黑河水利樞紐設(shè)計(jì)中的機(jī)電設(shè)備的選擇案例目錄TOC\o"1-3"\h\u32289黑河水利樞紐設(shè)計(jì)中的機(jī)電設(shè)備的選擇案例 1294561.1水輪機(jī)的選型 1110101.1.1HL220水輪機(jī)方案 2294711.1.2HL230水輪機(jī)方案 6282581.1.3兩種水輪機(jī)的比較 9223951.2蝸殼斷面形式的選擇及尺寸計(jì)算 10190611.2.1蝸殼型式的選擇 10271081.2.2蝸殼的包角 10227741.2.3蝸殼斷面的平均流速 10164651.2.4金屬蝸殼的水力計(jì)算 10221381.3尾水管設(shè)計(jì) 123531.4發(fā)電機(jī)的選擇及尺寸估算 136651.1.1發(fā)電機(jī)的選擇 13126171.2.1發(fā)電機(jī)主要尺寸的估算 13162181.2.2發(fā)電機(jī)外形尺寸的估算 151.1水輪機(jī)的選型水輪機(jī)型號(hào)的選擇是本設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要階段，性能與工程相匹配的水輪機(jī)，才能保證電站的穩(wěn)定、安全，電站效率的提高，能使電站安全可靠。選擇的水輪機(jī)應(yīng)便于安裝、檢修、維護(hù)及操作，要達(dá)到既使電站穩(wěn)定運(yùn)行，又節(jié)省經(jīng)濟(jì)的雙標(biāo)準(zhǔn)。水電站投資的多少與機(jī)組臺(tái)數(shù)密切相關(guān)，要使單機(jī)容量小，則應(yīng)該布置多臺(tái)機(jī)組，那樣的機(jī)組尺寸會(huì)小，對(duì)水輪機(jī)的制造技術(shù)與運(yùn)輸條件要求也較低。綜合考慮水電站的投資、電站運(yùn)行效率、發(fā)電量以及水電站的經(jīng)濟(jì)效益的影響，并根據(jù)水電站運(yùn)行維護(hù)要求、運(yùn)行方式機(jī)動(dòng)性和廠(chǎng)房用電可靠性等要求，設(shè)置全廠(chǎng)機(jī)組臺(tái)數(shù)不少于兩臺(tái)以保證運(yùn)行的可靠性和靈活性。水輪機(jī)的裝機(jī)容量為21MW，當(dāng)選定機(jī)組臺(tái)數(shù)為2臺(tái)時(shí)，單機(jī)容量為21/2=10.5Mw,當(dāng)選定機(jī)組臺(tái)數(shù)為3臺(tái)，則單機(jī)容量為21/3=7MW，通過(guò)對(duì)2×10.5Mw和3×7Mw的比較，可發(fā)現(xiàn)采用3×7Mw的時(shí)候，因單機(jī)容量小，機(jī)組運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝的難度也相應(yīng)減小；且3臺(tái)機(jī)比2臺(tái)機(jī)運(yùn)行靈活，檢修容易安排，維護(hù)方便，水文調(diào)度方便。經(jīng)綜合比較，本階段選擇3×7Mw方案。根據(jù)水頭范圍，查表選擇確定水輪機(jī)型號(hào)。本電站水頭范圍28~106m，適合采用混流式水輪機(jī)。本工程系徑流引水開(kāi)發(fā)方式，由高壓鋼管分別向各臺(tái)機(jī)組供水。本階段選用HL220、HL230機(jī)型進(jìn)行比較，根據(jù)兩個(gè)模型轉(zhuǎn)輪的綜合特性資料，提出了兩個(gè)機(jī)型方案，兩個(gè)模型轉(zhuǎn)輪均為當(dāng)前中大水輪機(jī)較先進(jìn)的轉(zhuǎn)輪，其主要參數(shù)選擇列于表。1.1.1HL220水輪機(jī)方案（1）轉(zhuǎn)輪直徑D1計(jì)算表3-1HL220模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)表由N=9.81QD12H√??η，可推出D1=式中：Nr——單機(jī)容量的發(fā)電機(jī)額定容量（kw）；ηg——發(fā)電機(jī)效率；ηt——水輪機(jī)效率；Hr——設(shè)計(jì)水頭（m）；Q1max’——單位流量（m3/s）；D1——水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑（m）。根據(jù)HL220水輪機(jī)參數(shù)和HL220水輪機(jī)的模型特性曲線(xiàn)，可以得到在限制工況下的單位流量Q1M'=1.15m3/s，ηM=89%，初設(shè)原型水輪機(jī)該工況下Q1'假定水輪機(jī)的最佳效率η1＝97％，算出水輪機(jī)的額定功率Nr=N1/η1=7000/97%=7216KW，因?yàn)楹诤铀娬臼且粋€(gè)壩后式水電站，因此Hr=0.95Hav=60m。則D?=72169.81×1.15×61×60×0.91(2)轉(zhuǎn)速n的計(jì)算查表3-1，可以知道水輪機(jī)的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n10’==70r/min。轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為：n=式中：n10’——最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速（r/min）；Hav——平均水頭（m）；D1——水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑（m）n——水輪機(jī)轉(zhuǎn)速（m/s）。將n10’=70r/min,Hav=60m，D1=1.60m代入公式得n=352r/min表3-2磁極對(duì)數(shù)與同步轉(zhuǎn)速關(guān)系表根據(jù)表3-3選擇與之接近而偏大的同步轉(zhuǎn)速n=375r/min。(3)效率及單位參數(shù)修正對(duì)于混流式水輪機(jī)，且H<150??時(shí)，原型效率ηmax=1-(1-ηMmax)(/D1)(3-5)式中：ηMmax—最優(yōu)工況下的模型最高效率，D1M—對(duì)應(yīng)模型轉(zhuǎn)輪的直徑，查資料可以得到HL220型水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的模型最高效率為Mmax=91.0%,模型轉(zhuǎn)輪直徑為D所以ηmax=1-（1-0.91）(0.461.6)15=93%，得到效率修正值為=-=93%-91%=2%為了解決制造工藝上的問(wèn)題，常用的做法是在已求得的?η值中減去個(gè)修正值ξ，這樣可在最大程度上去克服質(zhì)量差異。取ξ=1%，效率修正值變?yōu)?η=1%，所以原型水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的效率ηmax=ηMmax+?η=91%+1%=92%，在限制工況下的效率為η=ηM+?η=89%+1%=90%，可以看出，這個(gè)結(jié)果與上述假定的值是基本一樣的，所以是正確的假設(shè)。單位轉(zhuǎn)速修正值按以下計(jì)算確定得出Δn1'n10M=0.920.91?1=0.5所以原假定的n=375r/min,Q1′=1.15m3/s,D1=1.6是正確的(4)工作范圍的檢查在選定D1、n后，可計(jì)算出水輪機(jī)Q1max'求出Q’1max=72169.81×1.6×1.6×60×60×0.9=水輪機(jī)的最大引用流量為Qmax=Q’1maxD12=0.687×1.62×60=11.62m3各個(gè)特征水頭相對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速nnn（5）允許吸出高度Hs根據(jù)以下公式計(jì)算：Hs≤10－-KσH式中：K——安全系數(shù)，一般取K=1.1～1.2，取1.2；▽——電站下游平均尾水位高程，490（m）；σ——水輪機(jī)汽蝕系數(shù)，查得σ=0.133；H——電站設(shè)計(jì)水頭（m）；Hs——水輪機(jī)吸出高度（m）。當(dāng)▽=490m，H=60m時(shí)，計(jì)算得Hs≤-0.13m。Hs——水輪機(jī)吸出高度（m）表3-2HL230型水輪機(jī)吸出高度計(jì)算表項(xiàng)目最大水頭設(shè)計(jì)水頭最小水頭水頭1066028單位轉(zhuǎn)速111.3977.4658.28氣蝕系數(shù)0.1330.1330.133吸出高度Hs-7.47-0.134.98選擇三個(gè)數(shù)值中的最小值作為其吸出高度HS1.1.2HL230水輪機(jī)方案由N=9.81QD12H√??η，可推出由N=9.81QD12H√??η，可推出D1=式中：Nr——單機(jī)容量的發(fā)電機(jī)額定容量（kw）；ηg——發(fā)電機(jī)效率；ηt——水輪機(jī)效率；Hr——設(shè)計(jì)水頭（m）；Q1max’——單位流量（m3/s）；D1——水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑（m）。根據(jù)HL230水輪機(jī)參數(shù)表和HL230水輪機(jī)模型特性曲線(xiàn)圖，可以知道限制工況下的單位流量Q1M'=1.11m3/s，ηM=85.2%，初設(shè)原型水輪機(jī)該工況下Q1'假設(shè)水輪機(jī)的最佳效率η1＝97％，則D?=72169.81×1.11×60×60×0.87=1.64m.選擇和它接近并且稍大的直徑，D(2)轉(zhuǎn)速n的計(jì)算n=當(dāng)n10=71r/min時(shí)計(jì)算得n=305r/min，根據(jù)表3-3選擇與之接近而偏大的同步轉(zhuǎn)速n=331.3r/min。(3)效率及單位參數(shù)修正對(duì)于混流式水輪機(jī)，且H<150??時(shí)，原型效率ηmax=1-(1-ηMmax)(/D1)式中：ηMmax—最優(yōu)工況下的模型最高效率，D1M—對(duì)應(yīng)模型轉(zhuǎn)輪的直徑，查資料可以得到HL230型水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的模型最高效率為Mmax=90.7%,模型轉(zhuǎn)輪直徑為D所以ηmax=1-（1-0.907）(0.4041.8)15=93.1%，得到效率修正值為=-=91.1%-90.7%=2.4%為了解決制造工藝上的問(wèn)題，常用的做法是在已求得的?η值中減去個(gè)修正值ξ，這樣可在最大程度上去克服質(zhì)量差異。取ξ=1.4%，效率修正值變?yōu)?η=1%，所以原型水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的效率ηmax=ηMmax+?η=90.7%+1%=91.7%，在限制工況下的效率為η=ηM+?η=85.2%+1%=86.2%，可以看出，這個(gè)結(jié)果與上述假定的值是基本一樣的，所以是正確的假設(shè)。單位轉(zhuǎn)速修正值按以下計(jì)算確定得出Δn1'n10M=0.9170.907?1=0.5所以原假定的n=331.3r/min,Q1′=1.11m3/s,D1=1.8是正確的(4)工作范圍的檢查在選定D1、n后，可計(jì)算出水輪機(jī)Q1max'代入數(shù)據(jù)得Q’1max=72169.81×1.8×1.8×60×60×86.2%=水輪機(jī)的最大引用流量為Qmax=Q’1maxD12=0.567×1.82×60=14.23m3各個(gè)特征水頭相對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速nnn（5）吸出高度HsHs≤10－-KσH式中：K——安全系數(shù)，一般取K=1.1～1.2，取1.2；▽——電站下游平均尾水位高程，490（m）；σ——水輪機(jī)汽蝕系數(shù)，查得σ=0.170；H——電站設(shè)計(jì)水頭（m）；Hs——水輪機(jī)吸出高度（m）。當(dāng)▽=490m，H=60m時(shí)，計(jì)算得Hs≤-2.79m。所以Hs=-12.18m。1.1.3兩種水輪機(jī)的比較表3－3HL220和HL230水輪機(jī)方案參數(shù)對(duì)照表現(xiàn)就兩個(gè)水輪機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性比較詳述如下：從表可以看出，HL220、HL230機(jī)組的使用水頭均可滿(mǎn)足電站的要求。HL220機(jī)組較HL230機(jī)組最優(yōu)效率高，高效區(qū)范圍廣。HL220機(jī)組單位轉(zhuǎn)速為70rpm，HL230機(jī)組單位轉(zhuǎn)速為71rpm，轉(zhuǎn)速降低水輪機(jī)流道流速減小，可減輕水輪機(jī)的磨蝕；轉(zhuǎn)速降低發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)增加，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加大，有利于機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，但發(fā)電機(jī)價(jià)格將會(huì)增加。兩個(gè)水輪機(jī)的空化特性略有差異，HL220水輪機(jī)空化系數(shù)比HL230機(jī)組小，相應(yīng)的HL230水輪機(jī)廠(chǎng)房基礎(chǔ)開(kāi)挖深度較小，施工和運(yùn)行管理均較方便，且廠(chǎng)房水下以及防洪工程量和投資較小。綜合上述技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，在本階段設(shè)計(jì)中推薦方案，水輪機(jī)型號(hào)為HL220。1.2蝸殼斷面形式的選擇及尺寸計(jì)算1.2.1蝸殼型式的選擇蝸殼有金屬蝸殼和混凝土蝸殼兩種，金屬蝸殼適用于水頭大于40m的情況，混凝土蝸殼適用于水頭小于40m的情況。黑河水電站的水頭大于40m，所以采用金屬蝸殼。1.2.2蝸殼的包角金屬蝸殼的斷面形狀基本是圓形，包角為φ01.2.3蝸殼斷面的平均流速蝸殼斷面的平均流速是由蝸殼進(jìn)口斷面平均流速曲線(xiàn)（見(jiàn)《水電站》課本圖2-8）查得的。斷面平均流速曲線(xiàn)的橫坐標(biāo)為設(shè)計(jì)水頭，通過(guò)橫坐標(biāo)向上做垂線(xiàn)交于一點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)即為平均流速。當(dāng)設(shè)計(jì)水頭為Hr=60m時(shí)，Vc1.2.4金屬蝸殼的水力計(jì)算蝸殼進(jìn)口斷面流量的計(jì)算公式：Qi式中：Qmaxφi代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Qi斷面半徑的計(jì)算公式：ρi代入數(shù)據(jù)計(jì)算得ρi表3-4設(shè)計(jì)規(guī)范表由上述計(jì)算得知，D1=1.60m，且H<170m，查表得Da斷面中心距：ai=ra+ρi斷面外半徑：Ri式中：ra對(duì)于進(jìn)口斷面，將φi取若干斷面計(jì)算，根據(jù)下表繪制平面單線(xiàn)圖。表3-5φiφQρR0°0.000.001.5830°1.140.242.0675°2.840.372.32120°4.540.472.52165°6.240.552.68210°7.950.622.82255°9.650.692.96300°11.350.751.08345°11.050.801.18平面單線(xiàn)圖如下1.3尾水管設(shè)計(jì)大中型反擊式水輪機(jī)均采用彎肘形，彎肘形尾水管可減小開(kāi)挖深度，而且有良好的水力性能，效率高達(dá)75%~80%,所以黑河水電站水利工程設(shè)計(jì)采用彎肘形尾水管。1.1.1尾水管尺寸計(jì)算混流式水輪機(jī)尾水管示意圖表3-6推薦的尾水管尺寸表由表可知，采用第三行數(shù)據(jù)，已知D1=1.6m,則可計(jì)算出下表表3-7尾水管尺寸計(jì)算表尾水渠從上到下依次為深挖方和挖方渠道，尾水渠永久開(kāi)挖邊坡系數(shù)設(shè)計(jì)為1.0，渠堤寬度左岸為2.5m,右岸為1.5m。其中：尾水渠漸變段設(shè)計(jì)采用C15細(xì)粒砼砌石和15砼組合襯砌，厚度50cm。尾水渠均為梯形斷面，設(shè)計(jì)流量m3/s，底寬6.5m，邊坡1：1.5，設(shè)計(jì)渠底縱坡1/2500。復(fù)核本電站尾水渠冬季運(yùn)行水力要素，冰蓋下表面糙率n=0.02，經(jīng)計(jì)算水深為1.5，超高達(dá)到1.1m，完全滿(mǎn)足過(guò)水要求。設(shè)計(jì)采用C15砼襯砌，渠坡襯砌厚度12～15cm，渠底襯砌厚度15cm。1.4發(fā)電機(jī)的選擇及尺寸估算1.1.1發(fā)電機(jī)的選擇根據(jù)已選HL220-LJ-160型水輪機(jī)，與其配套的水輪發(fā)電機(jī)的型號(hào)為SF7-16/251型，立式布置，旋轉(zhuǎn)方向俯視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)為豎軸，懸式三相交流同步發(fā)電機(jī)，自然通風(fēng)方式。其額定容量為7000kw。1.2.1發(fā)電機(jī)主要尺寸的估算（1）極距τ：式中：Sf—額定容量，Kw;P—磁極對(duì)數(shù)；Kj—系數(shù)，取9；當(dāng)Sf=7000Kw,P=8時(shí)，計(jì)算得τ=41.16cm。（2）定子內(nèi)徑Di：定子內(nèi)徑的計(jì)算公式為Di當(dāng)τ=41.16cm時(shí)，計(jì)算得Di=209.73cm。（3）定子鐵芯長(zhǎng)度lt式中：Sf—發(fā)電機(jī)額定容量；C—系數(shù)；ne—水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。表3-8系數(shù)C的取值規(guī)范根據(jù)系數(shù)C的取值規(guī)定，可以知道C=3?10?6當(dāng)Sf=7000kVA,ne=375r/min時(shí),代入公式計(jì)算得It=141.46cm。（4）定子鐵芯外徑Da定子鐵芯外徑的估算公式：ne<166.7rpm，ne>166.7rpm，式中：ne=375r/min，算出Da=209.73+當(dāng)Da=250.89cm時(shí),取整Da=251cm。1.2.2發(fā)電機(jī)外形尺寸的估算平面尺寸：定子機(jī)座外徑Dne<136.4rpm，136.4≤ne<214rpm，214≤ne<300rpm，300≤ne<500rpm，代入數(shù)據(jù)得：D1=1.25風(fēng)罩內(nèi)徑DSfS代入數(shù)據(jù)得：D2轉(zhuǎn)子外徑DD式中：§——單邊空氣間隙，可忽略不計(jì)。算得：D下機(jī)架最大跨度D10000kVA≤Sf<100000kVAS查表得，當(dāng)D=1.6m時(shí)，水輪機(jī)的機(jī)坑直徑D代入數(shù)據(jù)得：D推力軸承裝置外徑D6