1、热能与动力工程专业毕业设计 学生：姚尧 学号： 06022214 1 摘要 本设计是根据提供的原始资料对番江水电站的机电初步设计，设计内容共分为四章：水轮机主机选型，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。 第一章水轮机选型设计是整个设计的关键，根据原始资料，初步选出转轮型号为 HL260，共有 9 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，初步选出 3个较优方案，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出的最优方案水轮机型号为 HL260/D74，两台机组，转轮直径 6.5m，转速 93.8r/min，平均效率 90.36%。计算 最
2、优方案进出水流道的主要尺寸及厂房的主要尺寸，绘制厂房剖面图。 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，计算相应的和，使 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水、气、油三大辅助系统设计，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， 3回线路，送电导线型号 240LG
3、D ；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。发电机电压侧选用单元接线，选取主变型号为 *1 0000/22026SSPL ，送电电压侧选用五角形，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 50LGJ 。采用发电机出线接线，通过近区变压器升压送电，近区变压器型号为 35/4000J 1 LS 。自用电负荷侧采用暗备用的接线方式，其变压器的型号为 75.51/0002J 1 LS 。然后进行短路计算，按设计要求，取发电机出口侧、主变高压侧和近区变压器侧进行短路计算，分别求出 、 SiIII hs)4()2(“ 的有名值；最后，按照
4、额定电压和电流选取电气设备进行校验，至此，本设计完成。 关键字： 水轮机主机选型；水电站机电设计；蜗壳；尾水管；厂房；水轮机调节保证计算；水电站辅助设备；油、水、气系统；电气一次。 400MW 45 80m 水头 水电站机电初步设计 姚尧 学号： 06022214 2 abstract It is the mechanical and electrical initial design of Dongjiang hydroelectric power station, including: hydraulic turbine and power generator designed, gove
5、rnor 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 kind of hydraulic turbine HL260/D74 for selection, and there are 9 plans to be compared in this part. First, selecting better
6、 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 third plan as the best one. In the plan, I ll use 3 units, the runner diam
7、eter is 6.5 meter,and the speed of running is 93.8r/min. 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
8、 of wicket get servomotor should be calculated in design head and maximum potential head. Then, calculate and , 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 an
9、d 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, 3 lines, and
10、 the wire is 240LGD . Secondly, it should design main wire. Generator side and 110KV side , load nearby side and using for station side should be included. Generator side: unit wiring, the transformer is *1 0000/22026SSPL . load nearby side: transmit and transformer unit; using for station side: sin
11、gle bus and wiring in sections. Thirdly, it should calculate short current, including 、 SiIII hs)4()2(“ . Finally, fixing out electrical equipment according to eU and eI . That s all. Key words: Hydraulic turbline Screel case Regulate and guarantee to calculate Auxiliary Electrical part. 热能与动力工程专业毕业
12、设计 学生：姚尧 学号： 06022214 3 目 录 原始资料 5 第一章 水轮机的选型设计 7 第一节 水轮机型号选定 7 第二节 原型水轮机主要参数的选择 7 一 三台机组 7 二 四台机组 10 三 五台机组 10 四 六台机组 10 五 各方案参数列表 10 第三节 较优方案选择 10 第四节 技术经济指标计算 12 一 动能经济指标 12 二 机电设 备投资和耗钢量 14 第五节 最优方案选择 17 一 水利机械投资估算表 17 二 电气部分投资估算表 17 三 最优方案的主要参数 19 第六节 最优方案的进出水流道设计 20 一 转轮的计算 20 二 蜗壳计算 20 三 尾水管计
13、算 25 第七节 绘制厂房横剖面图 26 一 发电机外型尺寸估算 26 二 厂房各高程的确定 28 三 厂房宽度的确定 30 三 主厂房长度确定 30 第二章 调节保证计算及调速设备的选择 32 第一节 设计水头下甩全负荷时的调保计算 32 一 已知计算参数 32 二 管道特性计算 32 三 水击压力升高计算 34 四 转速上升计算 37 第二节 最大水头下甩全负荷下的调保计算 38 一 管道特性系数 38 二 水击压力升高计算 41 三 转速上升计算 43 第三节 调速设备的选择 44 第三章 辅助设备选择 45 第一节 水系统 45 一 技术供水系统 45 400MW 45 80m 水头
14、水电站机电初步设计 姚尧 学号： 06022214 4 二 消防和生活供水 50 三 检修排水 51 四 渗漏排水 53 第二节 气系统 53 一 气系统用户 53 二 供气方式 54 三 设备选择 54 第三节 透平油系统 57 一 透平油系统供油对象 .57 二 用油量估算 57 三 油桶及油处理设备选择 58 第四章 电气部分 59 第一节 接入系统设计 59 第二节 电气主接线设计 59 一 发电机电压侧 59 二 近区负荷侧 60 三 送电电压侧 62 四 电厂自用电侧 63 第三节 短路电流计算 65 一 化简电路图 67 二 计算短路电流 71 第四节 设备选择 85 一 断路器
15、选择 85 二 隔离开关选择 88 三 变压器 中性点隔离开关选择 91 四 避雷器的选择 91 五 电流互感器的选择 91 六 电压互感器的选择 92 七 其它设备选择 92 附录一 效率和出力计算结果 94 附录二 番口水电站电力系统接线图 98 参考文献 102 热能与动力工程专业毕业设计 学生：姚尧 学号： 06022214 5 原始资料 番口水电站位于我国河北省北部，滦河干流上，番口水库是综合利用的多年调节水库，主要任务是调节滦河水量供天津市和唐山地区工农业用水，引水结合发电，兼顾防洪。番口水电站建成后并入京津唐点网运行，在系统中担负调峰、调相和事故备用。 电站为坝后式。河谷宽约 6
16、00 米，主河槽位于右岸，宽为 100 米，大坝溢流段 350 米，布置在左岸 。厂房布置在右岸非溢流坝坝后，铁路右岸下游方向进厂。压力钢管为 140 米。 本电站下游水位曲线见下图： 下Q(m/s)基本参数： 电站总装机 45 万千瓦， 最高水头 MAXH 为 80 米， 平均水头 PH 60 米， 最小水头 minH 45米， 年利用小时数为 2010 保证出力为 13 万 千瓦。 其千年洪水位为 155.1 米， 五百年洪水位 153.9 米。 本地区年 平均气温 16.5 度，实测最高温度 37.6 度，实测最低温度 -15.8 度，电站建成后将在距离 80 公里的唐山变电所接入系统
17、,（电力系统接线图参见电气部分），并向太平庄供电5000 千瓦，送电距离 20公里。 番口水电站设计主要包括四部分内容： 水轮机主机选型设计，调节保证计算及调速设备选择设计，辅助设备系统（包括透平油、水、气系统）设计和电气部分设计。 400MW 45 80m 水头 水电站机电初步设计 姚尧 学号： 06022214 6 设计原则：选择效率最高，经济投资最少的，综合效益最好的作为最优方案。 设计程序： 1、按给定特征水头决定机组型号； 2、拟定机组台数； 3、确定水轮机的标准直径和标准 转速； 4、技术经济指标计算和比较； 5、选出最优方案。 热能与动力工程专业毕业设计 学生：姚尧 学号： 06
18、022214 7 第一章 水轮机组选型设计 第一节 水轮机型号的初步选择 一、水电站的主要参数 Hmax=80m Ha=60m Hmin=45m Hr=57m。总装机容量 400MW 二、转轮的形式 水电站的水头范围为 4580m，根据型谱新转轮性能曲线及流道尺寸汇编中的中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表，推荐使用水头范围，确定转轮型号为 HL260/D74. 第二节 水轮机主要参数的确定 按 电站建成后，在电力系统的作用和供电方式，电站装机台数分别按 2 台、 3 台、 4 台、 5 台、6 台五 种方案进行比较。 一、装机台数 2 台，单机容量 200000kW （一）水轮机设计水头下出
19、力 NG=200000kW， 发电机效率 G =0.98，因此水轮机设计水头下的出力为 kWNP GGr 2 0 4 0 8 298.02 0 0 0 0 0 （ 1-1） 式中： G 发电机效率，取 0.98； GN 机组的单机容量 kW； （二）水轮机转轮直径 初估时，可以近似取所选择的额定工况点的模型效率 M ，再加上 3%的修正值，即924.003.0894.003.0 MT ， Q11 值一般取特性曲线上最优单位转速 n110 与 5%出力限制线交点相应的 Q11=1.247m3/s。 cmmHQ PDTrr 6 4 747.69 2 4.0572 4 7.181.9 2 0 4 0
20、 8 281.9 5.15.1111 （ 1-2） 式中： T 水轮机原型率； Pr 机组的单机容量 kW； 400MW 45 80m 水头 水电站机电初步设计 姚尧 学号： 06022214 8 Q11 模型单位流量 m3/s； Hr 设计水头 m； 按我国规定的转轮直径系列，计算值处于标准值 6.0 m和 6.5m 之间，取 D1=6.5m。 （三）计算原型水轮机的效率 当 D1=6.5m时， 959.05.6 35.0)927.01(1)1(1 55110m a x DD MM （ 1-5） 式中： 0M 水轮机模型最优工况效率； D1M 转轮模型直径 m； D1 转轮原型直径 m； 0
21、 . 0 30 . 0 3 2=0 . 9 2 7-0 . 9 5 9=-= M0m a x （ 1-6） 式中： max 水轮机原型最优工况效率； 0M 水轮机模型最优工况效率； 限制工况原型水轮机效率： 9 2 6.00 3 2.08 9 4.01 M ，与假设效率 0.920 误差小于5%，故计算通过。 （四）同步转速 n 111DHnn Ar （ 1-3） 式中： n11r 水轮机模型设计转速 r/min； n11r=n11M+n11; n11=n11T-n11M=MMTM nn 1111 018.0)1( ;故 n110.03 n11M ,所以 n11 可以忽略 ，即 n11r=n1
22、1M HA 平均水头 m； D1 转轮直径 m； 当 D1=6.5m时 ， m in/14.945.6 6079111 rD Hnn Ar n介于 93.8r/min 与 100r/min 之间，故取 n=93.8r/min。 热能与动力工程专业毕业设计 学生：姚尧 学号： 06022214 9 （五）检验水轮机的运行范围 最大水头、最小水头和平均水头对应的单位转速 D1=6.5m， n=93.8r/min m in/9.9045 5.68.93m i n1m a x11 rHnDn （ 1-9） m in/7.7860 5.68.93111 rHnDnAA （ 1-10） m in/2.68
23、80 5.68.93m a x1m i n11 rHnDn （ 1-11） 式中： n 水轮机额定转速 r/min； D1 转轮原型直径 m； H 水头 m； 二、装机台数 3 台，单机 容量 133300kW 计算方法同上，采用 Excel 表格处理。具体计算过程见附表，计算结果见各方案计算数据列表。 三、装机台数 4 台，单机容量 100000kW 计算方法同上，采用 Excel 表格处理。具体计算过程见附表，计算结果见各方案计算数据列表。 四、装机台数 5 台，单机容量 80000kW 计算方法同上，采用 Excel 表格处理。具体计算过程见附表，计算结果见各方案计算数据列表。 五、 装
24、机台数 6 台，单机容量 66700kW 计算方法同上，采用 Excel 表格处理。具体计算过程见附表，计算结果见各方案计算数据列表。 各方案列表如下 400MW 45 80m 水头 水电站机电初步设计 姚尧 学号： 06022214 10 表 1-1 各方案计算数据列表 方案 装机台数 单机容量 kw 标称直径 m 同步转速 r/min 水头 m 转速 r/min 1 2 200000 6.5 93.8 45 90.9 60 78.7 80 68.2 2 3 133300 7.0 107.1 45 87.8 60 76.1 80 65.9 3 3 133300 5.5 115.4 45 94
25、.6 60 81.9 80 71 4 3 133300 5 115.4 45 86 60 74.5 80 64.5 5 3 133300 5 125.0 45 93.2 60 80.7 80 69.9 6 4 100000 4.5 136.4 45 91.5 60 79.2 80 68.6 7 5 80000 4.1 136.4 45 83.4 60 72.2 80 62.5 8 6 66700 3.8 150 45 84.9 60 73.6 80 63.4 9 6 66700 3.8 166.7 45 94.4 60 81.8 80 70.8 第三节 较优方案的选择 一、 较优方案的选择 （一）选择方法 将以上各待选方案的 n11max、 n11A、 n11min三条直线画在各自的模型综合特性曲线上，以每两个方案为一个比较组。选择三条直线包围高效区最好，并且 n11A 通过最高效率区的方案为较优的方案。当在一张图上有两个或两个以上的方案都能较好的包围高效区时，则用迭代法计算水轮机的单位流量，包括设计水头与最大水头。绘制（ Q11min， n11max）（ Q11r， n11r）的连线，尽可
