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水轮机的吸出高度和安装高程
由3.3.5可知，水轮机的吸出高度HS=1.15m。
卧轴混流式水轮机的安装高程，即主轴中心线的位置高程，按式（6-1）计算：
（6-1）
式中
—设计尾水位，10.0m；
Hs—水轮机的吸出高度，2.81m；
D1—水轮机的转轮标称直径，0.5m。
由上式计算得水轮机的安装高程Zs=12.56m。
六.2水轮机层的地面高程
由附图2：
水轮发电机组剖面图B-B和附图3：
水轮发电机组横剖面图A-A可知，水轮机主轴中心线到水轮机地面高程的距离为750mm，那么水轮机地面高程为11.81m。
六.3尾水设计及相关高程
六.3.1尾水管设计
图6-1尾水管尺寸示意图
本电站为小型电站，为减少开挖量，尾水管采用弯锥形，如附图3所示。
尾水管直锥段某些部位尺寸如图3-1所示，计算如下：
尾水管直锥段进口宽度D3=D1+1.0cm=50+1.0=51.0cm=0.51m；
直锥段长度L=4D3=4×0.51=2.04m；
尾水管出口到底板距离h=1.5D3=1.5×0.51=0.765m，取0.8m；
圆锥角θ=14o，半圆锥角θ/2=7o
尾水管出口宽度D4=
，圆锥角稍作改动，取为1.0m；
b=1.2D3=1.2×0.51=0.612m，
c=0.85D3=0.85×0.51=0.434m；
尾水管出口高程=11.81-2.04=9.77m。
由于本水电站的最低尾水位为10.0m，所以淹没深度为0.23m，且一般小型水电站尾水管出口应有0.5~1m的淹没深度，且降低尾水室顶部高程，与蝶阀坑相互错开，以利于布置，所以，在尾水管出口加长一段圆管，长度为0.50m。
那么尾水管出口高程为9.77-0.5=9.27m。
尾水管底板高程=尾水管出口高程-h=9.27-0.80=8.47m。
取底板厚度为0.5m，那么基础开挖高程为8.47-0.5=7.97m。
六.3.2尾水室设计
求出c=0.434，b=0.612，所以尾水室的宽度为B=0.612+0.612+1.0=2.22m。
该水电站的设计引水流量7.2立方米每秒，并且由于有4个水轮机所以，尾水室的流量
，经济流速
，
，
。
所以该尾水室的宽度取2.3m，高度取1.3m。
六.3.3尾水渠设计
尾水渠的流量
，经济流速
，
，
。
所以该尾水渠的宽度取2.3m，高度取1.3m。
每台机组设置单独的平板尾水闸门，尺寸：
2.5m×2.0m。
六.4吊车轨顶高程
本水电站为卧式机组，各部分组件吊装相对独立，不会互相干扰。
各组件从安装间起吊，近直线地到达预定安装位置。
装机顺序由远及近、由大到小依次安装。
本来最大吊运部件为2m×2m，根据厂房设备的起吊情况，选择洛阳市洛北起重设备厂生产的SQD手动单梁起重机。
吊车轨顶高程按下式计算：
（6-2）
式中，
水轮机地面高程，11.81m；
h7地面以上固定机组最大部件高度，为水轮机部分，1.3m；
h8吊运部件与固定的机组或设备间的垂直净距，0.8m；
h9最大吊运部件的高度，蜗壳，2.0m；
h10吊运部件与吊钩之间的距离，1.2m；
h11主钩最高位置至轨顶面距离，可从起重机参数表查出，0.61m。
由式（6-2）计算可得，
17.72m。
为取
18.00m
六.5厂房天花板高程和厂房顶高程
为了检修吊车和布置灯具，需在小车顶端到厂房天花板或屋顶大梁底面之间，留出至少0.3m的安全高度。
吊车在轨顶以上的高度由吊车规格决定。
天花板高度=吊车轨顶高程+吊车在轨顶以上的高度+安全超高
综合考虑，厂房天花板高程定为19.00m。
第七章主厂房的布置设计
七.1机组的布置方式
本电站装机台数为4台，机组台数较多，因此采用机组轴线与厂房纵轴线垂直的布置方式。
其优点是：
机组间距小，岔管较短，分岔角较小。
缺点是厂房宽度增大，尾水渠在发电机支座下通过，使尾水渠顶板上的荷载加大。
七.2厂房下部结构的构造和布置
卧式机组厂房下部结构比较简单，仅布置有尾水室和蝶阀坑等。
七.2.1尾水室
参照6.3内容；
七.2.2蝶阀坑高度和宽度
查《小型水电站》中册，对于卧式机组不必设置贯通全厂的主阀廊道，单个设置主阀坑即可。
主阀坑应便于主阀的安装、检修和操作,操作主阀一侧的空间应不小于1m，对于侧主阀外廓与坑壁的距离不小于0.8m。
厂内有吊车时，应将主阀布置在吊车工作范围之内。
蝴蝶阀主要尺寸：
a=1730mm；b=880mm；c=350mm；d=850mm；e=470mm。
（可查图4-1立式蝴蝶阀外形示意图）
所以，蝶阀坑长度=d+1000+800=2650mm=2.65m
蝶阀坑宽度=e+1000+800=2270mm=2.27m
蝶阀坑高度=
=1730+1000=2730mm=2.73m
七.3主厂房的长度和宽度
七.3.1机组间距
机组的布置方式：
机组的布置方式对确定厂房轮廓尺寸有较大的影响。
其布置方式有纵向布置、横向布置和斜向布置三种。
本设计厂房中的机组布置采用横向布置，机组等距离布置。
卧式机组厂房尺寸的原则有：
1、机组间距应满足两点：
发电机转子安装、检修时能抽出和套入；设备外廓之间的距离，一般为2m左右。
靠机组设备外端与侧墙的距离，同样满足上述要求。
2、电气屏柜与设备之间的距离，对于有吊车的厂房，一般不宜小于1.5m。
控制屏、动力屏后端离墙应有0.8~1.0m的距离。
3、当厂内设有主阀时，应设主阀坑，上下游侧与压力钢管连接的法兰面与墙的距离，一般不应小于0.3m。
4、安装间的面积，应满足一台机组扩大性检修的需要，一般可取为一个机组段长度的1.0~1.3倍，视机组容量和台数而定。
5、当厂内设有吊车时，确定厂房宽度应考虑到吊车的标准跨度要求。
根据以上原则确定：
机组间距
取5.5m
七.3.2边机组段长度
与安装间相邻的边机组长度，必须满足发电机层设备布置要求，下部块体结构尺寸应考虑蜗壳外围或尾水管边墙的混凝土厚度0.8m以上，而与安装间相对一端边机组段长度，除满足设备布置外，为了保证边机组在吊桥工作范围以内，则
，其中J为吊桥主钩至桥吊外侧的距离，x为吊车梁末端挡车板的长度，x一般为0.4~0.9m。
由此取边机距离墙壁的长度
=4.0m，
=4.83m。
七.3.3安装间的长度
安装间的长度当机组台数不超过4~6台时，可按检修一台机组时能放置四大部件并留有做够的工作通道来确定。
初步设计时，可采用
=（1.0~1.5）
，故取安装间的长度为7.83m。
七.3.4主厂房的总长度
当
、
、
、
、
确定后，则主厂房的总长度为：
厂房周边的墙体采用的厚度为0.37m。
柱子的尺寸为
m。
七.3.5厂房的宽度
主厂房的宽度应从厂房上部和下部结构的不同因素来考虑。
上部宽度取决于吊车的跨度，发电机尺寸、最大部件的吊运方式、辅助设备的布置与运行方式等条件。
厂房下部宽度取决于蜗壳和尾水管的尺寸。
根据水轮机发电机组横剖面图A—A得机组总厂约为6m，并考虑厂内交通及100000千克吊车的标准跨度为11m和保证能套入和抽出发电机转子，墙体宽度等因素，定出厂房的宽度为12m。
七.4安装间的布置
七.4.1安装间的位置
安装间一般均布置在主厂房有对外道路的一端，高程和主厂房高程一至。
对外交通通道必须直达安装间，车辆直接驶入安装间以便利用厂房桥吊卸货。
水电站对外交通运输道路可以是铁路、公路、或水路。
对于中小型水电对外交通运输道路站采用公路。
七.4.2安装间的尺寸
安装间与主厂房同宽以便桥吊通行，所以安装间的面积就决定了它的长度。
安装间的面积可按一台机组扩大性检修的需要确定，一般考虑放置四大部件，即发电机转子、发电机上机架、水轮机转轮、水轮机顶盖。
四大部件要布置在主钩的工作范围内，其中发电机转子应全部置于主钩起吊范围内。
发电机转子和水轮机转轮周围要留有1~2m的工作场地。
七.4.3安装间的布置
安装间内要安排运货车的停车位置
主变压器有时也要在安装间进行检修，这时要考虑主变压器运入的方式及停车点。
主变压器大修时常需吊芯检修，在安装间上设尺寸相同的变压器坑。
发电机转子放在安装间上时主轴要穿过地板，地板上在相应位置要设大轴孔，下要设大轴承台，并预埋底脚螺栓。
安装间大门尺寸选用4.4m×4.2m。
七.5主厂房内机电设备布置及交通运输
七.5.1主厂房内机电设备的布置
主厂房内的机电设备主要的有水轮发电机组及其辅助附属设备（调速器、励磁盘及机旁盘），蝴蝶阀等。
机组及其辅助附属设备：
调速器布置在发电机房，四周均留有大于1.0m宽的空间，以便于操作维修。
调速器紧邻发电机，以缩短管路和运行操作方便。
励磁盘与机旁盘装置在距离墙壁0.8m处。
七.5.2吊物孔
水电站厂房只在发电机层设有吊车，其他层如水轮机层的一些小型设备需要检修时，要将其吊运到发电机层的安装场，这就需要在发电机层的楼板上设置吊物孔，用于起吊发电机层以下几层的一些小型设备。
孔尺寸为2.2m×1.6m的吊物孔，盖有承重盖板。
第八章副厂房的布置设计
副厂房：
应紧靠主厂房，基本上布置在主厂房的上游侧，下游侧和端部，可集中一处，也可分两处布置，本设计布置在主厂房的上游侧。
副厂房的组成、面积和内部布置取决于电站装机容量、机组台数、电站在电力系统中的作用等因素。
八.1中央控制室
中控室是为了集中地对整座电站发电、配电、变电设备以及下游水位、流量进行监视和控制而集中布置各种控制仪表的专门房间。
其中布置有各种指示盘、同步盘、记录盘等控制盘、直流盘、保护盘和信号盘等，它是电站的神经中枢。
中控室应尽量靠近主机房，交通方便。
同时与开关站之间有方便通道联系。
引水式厂房中央控制室应尽量靠近主机房和开关站之间，并靠近机组。
一般也常布置在主厂房的一端，此时应结合装机顺序对初期发电和分歧过度的各种电缆、维护通道等进行统盘考虑，以保证中控室的安全运行。
中控室的净高度一般为4~4.5m.。
中控室和发电机层之间最好用玻璃做成隔音墙。
中控室下层应设电缆层或电缆夹层，净高度一般不小于2m，也不宜大于2.5m。
中控室附近应设置交接班室、值班室及卫生间等。
中控室的长为10m，宽为6m，中控室内放置7面保护屏，7面控制屏，3面厂用屏，3面直流屏，外形尺寸均为
（cm）60
，并设置一个工作台。
中控制的净高取3.9m。
八.2高压开关室
发电机低压配电设备是指发电机引出线至主变压器升压前的低压配电设备。
位于发电机和主变压器之间，并尽可能缩短其距离。
发电机低压配电设备通常布置于成套的开关柜中，其副厂房称为高压开关室。
高压开关室，当其长度超过7米时，应设两个向外开的门出口，通向其他房间或室外。
不应布置在厕所、浴室的下面。
高压开关室长为10m，宽为6m，里面放置13个高压开关柜，将开关柜设置成两排，中间的维护通道为1m，尺寸为长
（cm）120
。
开关室布置在安装场上游侧，开关室设有二扇宽度为1.2m的门。
八.3厂用设备的布置
厂用电大部分是交流电，厂用变压器常设两台，一台备用，布置在厂用开关室内。
厂用电小部分是直流电，主要供给操作电路、信号以及继电器用电。
直流电来自蓄电池，厂房一般需设直流电设备室。
直流配电室一般包括蓄电池室、酸室、套间、充电机室、通风机室、直流配电盘等，它们应作为一个整体而布置在一起。
根据以上要求将储酸室和蓄电池室布置在一起。
储酸室，宽度为4.3m，长度为5.6m；蓄电池室布置在储酸室的旁边，宽度为4.3m，长度为5.8m。
八.4楼梯
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