本科毕业论文---47到65米水头200mw水电站机电设计.doc

热能与动力工程专业毕业设计

毕 业 设 计 计 算 书

47到65米水头200MW水电站机电设计

专业年级 06级热能与动力工2班

学 号 06022213

姓 名 朱 宏

指导教师 张 蓉 生

评 阅 人 曹 林 宁

2010 年 6 月
中国 南京摘 要

此次设计是秀湾水电站的机电设备初步设计，设计内容共分为四个大章,包括：水轮机组主机选型，调节保证计算及调速设备选择，辅助设备系统设计，电气一次部分设计。共分为四个大章。
第一章水轮机组的选型设计中根据水头选中HL260/D74，经过选型有10个待选方案。根据水轮机在模型综合特性曲线上的工作范围，并结合由试算法划出发电机出力限制线，初步选出较优方案，再根据技术经济性及平均效率的比较在较优方案中选出最优方案。最终选择第Ⅲ方案为最优方案，4台HL260/D74机组，转轮直径3.30m，机组转速166.7rpm。
第二章调节保证计算及调速设备的选择中由于本电站布置形式为单机单管，所以只对一台机组甩全负荷情况进行计算。调节保证计算及调速设备选择中分别在设计水头和最高水头下选取导叶接力器直线关闭时间，计算相应的ξ和β，使β<55%，并选取接力器、调速器和油压装置的尺寸和型号。
第三章 辅助设备设计中分别对油、水、气三大辅助系统设计，按照要求设计各系统的工作方式并按照各计算参数选出油罐、水泵及储气罐和空压机等设备。
第四章 电气一次部分设计中，按照设计要求，先对接入系统进行设计计算，本设计中送电线路电压等级220KV，2回线路，送电导线型号LGJQ-400；接着进行主接线设计，对发电机电压侧，送电电压侧，近区负荷侧及电站自用电侧四部分考虑。发电机电压侧选用扩大单元接线，选取主变型号为SFPL-120000，送电电压侧选用变压器—母线接线，近区负荷送电线路电压等级35KV，选用2回线路，送电导线型号LGJ-50，变压器选择SL7-6300/35型2台，自用电负荷侧采用单母线分段接线；然后进行短路计算，按设计要求，取发电机出口侧、主变高压侧、近区供电高压侧和自用电低压侧进行短路计算，分别求出的有名值；最后，按照额定电压和电流选取电气设备进行校验，至此，本设计完成。

Abstract
What I do is the mechanical and electrical main design of XiuWan hydroelectric power station, including 4 important part: hydraulic turbine and power generator designed, governor and speed control equipment designed, auxiliary equipment designed and electrical part designed.
In the chapter 1 of Hydraulic Turbine and Generator Designed, there is 1 kinds of hydraulic turbine HL260/D74 for selection on the basic of the height of the hydroelectric power station. There are 10 plans to be compared in this part after the compute. First, selecting better plans by comparing power output line of generator and working territories of hydraulic turbine. Second, choosing the best one by assessing investment and average efficiency of every better plan. Finally, deciding to make the second plan as the best one. In the plan, I’ll use 4 units, the runner diameter is 3.30 meter,and the speed of running is 166.7rpm.
In the chapter 2 of Governor and Speed Control Equipment designed, the layout of the station is a required use with an invest penstock. Therefore, it needs to calculate for a unit when it rejects whole load. In this part, straight closing time of wicket get servomotor should be calculated in design head and maximum potential head. Then, calculate ξ and β, β<55%. Finally, choosing servomotor, governor and oil-handling facility.
In the chapter 3 of Auxiliary Equipment, this part is designed for watering and drainage system, air supply system and turbine oil system designed. According to designing requirement, I’ll select the right kind of turbine oil tanks, water pumps, air receiver and compressor.
In the chapter 4 of Electrical part, first of all, it should design intake system. The voltage step of transmitted wire is 220KV, 2 lines, and the wire is LGJQ-400. Secondly, it should design main wire. Generator side and 220KV side , load nearby side and using for station side should be included. Generator side: one line wiring, the transformer is SFPL-120000; 35KV side: The unit extension form; load nearby side: transmit and transformer unit, the transformer is SL7-6300/35; using for power station side: Transformer—line wiring form. Thirdly, it should calculate short current, including . Finally, fixing out electrical equipment according to and . That’s all.

目 录
原始资料：…………………………………………………………………- 4 -
第一章 水轮机的选型设计
第一节 水轮机型号选定 …………………………………………………… - 5 -
第二节 原型水轮机主要参数的计算 ………………………………… - 6 -
第三节 较优方案选择………………………………………………… - 16 -
第四节 技术经济指标计算………………………………………… - 18 -
第五节 最优方案选择 ……………………………………………… - 24 -
第六节 最优方案的进出流水道计算 …………………………………- 26 -
第七节 绘制厂房剖面图 …………………………………………… - 30-

第二章调节保证计算及调速设备的选择
第一节 设计水头下甩全负荷……………………………………… - 39 -
第二节 最大水头下甩全负荷……………………………………… - 44 -
第三节 调速设备的选择………………………………………………- 48 -

第三章 辅助设备
第一节 气系统……………………………………………………… - 50 -
第二节 水系统 ……………………………………………………… - 54 -
第三节 透平油系统 ………………………………………………… - 61 -

第四章电气部分
第一节 接入系统设计……………………………………………… - 64 -
第二节 电气主接线设计…………………………………………… - 65 -
第三节 短路电流计算 ……………………………………………… - 68 -
第四节 电气设备选择……………………………………………… - 76 -

参考文献 ………………………………………………………………… - 80 -
附图、附表 ……………………………………………………………… - 81 -

原始资料：
秀湾水电站位于四川省西川县，岷江支流上，电站建成后向四川电力系统供电。
本电站坝址选在西谷村上游2.5公里处，为低坝引水式建流电站，有部分日调节功能。
引水口至调压井的隧洞长600多米，调压井后压力钢管长103米，在厂房前分叉接至各台机组。公路自右岸进入厂区。
本电站下游水位曲线如下图所示：

图1 秀湾水电站下游水位曲线

下游特征洪水如下：
千年一遇洪水尾水位 896.5 (Q=13300 m3/s)
百年一遇洪水尾水位 895.6 (Q=10015 m3/s)
该地区年平均气温14.6°C，最高气温33.2°C，最低气温-4.7°C，年平均水温6.7°C，相对湿度较大，该河流含沙量亦较大。
电站建成后将承担基荷。本电站将在相距50公里处的映塘变电所接入系统。并向西谷村供电约2000千瓦。
本电站设计方案数据如下：
H max = 65 米 总装机 20 万千瓦
H a = 56 米 年利用小时数 6130 小时
H min = 47 米 保证出力 7 万千瓦

第一章 水轮机的选型设计
第一节 水轮机型号选定
一、水轮机型式的选择：
根据原始资料， 该水电站的水头范围为47～65m，适合此水头范围水轮机的类型有斜流式和混流式。又根据混流式水轮机的优点：
（1）比转速范围广，适用水头范围广，可适用30～700m；
（2）结构简单，价格低；
（3）装有尾水管，可减少转轮出口水流损失。
故选择混流式水轮机。
二、比转速的选择：
本电站是引水式建流电站，则有Hr=Ha=56m。
按我国水轮机的型谱推荐的设计水头与比转速的关系，水轮机的为

因此，选择在260左右的水轮机为宜。又根据原始资料所给定的秀湾水电站的特征水头，查《型谱新转轮性能曲线及流道尺寸汇编》第2页《中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表》，知可选HL260/D74。
三、机组台数拟定：
按电站建成后,在电力系统的作用及考虑到系统的稳定运行,初步拟定为2台,3台,4台,5台,四种方案进行比较。
表1－1
台数
单机容量（MW）
2
100
3
66.7
4
50
5
40

第二节 原型水轮机主要参数的计算
一、HL260/D74原型水轮机主要参数的计算
㈠、两台 (单机容量100MW)
1、计算转轮直径
水轮机额定出力：

上式中： -----发电机效率,取0.98
-----机组的单机容量（KW）
取最优单位转速n110=79r/min与出力限制线交点的单位流量为设计工况点单位流量，则Q11r=1.246m3/s,对应的模型效率ηm=0.893，暂取效率修正值Δη=0.03，η=0.893+0.03=0.923。模型最高效率为＝0.923。

按我国规定的转轮直径系列，计算值在标准值4.5m与5.0m之间。两者都取。
2、 计算原型水轮机的效率
(1) 当D1=4.5m时
设计工况原型水轮机的最高效率：
Δη=ηmax-=0.954-0.923=0.031
η=ηm+Δη=0.893+0.031=0.924
(2) 当D1=5.0m时
设计工况原型水轮机的最高效率：

Δη=ηmax-=0.955-0.923=0.032
η=ηm+Δη=0.926
3、同步转速的选择
(1) 当D1=4.5m时
单位参数修正

所以不用修正。即：则：

处于125r/min和136.4r/min之间，两者都取
(2) 当D1=5.0m时
单位参数修正

所以不用修正。即：则：

处于115.4r/min和125r/min之间，两者都取。
4、计算水轮机的运行范围
(1) 当D1=4.5m时
① n=125r/min
最大水头、最小水头和平均水头对应的模型水轮机单位转速

② n=136.4r/min
最大水头、最小水头和平均水头对应的模型水轮机单位转速

(2) 当D1=5.0m时
① =115.4r/min
最大水头、最小水头和平均水头对应的模型水轮机单位转速

② =125r/min
最大水头、最小水头和平均水头对应的模型水轮机单位转速

5、 设计工况下的单位流量:
(1) 当D1=4.5m时

式中： -----设计工况点原形效率，
-----机组的额定出力（KW）
(2) 当D1=5.0m时

㈡、三台 (单机容量 200/3 MW)
1、计算转轮直径
水轮机额定出力：

上式中： -----发电机效率,取0.98
-----机组的单机容量（KW）
取最优单位转速n110=79r/min与出力限制线交点的单位流量为设计工况点单位流量，则Q11r=1.246m3/s,对应的模型效率ηm=0.893，暂取效率修正值Δη=0.03，η=0.893+0.03=0.923。模型最高效率为＝0.923。

按我国规定的转轮直径系列，计算值在标准值3.8m与4.1m之间。用四分之一原则法选择D1=3.8m。
2、 计算原型水轮机的效率
设计工况原型水轮机的最高效率：
Δη=ηmax-=0.953-0.923=0.03
η=ηm+Δη=0.893+0.03=0.923
3、同步转速的选择
单位参数修正：

所以不用修正。即：则：

处于150r/min和166.7r/min之间，两者都取。
4、计算水轮机的运行范围
① n=150r/min
最大水头、最小水头和平均水头对应的模型水轮机单位转速

② n=166.7r/min
最大水头、最小水头和平均水头对应的模型水轮机单位转速

5、 设计工况下的单位流量:

式中： -----设计工况点原形效率，
-----机组的额定出力（KW）

㈢、四台 (单机容量 50MW)
1、计算转轮直径
水轮机额定出力：

上式中： -----发电机效率,取0.98
-----机组的单机容量（KW）
取最优单位转速n110=79r/min与出力限制线交点的单位流量为设计工况点单位流量，则Q11r=1.246m3/s,对应的模型效率ηm=0.893，暂取效率修正值Δη=0.03，η=0.893+0.03=0.923。模型最高效率为＝0.923。

按我国规定的转轮直径系列，计算值在标准值3.3m与3.8m之间。用四分之一原则法选择D1=3.3m。
2、 计算原型水轮机的效率
设计工况原型水轮机的最高效率：
Δη=ηmax-=0.951-0.923=0.028
η=ηm+Δη=0.893+0.028=0.921
3、同步转速的选择
单位参数修正：
所以不用修正。即：则：

处于166.7r/min和187.5r/min之间，两者都取。
4、计算水轮机的运行范围
① n=166.7r/min
最大水头、最小水头和平均水头对应的模型水轮机单位转速

② n=187.5r/min
最大水头、最小水头和平均水头对应的模型水轮机单位转速

5、 设计工况下的单位流量:

式中： -----设计工况点原形效率，
-----机组的额定出力（KW）
㈣、五台 (单机容量 40 MW)
1、计算转轮直径
水轮机额定出力：

上式中： -----发电机效率,取0.98
-----机组的单机容量（KW）
取最优单位转速n110=79r/min与出力限制线交点的单位流量为设计工况点单位流量，则Q11r=1.246m3/s,对应的模型效率ηm=0.893，暂取效率修正值Δη=0.03，η=0.893+0.03=0.923。模型最高效率为＝0.923。

按我国规定的转轮直径系列，计算值在标准值2.75m与3.0m之间。用四分之一原则法选择D1=3.0m。
2、 计算原型水轮机的效率
设计工况原型水轮机的最高效率：
Δη=ηmax-=0.950-0.923=0.027
η=ηm+Δη=0.893+0.027=0.920
3、同步转速的选择
单位参数修正：
所以不用修正。即：则：

处于187.5r/min和214.3r/min之间，两者都取。
4、计算水轮机的运行范围
① n=187.5r/min
最大水头、最小水头和平均水头对应的模型水轮机单位转速

② n=214.3r/min
最大水头、最小水头和平均水头对应的模型水轮机单位转速

5、 设计工况下的单位流量:

式中： -----设计工况点原形效率，
-----机组的额定出力（KW）

参考文献[3]
P110

参考文献[1]
P154（6-29）式

参考文献[1]
P162

参考文献[1]
P9表1-3

参考文献[1]
P38（3-17）式

参考文献[1]
P38（3-17）式

参考文献[1]
P39（3-22）式

参考文献[1]
P156（6-36）式

参考文献[1]
P157表6-9

参考文献[1]
P39（3-22）式

参考文献[1]
P157表6-9

参考文献[1]
P36（3-14）式

参考文献[1]
P36（3-14）式

参考文献[1]
P36（3-14）式

参考文献[1]
P36（3-14）式

参考文献[1]
P157

参考文献[1]
P162

参考文献[1]
P9表1-3

参考文献[1]
P38（3-17）式

参考文献[1]
P39（3-22）式

参考文献[1]
P156（6-36）式

参考文献[1]
P157表6-9

参考文献[1]
P36（3-14）式

参考文献[1]
P36（3-14）式

参考文献[1]
P157

参考文献[1]
P162

参考文献[1]
P9表1-3

参考文献[1]
P38（3-17）式

参考文献[1]
P39（3-22）式

参考文献[1]
P156（6-36）式

参考文献[1]
P157表6-9

参考文献[1]
P36（3-14）式

参考文献[1]
P36（3-14）式

参考文献[1]
P157

参考文献[1]
P162

参考文献[1]
P9表1-3

参考文献[1]
P38（3-17）式

参考文献[1]
P39（3-22）式

参考文献[1]
P156（6-36）式

参考文献[1]
P157表6-9

参考文献[1]
P36（3-14）式

参考文献[1]
P36（3-14）式

参考文献[1]
P157

参考文献[1]
P162

三、各方案列表如下
表1－2
方案
台数
直径(m)
转速(r/min)
(r/min)
(r/min)
(r/min)
Pr(MW)
%
HL220/D74 n110=79r/min Q11r=1.246m3/s
一
2
4.5
125
69.77
75.17
82.05
102.04
92.4
二
2
4.5
136.4
76.13
82.02
89.53
三
2
5.0
115.4
71.57
77.10
84.16
92.6
四
2
5.0
136.4
76.13
82.02
89.53
五
3
3.8
150
70.70
76.17
83.14
68.027
92.3
六
3
3.8
166.7
78.57
84.65
92.40
七
4
3.3
166.7
68.23
73.51
80.24
51.020
92.1
八
4
3.3
187.5
76.75
82.68
90.25
九
5
3.0
187.5
69.77
75.17
82.05
40.816
92.0
十
5
3.0
214.3
79.74
85.91
93.78

第三节 较优方案选择
一、画各方案工作范围
在模型综合特性曲线上画出根据给定的特征水头Hmin、Hr、Hmax以及另取一个水头H1所对应的单位转速n11和水轮机出力限制线相交。
在最小水头下，水轮机不能发出额定出力，此时水轮机受到出力限制线的限制，所以不需要试算最小水头下的Q11。
在最大水头和设计水头下，用原型水轮机效率η计算出来的Q11和此水头对应的n11的交点的模型水轮机效率加上修正值并不一定等于η，这就需要试算。
由，假定一个ηT，由此公式计算出一个Q11’,再由Q11’和对应水头的n11在图上找到一点，并查出此点的ηm,将此ηm转换成原型效率ηT’（按限制工况点效率误差Δη计），此时可比较ηT’和ηT是否相等，如果不等，则从新将ηT’代入公式计算，重复前面的过程，直到计算值同假设值相等为止，为了减少试算次数，一般只要前面两次单位流量相差值小于5%就认为可以了。
各方案计算列表如下：
表1－3

设计水头Hr=56m
最大水头Hmax=65m
Q11
ηm(%)
Q11
ηm(%)
方案一
1.330
86.9
0.990
90.9
方案二
1.318
86.9
0.963
90.8
方案三
1.256
88.5
0.972
90.8
方案四
1.245
89.1
0.985
90.8
方案五
1.258
88.1
0.975
90.4
方案六
1.224
90.5
0.911
89.2
方案七
1.190
88.9
0.943
90.3
方案八
1.182
91.3
0.948
89.3
方案九
1.345
84.2
1.095
90.5
方案十
1.290
86.8
1.076
90.2

将两个试算点连接起来，这样由水轮机出力限制线、以及五个水头所对应的单位转速就围成了各个方案的工作范围。
二、初选较优方案
根据前面拟定的各方案的工作范围是否包含高效区，或者包含高效区的面积大小；设计水头与平均水头是否接近等原则来初选较优方案。所列较优方案如下：
表1－4
方案
台数
单机容量 （MW）
直径（m）
转速 (r/min)
转轮型号
方案I
2台
100
4.5
125
HL260/D74
方案Ⅱ
3台
200/3
3.8
150
HL260/D74
方案Ⅲ
4台
50
3.3
166.7
HL260/D74
三、反算设计水头
方案Ⅰ
方案Ⅱ
方案Ⅲ

四、反算设计流量
方案Ⅰ
方案Ⅱ
方案Ⅲ

第四节 技术经济指标计算
一．动能经济指标
根据运转特性曲线，求各方案的平均效率
1、绘制转轮运转综合特性曲线和等效率曲线的绘制：
（1）在水轮机工作水头范围（Hmin～Hmax）内取4个水头对应的单位转速n11值在模型综合特性曲线上作水平线与其等效率线相交得一系列交点，根据交点处的Q11和ηm计算出原型水轮机的效率η和出力P具体结果见附表1。
（2）将各点的H、P值绘在坐标图上，将各点连成光滑曲线，即为某η的效率值。
（3）绘制出力限制线。在Hmin～Hr之间出力限制线一般由模型综合特性曲线的95%出力限制线换算而得。各方案的曲线见图1-1至1-3。
（4）根据所绘制的运转特性曲线计算各方案的平均效率

2、利用面积法求各方案的平均效率 ：

式中η1、η2为特性曲线上相邻等效率线上的效率值，A为两相邻效率线之间的面积。具体计算表见附表2，结果如下：
表1－5
方案
I
Ⅱ
Ⅲ
平均效率
0.9165
0.9199
0.9199
二．机电设备投资和耗钢量
(一)、水力机械部分
1.水轮机
由前选型计算可知选择水轮机为HL260/D74,根据转轮直径,估算各种方案的水轮机的重量:
表1－6
方案
台
数
直径(m)
单 重
（t/台）
总重(t)
单 价
(万元/t)
总 价
(万元)
Ⅰ
2
4.5
440
880
3.5
3080
Ⅱ
3
3.8
290
870
3045
Ⅲ
4
3.3
150
600
2100
2.调速器
按一台30万元来考虑，故各方案总价估算如下：
方案Ⅰ 总价30×2=60万元
方案Ⅱ 总价30×3=90万元
方案Ⅲ 总价30×4=120万元
3. 起重设备
起重设备的选择取决于跨度和转子重量。(跨度=4.5×D1）
三种方案的跨度分别为17.1m ,14.85m ,13.5m .
由于转速均大于150r/min，故选择悬式发电机。
发电机重量可按以下公式来计算：
（t）
上式中： KG-----估算系数，当发电机额定转速大于150r/min时，采用悬式机组。悬式机组KG范围为8～10 取KG =8,
-----视在功率（KVA）=Pr/cos,
cos----发电机功率因数，取0.85,
-----额定转速（r/min）.
发电机装机容量计算如下：
方案Ⅰ
方案Ⅱ
方案Ⅲ
由此得发电机重量如下：
方案Ⅰ 768.3 t
方案Ⅱ 519.2 t
方案Ⅲ 399.5 t

发电机转子重量一般可按发电机总重量的一半估算。
可得各方案转子重量分别为384.2t，259.6t，199.75t.
结合跨度可选择适合的起重器，查的各方案对应重量分别为
184t,129t,94t.

方
案
发电机容量
（MVA）
起重器重量
（t）
单价
（万元/t）
投资
（万元）
Ⅰ
117.65
184×2
2.2
809.6
Ⅱ
78.43
129×3
2.2
851.4
Ⅲ
58.82
94×4
2.2
827.2

4、辅助设备部分
辅助设备投资=k×（水轮机价格+调速器价格）
查《原始资料汇编》59页可得各方案的k值：
估算分别为：
方案Ⅰ k=3.6%
总价为：3.6%×（3080+60）=113.04万元
方案Ⅱ k=4.2%
总价为：4.2%×（3045+90）=131.67万元
方案Ⅲ k=4.2%
总价为：4.7%×（2100+120）=104.34万元
5 、设备安装运输费
安装设备运输费=κ×设备总价
查《原始资料汇编》可得各方案的κ值，分别得各方案设备安装运输费总价为：
方案Ⅰ： 7.9%×（3080+60+809.60+113.04）=320.95万元
方案Ⅱ： 8.2%×（3045+90+851.4+131.67）=337.68万元
方案Ⅲ： 8.5%×（2100+120+827.2+104.34）=266.18万元

（二）、电气部分
1、水轮发电机
发电机重量可按以下公式来计算：
（t）
上式中： KG-----估算系数，当发电机额定转速大于150r/min时，采用悬式机组。悬式机组KG范围为8～10 取KG =8,
-----视在功率（KVA）Sn=Pr/cos,
cos----发电机功率因数，取0.85,
-----额定转速（r/min）.
估算各方案发电机及转子的单重量及发电机总投资：
表1－8
方案
转速
(r/min)
Pr
（MW)
GF
(t)
总重
（t）
单价
（万元/t）
总价
（万元）
Ⅰ
125
102.04
768.3
1536.6
4.0
6146.4
Ⅱ
150
68.027
519.2
1557.6
4.0
6230.4
Ⅲ
166.7
51.020
399.5
1598
4.0
6392
2、变压器
方案Ⅰ Z=2台 Sn=100/0.85=117.65MVA 得 Tk=117t/台
总价为：117×2×5.0=1170万元
方案Ⅱ Z=3台 Sn=66.7/0.85=78.43MVA 得 Tk=99t/台
总价为：99×3×5.0=1485万元
方案Ⅲ Z=4台 Sn=50/0.85=58.82MVA 得 Tk=88t/台
总价为：88×4×5.0=1760万元
3、 开关设备
在初步设计时开关单价按100万元/台计算，每台机组设有两组开关。
由此计算各方案开关设备投资如下：
方案Ⅰ 总价100×4=400（万元）
方案Ⅱ 总价100×6=600（万元）
方案Ⅲ 总价100×8=800（万元）
4、 电气自动化设备
估算时以（发电机+变压器+开关设备）总价×10%计算。
计算结果如下：
方案Ⅰ 总价为：10%×（6146.4+1170+400）=771.64万元
方案Ⅱ 总价为：10%×（6230.4+1485+600）=831.54万元
方案Ⅲ 总价为：10%×（6392+1760+800）=895.2万元
5、电气部分运输费
电气部分运输费=κ×设备总价
方案Ⅰ 7.9%×（6146.4+1170+400+771.64）=670.56万元
方案Ⅱ 8.2%×（6230.4+1485+600+831.54）=750.05万元
方案Ⅲ 8.5%×（6392+1760+800+895.2）=837.01万元

参考文献[4]
P139图2-55

参考文献[2]
P59

参考文献[4]
P157表4-6

参考文献[2]
P59

参考文献[2]
P59

参考文献[5]
P183（4-59）式

参考文献[5]
P217图5-26

第五节 最优方案选择
一、 水力机械投资估算表 表1－9
方案
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
水轮机单重（吨/台）
440
290
150
水轮机总重（吨）
880
870
600
水轮机