1、可逆式水輪機畢業(yè)設計任務書、基本資料和指示書河海大學水電學院動力系二。六年三月可逆式水輪機畢業(yè)設計任務書、設計內容根據原始資料，對指定抽水蓄能電站、指定原始參數進行機電部分的初步設計，包括 主機選型，調節(jié)保證計算、調速設計選擇、輔助設備設計，電氣設備設計等。二、時間安排機組選型設計：5周2 .調節(jié)保證計算：1.5周輔助設備設計：2周電氣設備設計：1.5周5 .整理成果：1.5周評閱答辯：1周總計12.5周三、成果要求設計說明書：說明設計思想，方案比較及最終結果，并附必要的圖表；設計計算書：設計計算過程，計算公式，參數選取依據，計算結果；圖紙：廠房橫剖面圖、水系統(tǒng)圖、氣系統(tǒng)圖、電氣主結圖等46張

2、。可逆式水輪機畢業(yè)設計原始資料仙游抽水蓄能電站仙游抽水蓄能電站站址位于福建省莆田市下轄的仙游縣西苑鄉(xiāng)，屬木蘭溪流域。距仙游 縣城28km，對外交通較為便利。上庫廣橋壩址位于木蘭溪上游支流大濟溪的上游，在西苑鄉(xiāng)廣橋村上游河谷中。下庫半 嶺壩址位于木蘭溪上游溪口溪上，在西苑鄉(xiāng)半嶺村上游約1km的河谷中。上、下水庫成庫 天然條件較好，輸水距離較短，上、下庫均有公路到達。本電站工程由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群及地面開關站組成。地下 廠房洞室群深埋于上下庫之間的雄厚山體內，水由隧洞式壓力鋼管引入廠房。仙游電站為日調節(jié)純抽水蓄能電站，平均每天抽水工況運行7h，發(fā)電工況運行5h。本 電站建成后

3、將承擔所在電力系統(tǒng)的調峰、調頻、調相及事故備用任務，在提高系統(tǒng)供電質量， 應付系統(tǒng)突發(fā)事故，保障系統(tǒng)安全運行等方面將起到較大的作用。機組選型設計水能參數一覽表上庫正常蓄水位m733死水位m715調節(jié)庫容萬m3692校核洪水位P=0.1%m736.5(Q=125m3/s)設計洪水位P=0.5%m735.8(Q=101m3/s)下庫正常蓄水位m285死水位m266調節(jié)庫容萬m3701校核洪水位P=0.1%m288(Q=465m3/s)設計洪水位P=0.5%m287.4(Q = 376m3/s)裝機容量MW1200水輪機工況最大水頭m459平均水頭m438最小水頭m421水泵工況最大揚程m472最小

4、揚程m438木蘭溪上游為閩東南多雨山區(qū)，屬亞熱帶海洋性季風氣候區(qū)，溫暖濕潤，雨量充沛，氣 溫高，濕度大，日照時間長。上庫廣橋壩址多年平均氣溫16.9。，極端最高氣溫35.3C，極端最低氣溫-7.TC；下庫半嶺壩址多年平均氣溫19.1 r，極端最高氣溫36.6C，極端最低氣 溫-6.2C。參考文獻1 .劉大愷，水輪機(第三版)，中國水利水電出版社，1997；蘇聯(lián)，可逆式水輪機機械，中國水利水電出版社，1982.梅祖彥，抽水蓄能發(fā)電技術，機械工業(yè)出版社，2000；楊開林等，水泵水輪機變化及水力瞬變，抽水蓄能國際論文集，1990；陳乃祥，可逆式水泵水輪機過渡過程，大電機技術，1998；Wylie E

5、 B, Streeter V Fluid Transient. McGraw Hill ,1978；浙江烏龍山抽水蓄能電站設計資料，2003.7浙江仙游抽水蓄能電站設計資料，2004.12江蘇溧陽抽水蓄能電站設計資料，2004.7可逆式水輪機畢業(yè)設計指示書(1)選型設計原則第一節(jié)抽水蓄能電站機組型式和單機容量選擇抽水蓄能電站的機型選擇，應根據水頭/揚程、運行特點及設計制造水平等因素經 技術經濟比較確定。抽水蓄能電站水頭/揚程高于800m時，宜選擇組合式機組(三機式) 或多級式水泵水輪機；水頭/揚程為800m100m時，宜選擇單級混流式水泵水輪機；水頭/ 揚程為150m50m時，宜選擇混流式水泵

6、水輪機或斜流式水泵水輪機；水頭/揚程低于50m 時，宜根據實際情況，通過技術經濟比較選擇婚流式水泵水輪機、謝流式水泵水輪機、軸流 式水泵水輪機或貫流式水泵水輪機。抽水蓄能電站裝機容量確定后，選擇單機容量和機組臺數時主要考慮以下因素：電力系統(tǒng)對抽水蓄能電站機組運行方式、事故備用和機組大修的要求，以及單機 容量占電網工作容量的比重；上、下水庫的調節(jié)特性，水頭、揚程、流量特性與運行方式；樞紐布置條件；交通運輸條件；機組泥沙特性；機組設備制造能力和技術水平；其他特殊技術要求。應在分析研究上述因素的基礎上，擬定不同的單機容量方案，經技術經濟比較選定。機 組臺數不宜少于兩臺。第二節(jié)水泵水輪機選擇原則水輪機

7、工況額定水頭選擇，應根據電站的水頭變化特性，機組運轉特性，擬定不 同比較方案，通過技術經濟比較后確定。選擇種，應重點研究額定水頭降低對機組穩(wěn)定運行， 以及電站的預想出力降低對系統(tǒng)電力平衡的影響。在確定額定水頭時，應研究水頭/揚程變 幅、機組運行穩(wěn)定性和效率等因素；當額定水頭接近最小水頭時，應論證其技術經濟合理性。水泵水輪機比轉速和額定轉速選擇的原則如下：比轉速應以水泵工況為基礎，綜合考慮水頭/揚程、空化特性、水質條件、綜合 加權平均效率、運行穩(wěn)定性和制造水平等技術條件，合理選擇。對于過機泥沙量大和建在高海拔地區(qū)的電站，應選用較低水平的比轉速。應對大容量、高水頭/揚程水泵水輪機的運行穩(wěn)定性(包括

8、振動、擺度、壓力脈動、 空載不穩(wěn)定S區(qū)等)進行充分的論證研究。此外，當所選比轉速超過水頭和容量相當的并 已成功投運的水泵水輪機的比轉速時，應專題研究。水泵水輪機額定轉速應選用發(fā)電機同步轉速。當水輪機有兩種及以上同步轉速可 供選擇時，應通過技術經濟比較后選定。對于水頭變幅大的水泵水輪機，應研究論證采用分 檔變速或連續(xù)調速技術的必要性和合理性。吸出高度的選擇應按水輪機空化特性和廠房在經濟合理條件下所能達到的要求確 定，并留有一定的裕度。特別是大容量、高水頭/揚程水泵水輪機，要求在機組的整個運行 范圍內不發(fā)生空蝕。水輪機安裝高程應根據水輪機和水泵各種工況下必要的吸出高度及相對 應的下游尾水位，經技術

9、經濟比較合理選定。在滿足安全可靠運行的條件下，應重視提高綜合加權平均效率，注意發(fā)電和抽水 的容量、水量平衡。機組結構合理，便于安裝維修，各部件應有足夠的剛度和強度，確保安全穩(wěn)定運 行。確定轉輪拆卸方式時，應考慮廠房布置、制造廠家經驗、機組運行與檢修等因素。 轉輪拆卸有上拆、中拆、下拆三種方式，一般宜選擇上拆或中拆方式。第三節(jié)主要性能參數的選擇在可行性研究階段和沒有制造廠的模型曲線時，可根據統(tǒng)計曲線和估算公式或參 考已建成抽水蓄能電站機組資料，初步選擇水泵水輪機轉輪直徑、轉速和吸出高度等主要參 數。有模型試驗曲線時，可按相似公式計算和選擇主要參數。效率修正公式可參考IEC60193標準執(zhí)行。第四

10、節(jié)進水閥的選擇對于中、高水頭/揚程的水泵水輪機，在每臺機蝸殼前應裝設進水閥，最大水頭/ 楊程低于250m時宜選蝴蝶閥；最大水頭/楊程高于250m時宜選球閥。如僅裝設筒形閥和其 他設備，應專題論證。進水閥在最不利情況下和在最大流量下都應能動水關閉，其關閉時間不超過機組在 最大飛逸轉速下持續(xù)運行的允許時間。進水閥可采用油壓或水壓操作。采用油壓操作時宜設單獨的操作油源。采用水壓 操作的進水閥，其液壓控制系統(tǒng)中控制閥的操作水源應可靠。操作壓力一般為4MPa7 MPa。 進水閥應設工作密封和檢修密封，密封可用水或其他方式操作。密封的投入和退出不僅應與 進水閥的開啟和關閉相閉鎖，而且還應與尾水事故門相閉鎖

11、，以保證電站的安全。伸縮節(jié)宜裝在進水閥的下游側，進水閥基礎不承受軸向水推力，軸向水推力由壓力 鋼管承受，在壓力鋼管上宜設置止推環(huán)等措施。第五節(jié)調速系統(tǒng)的選擇每臺機組應設一套包括調速器、油壓裝置及其附屬部件組成的調速系統(tǒng)。調速系 統(tǒng)應具有良好的穩(wěn)定性和調節(jié)品質，并滿足水輪機和水泵各種運行工況下穩(wěn)定運行和電力系 統(tǒng)對頻率調節(jié)與功率調節(jié)的要求。如抽水蓄能電站有黑啟動的要求，調速系統(tǒng)應能滿足黑啟 動對頻率等的要求。水泵水輪機宜優(yōu)先選用全數字微機調速器。操作油壓一般為4MPa7 MPa。調速 系統(tǒng)應選配電氣反饋機構。調速器的機械柜和電氣柜可分開布置，也可合在一起，視具體條件而定。調速器 機械柜內的明管和

12、各種連接桿件應盡量少。電液轉換器應具有很強的抗油污能力。如采用分 段裝置，其動作必須準確、安全可靠。第六節(jié)調節(jié)保證計算在可行性研究階段，可采用類似的水泵水輪機四象限曲線，進行甩負荷和水泵斷 電等過渡過程計算機仿真計算。對于高水頭/楊程、大容量的抽水蓄能電站，不要時可用兩 個及以上的不同計算程序和模型曲線進行調節(jié)保證參數的計算機仿真。獲得最終模型試驗曲線和水道系統(tǒng)尺寸等資料后，應重新進行甩負荷和水泵斷電 等各種過渡過程的計算機仿真計算，優(yōu)選導葉關閉規(guī)律和調節(jié)系統(tǒng)參數，必要時應對調節(jié)系 統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析和計算。計算機仿真計算除應按DL/T5058有關規(guī)定執(zhí)行外，還應重點復核最不利運行工況。 例如

13、：對幾臺機組共用一個調壓室的布置，應按最不利的上、下游水位和調壓室的波動 水位進行復核；對于一管(洞)多機的電站，應計算多臺機組同時或接連相繼甩負荷或水泵斷電時最不利的組合工況，及檢查一臺或幾臺機組甩負荷或水泵斷電對正在運行機組的影響。必要時，還宜計算在調試時進行的甩負荷和水泵斷電等工況，供調試參考用。機組允許最大轉速升高率基本上與常規(guī)機組同，詳見DL/T5186中的規(guī)定。但對于 大容量、高水頭/楊程水泵水輪機，允許最大轉速升高率/max不宜超過45%。水泵水輪機甩負荷和水泵斷電時的最大壓力升高率，按以下不同情況考慮：額定 水頭小于300m時，按DL/T5186中的規(guī)定執(zhí)行；額定水頭大于300

14、m時，宜小于30%，并 應進行技術經濟比較。計算最大壓力升高率時，可取上庫水位與蝸殼進口中心的高程差作為基準值。最大設計內水壓力值，應在計算值的基礎上考慮壓力脈動等因素，宜留有適當裕度。第七節(jié)技術供、排水系統(tǒng)和消防系統(tǒng)設計抽水蓄能電站一般埋深大，與水道系統(tǒng)連接的供排水系統(tǒng)除應考慮下游最高尾水 位的靜水壓力，還應考慮機組過渡過程的壓力上升，特別是各冷卻器、閥門和管道等的設計 壓力與試驗壓力，均應考慮系統(tǒng)可能出現的最大壓力。抽水蓄能電站應優(yōu)先采用水泵供水，水頭滿足自流供水條件時，也可采用自流供 水。如在同一水道上取水喝排水，取水口應遠離排水口，以防熱短路。對于有調相任務的抽 水蓄能電站，調相時不宜

15、將從本機組尾水取的冷水排向本機組的尾水，以防水溫升高，無法 長時間調相運行。取水口不應布置在尾水道頂部或上方，應布置在尾水道側下方，以防浮物與進氣。取水 口還應該遠離尾水管錐管，以防壓水時進氣。高水頭抽水蓄能電站一般不采用減壓供水方式，但水泵水輪機主軸密封供水，可 采用蛇形管等減壓措施從壓力鋼管取水，管路和濾水器等必須堅固可靠；也可采用水泵從尾 水取水等其他方式，但應考慮水泵失電荷黑啟動情況下主軸密封供水措施。采用水泵供水的大型抽水蓄能電站，每臺機組宜設2臺水泵單元供水，一臺工作， 一臺備用。各單元供水之間宜采用總管相連。水泵流量和揚程應滿足機組及各用水設備的要 求。對于用水量少和斷續(xù)用水的設

16、備如變壓器空載冷卻、變頻器冷卻等可另設單獨的水泵供 水。地下廠房的滲漏排水與檢修排水應嚴格分開，兩系統(tǒng)都必須安全可靠，確保廠房 安全。在條件允許的情況下，集水井的容積宜留有裕度。集水井和排水廊道的水可用水泵排 到下游調壓井、下游水庫或其他地方；有條件時，宜采用自流排水方式。滲漏排水系統(tǒng)的設計應留有裕度，以確保電站安全。直接與上、下水庫和引水系統(tǒng)相連的第一閥門，除要考慮檢修、更換和防滲漏等 措施外，還應采用高質量、經久耐用、抗銹蝕（如不銹鋼材料等）的閥門，必要時可采用雙 閥門。進水閥前的排水閥宜采用針閥，針閥前應設保護閥。對于地下廠房，供排水管道的布置應緊湊，便于運行維修。管壁厚度可適當加大；

17、閥門額定壓力與試驗壓力的等級宜適當提高。消防給水可采用自流供水、水泵供水或消防水池供水等方式，也可采用混合供水方 式。消防給水宜與電站技術供水、生活供水系統(tǒng)相結合，也可設置獨立的消防給水系統(tǒng)。消 防給水設計應符合SDJ278的要求。除上述要求外，技術供、排水系統(tǒng)和消防系統(tǒng)設計原則可參照DL/T5066執(zhí)行。第八節(jié)壓縮空氣系統(tǒng)設計壓縮空氣系統(tǒng)的設計應留有裕度，以滿足抽水蓄能機組頻繁啟動和工況轉換的要求。水泵工況啟動和機組調相時的壓水用氣，可從頂蓋壓入，也可從尾水管的上部壓入。 設計時宜同時考慮這兩種壓入方式的接口和管道，供調試時選擇。根據布置和制造條件，一般每臺機組宜設1個或2壓水儲氣罐。在空氣

18、壓縮機不工 作和罐內為最低工作壓力的情況下，儲氣罐的容積至少應能滿足連續(xù)完成2次壓低轉輪室水 面的用氣要求。各臺機組的儲氣罐可單獨運行，也可并聯(lián)運行。并聯(lián)運行時應設置必要的閥 門以防局部漏氣造成全廠事故。一般每臺機組宜設一臺空氣壓縮機。空氣壓縮機的排氣量，至少應能在60min120min 內滿足壓低一次轉輪室水面的用氣要求(包括這段時間內的漏氣量)，并留有裕度。全電廠至 少設1臺備用空氣壓縮機。空氣壓縮機宜并聯(lián)運行供氣。為防止壓水時部分壓水空氣積累在尾水道、尾水事故門頂或其他凹入處，應合理確 定壓水水位，并研究增設排氣設施的合理性。除上述要求外，壓氣系統(tǒng)設計原則可參照DL/T5066執(zhí)行。第九

19、節(jié)電氣一次設計1 .接入系統(tǒng)及電氣主接線設計抽水蓄能電站與電力系統(tǒng)連接的輸電電壓等級，應采用一級。在充分發(fā)揮電站作 用、滿足輸送容量、系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠性要求的前提下，出線回路數應盡量減少。設計電氣主接線時，應根據電站單機容量和臺數、出線電壓和回路數、系統(tǒng)和電 站對主接線可靠性及機組運行方式的要求，并結合樞紐布置和開關站型式等，通過技術經 濟比較后確定。在滿足可靠性要求的前提下，電氣主接線應盡量簡化。對出線電壓220kV及以上并采 用GIS的電站，其升高電壓側的接線，根據不同的可靠性要求，可采用變壓器一線路 組、單母線、橋形、角形等簡單接線。當發(fā)電機一變壓器組采用聯(lián)合單元或擴大單元時，應視其在系統(tǒng)

20、總裝機容量所占 比例，以及其在系統(tǒng)調峰容量中所占比例的大小經論證確定。需要由發(fā)電電動機電壓側引接廠用電源和啟動裝置電源的單元接線、擴大單元及 聯(lián)合單元接線，在發(fā)電機出口應裝設斷路器。換相開關宜裝設在發(fā)電電動機電壓側。發(fā)電電動機出口不設斷路器且升高電壓側 為220kV及以下，并采用封閉組合電器(GIS)時，換相開關可設在高壓側。采用背靠背啟動時，在電站內應能實現任一臺機組對電站其余任一機組的背靠背 啟動。可逆式機組啟動方式選擇可逆式機組啟動方式，根據機組容量、臺數和電站內或鄰近有無常規(guī)水電機組等 條件，遵循下列原則進行選擇。機組容量較大，應采用變頻(SFC啟動方式。當機組臺數為6臺及以上時， 可

21、選用2臺變頻啟動裝置。機組臺數少于6臺時，可選用1臺變頻啟動裝置，并以背 靠背啟動作為輔助啟動 方式：當廠內或鄰近有常規(guī)水電機組可利用時，也可選用背靠背 啟動方式。機組容量不大，在電網和機組制造允許的情況下，宜選擇異步啟動方式。在廠 內或鄰近有常規(guī)水電機組可利用時，可選用 背靠背啟動方式。經過技術經濟比較也可采用 變頻啟動方式。當利用廠內或鄰近電站機組進行同步啟動時，可采用發(fā)電機電壓直接連接。回 路阻抗不會影響同步啟動順利啟動時，也 可通過變壓器和輸電線路連接。在采用發(fā)電機電 壓直接連接時，應采用電纜或封閉母線，不宜采用架空線路。異步啟動引起電網公共點的電壓變動(波動)，即接入 變電站側母線電

22、壓變動 不宜大于2.5%。降壓啟動可采用加電抗器或主變壓器抽頭降壓方式。在對系統(tǒng)同樣沖擊水平的情況下宜 優(yōu)先選用后者。降壓異步啟動時，為減小由降壓到全壓轉換時電網公共點的 電壓變動(波動)，可 采取先投勵磁，待機組拉入同步后，再轉換至全壓的操作程序。設備選擇發(fā)電電動機發(fā)電電動機的型式、主要參數和結構應滿足系統(tǒng)和電站要求，在保證安全穩(wěn)定運 行的前提下應選擇技術先進、性能優(yōu)良的機組。發(fā)電電動機發(fā)電工況的額定輸出功率和電動工況的額定輸入功率，應與水泵水輪 機的水輪機工況的額定輸出功率及水泵工況的額定輸入功率相匹配。選擇發(fā)電電動機的電抗數值時，應結合系統(tǒng)要求、機組電磁和結構設計、發(fā)電 電動機電壓回路和

23、啟動回路開關設備選擇等，經技術經濟比較后確定。發(fā)電電動機在保證冷卻效果均勻、損耗小、安裝維護方便和空冷條件允許的前提 下，應優(yōu)先選用無風扇雙路徑向通風方式。當采用外加電動風扇冷卻時，應采用優(yōu)質、低 噪聲電動風扇。5） 高轉速大容量機組，應適當提高其臨界轉速與飛逸轉速比值，宜控制在1.25 左右。對非浮動式磁輒的轉子宜適當提高其分離轉速，對浮動式磁輒的轉子，在正常轉速 和飛逸轉速下應保證轉子的整體性、同心性和圓度。6）對大容量、高轉速發(fā)電電動機應裝設振動和擺度監(jiān)測裝置。7）大容量、高轉速發(fā)電電動機定子宜采用定子鐵芯在工地整圓裝壓和下線的工藝。8）為了改善和提高水泵水輪機在電站水頭變幅較大情況下的

24、運行特性及效率，和為 了滿足系統(tǒng)對水泵工況下進行功率調整和改善系統(tǒng)穩(wěn)定及無功調節(jié)能力的需求，可研究 采用轉子交流勵磁連續(xù)變速（變頻變速）的發(fā)電電動機。（2）主變壓器1） 在選擇主變壓器容量時，需計算主變壓器所連接機組的發(fā)電工況容量和所連結 機組的電動工況容量。對后一種工況，還要計及廠用電最大計算負荷和變頻啟動裝置的負 荷。2）在接入系統(tǒng)設計確定主變壓器調壓范圍時，應充分考慮機組的調壓能力，盡量 避免在廠內選擇有載調壓變壓器；需要的調壓范圍較大時，應對適當加大機組調壓范圍 和采用有載調壓變壓器兩種調壓方式進行技術經濟比較后選定。當主變壓器布置在地下洞室 時，宜優(yōu)先選用加大發(fā)電電動機調壓范圍的方式

25、。3） 冷卻器工作水壓較高時，為防止水進入油中，應采用雙層管式冷卻器。油、水 分腔，兩腔間留有空隙，并設置泄露自動報警裝置。（3）發(fā)電機電壓回路和啟動回路設備1）在進行發(fā)電機電壓回路設備選擇時，除遵守一般設備選擇規(guī)定外，尚應考慮以下 幾個問題：導體和設備的工作制（長期，反復短時）：變頻啟動和背靠背啟動時的短路電流計算；斷路器短路電流直流分量開斷特性和短路電流低頻開斷特性；開關電器的頻繁操作特性（操作次數、壽命；變頻和背靠背啟動時，可能引起的高次諧波干擾、過電壓及鐵磁諧振。2）導體和電器選擇時，校驗用的短路電流，應按可能發(fā)生最大短路電流的正常接 線方式計算。當電站設有背靠背啟動時，應按背靠背啟動

26、時可能發(fā)生的最大短路電流計算。 如計算出來的短路電流太大，導致設備選擇有困難時，應采取限制短路電流的措施。如可 在啟動回路內設限流電抗器，增加發(fā)電電動機直軸超瞬態(tài)電抗值，以及采用 無拖動并 網”方式等。3）斷路器應能在正常運行和整個啟動過程中發(fā)生故障時，可靠地開斷短路電流。對開斷直流分量的要求，不但要考慮正常運行發(fā)生故障時的直流分量，還應考慮對整個 啟動過程中發(fā)生故障時的直流分量大小的要求。 高壓開關(斷路器、隔離開關)應滿足頻繁操作要求。無需檢修的機械操作次 數宜大于10000次。發(fā)電電動機回路和啟動回路的斷路器宜選用SF6作為滅弧介質。在沒有合適的電制動隔離開關可供選擇時，可選用斷路器。大型抽水蓄能電站，宜選擇五極式的換相開關。啟動回路設備額定參數應按短時或反復短時工作制發(fā)熱條件計算。單機容量150MW及以上的大型抽水蓄能電站，啟動回路宜采用離相封閉母線。啟動容量占機組額定容量的百分數可按下列經驗數值初步估算：異步啟動60%120%同步啟動15%20%變頻啟動6%8%變頻裝置的容量選擇除與機組的旋轉阻力矩有關外，還與機組轉動部分的慣性 時間常數和啟動加速時間有關，加速時間可取90s300s。變頻裝置宜裝設輸入變壓器或隔離變壓器以隔離變頻裝置產