山坡平台上。船闸规模为100吨级，布置在右岸，闸室

8、有效长度102米，口门宽12.4米.鱼道位于厂房与溢流坝段之间,采用“Z”字形梯级布置。灌溉渠首分设左右两岸，左岸渠首引水流量1.5亿立方米每秒,右岸渠首引水流量5立方米每秒。富春江水电站基本情况是：电站是发电兼调相、调频、调压为主的综合利用工程水库为日调节，总库容9.2亿米3。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。电站总装机容量29.72万千瓦，年发电量9.23亿度；船闸通行能力为100300吨级船舶，为不完全年调节电站，最大水头：16.9米，加权平均水头： 15.8米，设计水头：14.3米，最小水头：6.2米。根据上述情况对水轮机，发电机和调速器等设备进行选型设计选择

9、，对辅助系统：技术供水、排水、油系统和压缩空气等系统的结构，主厂房布置进行设计。本设计报告是依据水轮机设计手册、水电站动力设备设计手册、水轮机高的学校教材、水轮机高等学校教材（专科适用）国家标准进行设计。注意了理论与实践的密切结合，水轮机初步设计的基本理论和实际情况进行了简要的分析和计算，对水轮机进行选型设计，对调节保证计算，本设计报告共分为十一部分：一、水轮机型号选择；二、水轮发电机选择；三、调保计算及调速设备选择；四、厂房的布置；五、电厂辅助系统；六、本设计总结；七、参考文献；八、致谢；九、附录。由于种种原因以及本人的水平有限，难免出现一些错误，望老师给予指正和批评。- 1 -长 春 工

10、程 学 院 毕 业 设 计 (论 文)第一章 水轮机选择1.1 机组台数选择确定机组台数时，必须考虑以下有关因素，经过充分的技术经济论证:1.1.1 台数对工程建设费用的影响机组台数的多少直接影响单机容量的大小，单机容量不同时，机组的单位千瓦的造价不同，一般，小的机组的单位千瓦造价高于大的机组。一方面，小机组的单位千瓦金属消耗高于大的机组，另外，单位重量的加工费用也较大。除主要机电设备外，机组台数的增加，要求增加配套设备的台数，主副厂房的平面尺寸也需增加，因此，在同样的装机容量条件下，水电站的土建工程及动力厂房的成本也随机组数的增加而增加。1.1.2 机组台数对电站运行效率的影响当采用不同的机

11、组台数时，电站的平均效率是不同的。较大单机容量的机组，其单机效率较高，这对于预计经常满负荷运行的水电站获得的效率较显著。但是，对于变动负荷的水电站，若采用过少的机组台数，虽单机效率高，但在部分负荷时，由于负荷不便在机组间调节，因而不能避开低效率区，这会使电站的平均效率降低。电站的最佳装机台数，要通过电厂的经济运行分析来确定。1.1.3 机组台数对电厂运行维护的影响机组台数较多时，其优点是运行方式灵活，发生事故时电站及所在系统的影响较小，检修也容易安排。但台数较多时，运行人员增加运行用的料，消耗增加，因而运行费用较高。同时，较多的设备与较频繁的开停机会使整个电站的事故发生率上升。1.1.4 机组

12、台数对设备制造、运输及安装的影响机组台数增加时，水轮机和发电机的单机容量减少，则机组的尺寸小，制造、运输及现场安装都较容易。反之，台数减少则机组尺寸增大，机组的制造、运输和安装的难度也相应加大。因此，最大单机容量的选择要考虑制造厂家的加工水平及设备的运输、安装条件。此外，从发电机转子的机械强度方面考虑，发电机转子的直径必须限制在转子最大线速度的允许值之内，机组的最大容量有时也会因此受到限制。1.1.5 机组台数对电力系统的影响对于占电力系统容量比重较大的水电厂及大型机组，发生事故时对电力系统的影响较大，考虑到电力系统中备用容量的设置及电力系统的安全性，在确定台数时，单机容量不应大于系统的备用容

13、量，即使在容量较小的电网中，单机容量也不宜超过系统容量的1/3。1.1.6 机组台数对电厂主接线的影响由于水电厂水轮发电机组常采用扩大单元主接线方式（超大型机组除外），故机组台数多采用偶数。同时为了运行方式的机动灵活及保证机组检修时的厂用电可靠，除特殊情况外，一般都装两台以上机组。对于装置大型机组的水电厂，由于主变压器的最大容量受到限制，常采用单元接线方式，因此机组台数的选择不必受偶数的限制。以上与机组台数有关的诸因素，许多是既相互联系又相互矛盾的，在选择时应针对主要因素进行综合技术经济比较，选择出合理的机组台数。 基于上述原则和因素，初选机组台数为5台,6台和7台。1.1.7 确定方案富春江

14、水电厂总装机容量为29.72万KW。方案： 5台 46+5.72=29.72万 KW方案： 6台 5万KW方案： 7台 6万KW1.2 水轮机型号选择表1-1 水轮机适用范围型式适用水头H（M）轴流式ZZ5601022混流式HL31030 根据所给的原始资料，电站的装机容量为297.2NW，最大水头为16.9米，设计水头为14.3米，最小水头为6.2米。在最大水头16.9米和最小水头6.2米下符合要求的有HL310和ZZ560两种。但因HL310是英式的，资料不全，因此放弃HL310。由附表1（1）可选型号ZZ560，其相应参数如表1-2.表1-2 ZZ560相关参数表 （根据参考文献8P37

15、0）水轮机型式轮毂比dh/D1导叶相对高度bo/D1最优单位转速n110推荐最大单位流量Q110模型空化系数ZZ5600.400.4130(r/min)2000（L/S）0.59-0.771.3 水轮机转轮标称直径与转速计算现以整数为标准计算1.3.1 五台机组（1）转轮直径D1的计算水轮机的额定出力为式中 P水轮机出力 N发电机额定容量 发电机效率（在这里取0.97）取最优单位转速n110=130r/min与出力限制线交点的单位流量为设计工况单位流量。对于转桨式水轮机或者未标出出力限制线的水轮机，Q11一般不超过型谱参数表中的推荐值，则，对应模型效率为，暂取效率修正值为%，则设计工况点原水轮

16、机的效率为，水轮机转轮直径D1为按照我国规定的转轮直径，选取直径为8m。式中 P发电机额定容量；kWQ水轮机额定工况的单位流量，H设计水头原形水轮机效率(2) 效率的计算式中 ：原形水轮机效率 模型水轮机最高效率D模型水轮机转轮直径 限制工况原形水轮机效率为（3）转速n的计算n=130根据发电机同步转速表（课本P326）取水轮机转速计算值介于发动机同步转速60 r/min62.5 r/min,因靠近62.5 r/min。故水轮机的转速为62.5 r/min。1.3.2 六台机组(1) 转轮直径D1计算水轮机的额定出力为式中 P水轮机出力（KW） N发电机额定容量(KW) 发电机效率（在这里取0

17、.97）取最优单位转速n110=130r/min与出力限制线交点的单位流量为设计工况单位流量。对于转桨式水轮机或者未标出出力限制线的水轮机，Q11一般不超过型谱参数表中的推荐值，则，对应模型效率为，暂取效率修正值为%，则设计工况点原水轮机的效率为，水轮机转轮直径D1为按照我国规定的转轮直径，选取直径为7.5m。式中P发电机额定容量，kWQ：水轮机额定工况的单位流量，H设计水头原形水轮机效率(1) 效率的计算式中 原形水轮机效率 模型水轮机最高效率D模型水轮机转轮直径 限制工况原形水轮机效率为(2) 转速n的计算n=130转速计算值在发动机标准同步转速表与最接近的转速为65.2，故选转速为65.

18、2r/min。1.3.3 七台机组(1) 转轮直径D1计算水轮机的额定出力为式中 P水轮机出力 N发电机额定容量 发电机效率（在这里取0.97）取最优单位转速n110=130r/min与出力限制线交点的单位流量为设计工况单位流量。对于转桨式水轮机或者未标出出力限制线的水轮机，Q11一般不超过型谱参数表中的推荐值，则，对应模型效率为，暂取效率修正值为%，则设计工况点原水轮机的效率为，水轮机转轮直径D1为按照我国规定的转轮直径，选取直径为7.0m。式中P发电机额定容量，kWQ：水轮机额定工况的单位流量，H设计水头原形水轮机效率(1) 效率的计算式中 原形水轮机效率 模型水轮机最高效率D模型水轮机转

19、轮直径 限制工况原形水轮机效率为(2) 转速n的计算n=130转速计算值在发动机标准同步转速表与最接近的转速为70.23r/min，故选转速为71.4r/min。对以上方案计算结果，可进行比较：表1-3 水轮机初选方案方案机组台数水轮机型号转速n()直径D(m) I 5 ZZ560 62.5 8 II 6 ZZ560 65.2 7.5 III 7 ZZ560 71.4 7.01.4 水轮机初选方案比较对初选的三个方案，从效率，吸出高度，重量等方面进行比较。1.4.1 水轮机重量估算水轮机总重量是指不包括调速器，油压装置和其他辅助设备的水轮机整体重量,从参考文献（1P138和2P31）中，查的当

20、水头H=080m时，k=2.45,b=0.4水轮机重量按如下公式计算：a= ( 解得 a1=2.172,a2=2.162,a3=2.14) G=KDHb (t) I方案 D=8.0m tII 方案 D=7.5m III 方案 D=7.0m 转轮重量按如下公式计算：式中转轮轮毂比。转轮重量分别为 ：I方案 t由于直径大于4.6m，所以 II 方案 由于直径大于4.6m，所以 III 方案 由于直径大于4.6m，所以表1-4 各方案最大效率表方案 直径D（m） 最大效率（%） 型号 总重G（t）转轮重（t）(%) I 8.0 0.932 ZZ560 760.8 182.10.923 II 7.5

21、0.931 ZZ560 553.11540.922 III 7.0 0.93 ZZ560486.8128.70.9211.4.2 计算各方案出力（1）校核出力Q=QD （1-1）N=9.81HQ （1-2）式中 Q设计流量Q设计工况点单位流量 N水轮机校核出力 I方案 Q=28.02=484.04 N=9.8114.3484.040.923=67902 kW II方案 Q=27.5=425.42 N=9.8114.3425.420.922=59679kW III方案 Q=27.0=370.59 N=9.8114.3370.590.921=51988kW（2）最小水头的出力N的计算根据公式：I方

22、案 N=9.81484.046.20.923=27172 kWII方案 N=9.81425.426.20.922=23856 kWIII方案N=9.81370.596.20.921=20759 kW(3) 受阻容量I方案 N= N- N=67902-27172=40730kWII方案 N= N- N=59679-23856=35822kWIII方案 N= N- N=51988-20759=31228kW表1-3 出力计算表 方案 D （m） N（kW） N（kW）N（kW） I 8679022717240730 II 7.5596792385635822 III 751988207593122

23、81.4.3 各方案吸出高度在确定水轮机安装高程时，可以通过选择合适的几何吸出高度来控制转轮出口处的压力值，以防止翼型空化的严重发生。显然，吸出高度越小，则水轮机装的越低，水轮机抗空化性能越好；但水电站的基建投资则愈大。因此，选择合适的吸出高度是水轮机装置参数优化设计和水电站总体设计的技术经济的重要问题之一。在转轮型谱中，查得ZZ560的装置系数=0.590.77。值是根据n11与Q11值在模型综合特性曲线查的=0.75，取K=1.1，则吸出高度可以用下式计算。 （1-3） （1-4）式中： K水轮机的安全系数水轮机安装高程 m 最低尾水位 m(1) 吸出高度I方案 = 在这里取同理得 II

24、方案=-1.81m III方案=4.87m (2) 安装高程I方案 II 方案 III方案 这里取X=0.41。表1-4 各方案吸出高度计算表方案10-H(m) I9.9911.95-1.96 II9.9911.8-1.81 III9.995.124.871.4.4确定各方案水轮机工作区(1)各方案水轮机的设计单位流量Q= （1-5）式中：P水轮机额定出力kW 设计工况点原型水轮机效率I 方案 Q=1.91 II 方案 Q=1.82 III 方案 Q=1.67(2) 检验单位转速的范围I方案 n=62.5=121.6 n=62.5=200.8 II方案 n=65.2=119.0 n=65.2=

25、196.4 III方案 n=71.4=121.6 n=71.4=200.7 经过比较，方案III中，水轮机的实际运行范围稍微偏离最高效率区，方案I，II中，水轮机的实际运行范围处于最高效率区。1.4.5 确定初选方案 表1-5 水轮机方案比较表方案IIIIII装机容量（kW）297200297200297200机组台数567发电机出力（kW）600005000040000水轮机出力（kW）618565154641237水轮机校核出力（kW）618565154641237水轮机型号ZZ560ZZ560ZZ560转轮直径 （m）8.07.57.0同步转速（）62.565.271.4吸出高度 （m）

26、-1.96-1.814.88最小水头时出力 （kW）265572334117513受阻容量 （kW）407303582231228水轮机最大效率0.9230.9220.921水轮机单重（t）182.1154106.2水轮机总重（t）910.5924849.25水轮机工作区高效区高效区偏离高效区备注从表1-5中可以看出：II,I方案的工作区最好。而II 方案和III 方案还需进一步比较。1.5.1 绘制等效率线1.5 绘制水轮机运转综合特性曲线要求：每个叶片安放角求出一个相对应的效率修正值，下式中是模型水轮机最高效率，为原形水轮机最高效率，计算公式为： (1-6) (1-7)表16 各方案角的效

27、率差方案I-100-50 00 50100 150 200 0.8760.8800.8800.8800.8730.8590.8350.9210.9230.9230.9230.9210.9100.8950.0550.0430.0430.0430.0480.0500.060方案II-100-50 00 50100 150 200 0.8780.8800.8800.8800.8740.8590.8370.920.9230.9230.9230.9190.9090.8950.0420.0430.0430.0430.0450.050.058(1) 绘制等效率线计算表（见表1-6，1-8）表17 方案I 等

28、效率线计算转轮型号：ZZ560；=8（m）；=62.5 r/min；=0 r/min；=16.9m；=6.2m；=14.3m。5.54.34.34.34.85.0616.912112187.288888887.186.083.50.560.760.901.071.281.461.7792.792.393.193.191.991.089.5N（MW）22.5634.5441.2649.0557.9265.4278.0715.513013087.588.088.088.087.385.883.20.590.790.921.111.321.521.8393.092.392.892.392.190.8

29、89.8N（MW）23.7331.5336.7344.3152.5859.6971.0814.313513587.388.088.088.087.385.782.60.610.810.951.151.361.571.9092.892.392.392.392.190.788.6N（MW）21.7028.6633.6140.6848.0154.5864.528.018018083.184.584.783.5881.376.50.781.161.261.511.802.1388.688.88987.886.181.5N（MW）11.0816.52217.9821.2624.8627.846.2200

30、20081.081.681.079.075.00.871.281.41.692.068888.4888784N（MW）7.4210.9711.9414.2516.77表18 方案II 等效率线计算转轮型号：ZZ560；=7.5（m）；=65.2 r/min；=0 r/min；=16.9m；=6.2m；=14.3m。4.24.34.34.34.555.816.911411487.488.588.387.586.585.683.30.550.730.861.201.211.371.6691.692.892.691.891.090.689.1N（MW）19.3125.9730.5342.2342.2

31、147.5856.6415.512112187.789.189.088.187.085.983.50.560.750.891.051.261.441.7491.993.493.392.491.590.989.3N（MW）16.522.4626.6231.1036.9641.9649.8114.312412487.789.088.988.387.286.083.50.570.770.91.081.281.471.7791.993.393.292.691.791.089.3N（MW）15.6321.4425.0329.8435.0239.9247.17814814886.587.788.288.0

32、86.885.079.40.650.861.031.221 .471 .712.0690.7 92.0 92.592.391.390.085.2N（MW）10.2913.7716.6319.6523.4226.8630.626.218818882.883.883.582.278.80.821.111.321.581.9088.088.488.087.084.0N（MW）7.4210.9711.9414.2516.77注：；(2) 绘制等吸出高度线计算表（见表1-7，1-9）表19 方案I等吸出高度线计算转轮型号：ZZ560；=8（m）；=62.5 r/min；=0 r/min；=16.9m；=

33、6.2m；=14.3m； m16.91221220.350.450.550.650.750.9240.9140.9010.8890.8761.081.371.641.841.98N（MW）43.52854.6264.45371.3575.663.491.63-0.23-2.09-3.2115.51291290.350.450.550.650.750.9270.9150.9050.8930.8781.131.401.631.832.00N（MW）38.2146.7253.8059.6164.054.222.570.92-0.73-2.3814.31321320.350.450.550.650.7

34、50.9290.9170.9050.8930.8781.131.411.621.821.99N（MW）36.6443.9049.7755.1859.324.492.921.34-0.23-1.8081581580.350.450.550.650.750.9120.9180.9110.8980.8840.831.301.531.731.91N（MW）15.0323.6927.6730.8433.526.1445.043.942.841.746.22002000.350.450.550.650.750.8800.8800.8800.8730.8650.920.931.371.581.72N（MW）

35、7.807.9311.6912.6914.427.616.936.245.564.879表110 方案II等吸高度线计算转轮型号：ZZ560；=7.5；=65.2/min；=0 r/min；=16.9m；=6.2m；=14.3m； m16.91141140.350.450.550.650.750.920.910.8950.880.871.011.311.611.831.95N（MW）35.6245.7055.2461.7465.043.491.63-0.23-2.09-3.2115.51211210.350.450.550.650.750.9220.9130.9000.8870.8721.08

36、1.361.641.841.98N（MW）31.9239.8047.3252.3255.354.222.570.92-0.73-2.3814.31241240.350.450.550.650.750.9240.9130.9010.8890.8731.11.381.641.841.99N（MW）30.3337.6044.0948.8151.844.492.921.34-0.23-1.8081481480.350.450.550.650.750.9230.9180.910.8960.8810.991.351.571.771.93N（MW）15.9521.6324.9327.6729.676.144

37、5.043.942.841.746.21881880.350.450.550.650.750.8960.8960.890.881 0.8711.081.081.421.721.79N（MW）4.144.146.659.5211.447.616.936.245.564.879注：。1.5.2 绘制运转综合特性曲线图（如附录1，2）注：绘制功率限制线，功率限制线的垂直段可根据水轮机的额定功率来绘制斜线段可根据最小水头下的5%功率限制线的功率N来绘制。通过以上绘制运转综合特性曲线（见附录），出力限制线，等吸出高度线，可知方案I工作在高效区的范围较大，方案II的工作曲线与I相比较差，因此最终选择方案I为最佳方案。1.6 确定选定方案的主要参数1.6.1 转轮直径： D=8.0m1.6.2 水轮机最大效率 ：=92.3%1.6.3 同步转速：n=62.51.6.4 吸出高度： =1.96m1.6.5 安装高程： 5.81.96+0.41X8=7.12m (最低尾水位是5.8m，X取0.41) 1.6.6 飞逸转速： (对于保持协联关系的转桨式水轮机Kf取2.1) （根据1P5）1.6.7 轴向水推力：轴向水推力PZ是水流流进转轮时引起的一种轴向力。轴向水推力可按下式计算： （对于叶片数为4个，水推力系数KZ查表为0.85）1.6.8 转轮重量： G=182.1