仲桥水电站设计内容

1.工程概况及设计依据

1.1 工程概况

仲桥水电站装机容量2×6.5MW，电站主要利用灌溉水进行发电，非灌溉期一般为3个月，装机年利用小时数为2478.4h，多年平均发电量3221.9万kW.h。

水电站主要动力设备及辅助设备如下： 1. 水轮机：型号HL220-LJ-140 额定出力 6.8MW 额定转速 375 r/min 单机额定（最大）流量 14.75m3/s 2. 水轮发电机：型号SF6.5-16/330

额定功率 功率因数 额定转速 转子带轴重 cos （r/min） （kW） （t） 6500 3. 调速器设备

（1）调速器型号：YDT-3000 （2）油压装置型号：HYZ-1.6 4. 机旁盘

每台机2块：分别为直流励磁机励磁和可控硅励磁调节器。 尺寸：宽×厚×高=800×550×2360(mm)

0.8 375 30.14

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1.2 设计依据 1.2.1 设计规范及标准

.[1] JB6310-1992_中小型轴流式、混流式水轮机转轮系列型谱 .[2] SL266-2001 水电站厂房设计规范 .[3] 水电站机电设计手册－水力机械

.[4] JB-T_2832-2004_水轮机调速器及油压装置_型号编制方法 .[5] 水轮机设计手册

.[6] SL193-97小型水电站技术改造规程 [7] DL-T-5186-2004-水力发电厂机电设计规范

1.2.2 设计资料

1. 水轮机特征水头 最大水头55.4m 最小水头40.3m 平均水头49.4m 额定水头52.0m，

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2、厂址水位流量关系曲线

3、地形地质

厂址处地势较平缓，枢纽基岩系凝灰岩较完整，岩石抗压强度较高。

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2.机电设备选型

2.1 水轮机选型 2.1.1 水轮机型号的选择

根据水头变化范围40.3~55.4m，在《中小型轴流式、混流式水轮机转轮系列型谱》(JB6301-92)表，可供选择有HL230、HL240和HL220。HL230性能落后，已列入《小型水电站机电设备应淘汰的产品目录》，故选择HL240和HL220作为比选方案。

2.1.1.1 HL240水轮机主要参数选择

1.转轮直径的计算

式中：Nr—水轮机的额定出力，Nr = N gr/ηgr

N gr —发电机的额定出力，6.5×103KW ηgr—发电机的额定效率，96% Hr—水轮机的额定水头， Hr =52.0m

错误!未找到引用源。—水轮机的单位流量，查得该型水轮机在限制工况下错误!未找到引用源。=1.24m3/s

η—错误!未找到引用源。工况点相应的原型效率，η=ηM+△η，查得限制工况下ηM=90.4%，

假定△η=1.6%，则η=92.0%。

计算得：Nr =6.84×103kW，D1=1.27m，选用与之接近而偏大的标准直径1.40m。 2. 转速的计算

H av=49.4m，查得在最优工况下的错误!未找到引用源。= 72r/min，假定错误!未找到引用源。，计算得n=361.5r/min，选用与之接近而偏大的同步转速

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n=375r/min。

3.效率修正值的计算

查得：HL240型水轮机在最优工况下模型的最高效率Mmax=92.0%，模型转轮的直径D1M=0.46m，则原型水轮机的最高效率

D max11Mmax1M=93.6%

D1效率修正值=1.6%，考虑到制造水平的情况，效率修正值减去修正值ξ=0%，效率修正值为1.6%，则原型水轮机再最优工况和限制工况下的效率分别为：

15maxMmax=93.6%

M=0.92=92%(与原假定值相同) 单位转速修正值

'n1'n10max/Mmax1 Mn1'max/Mmax1=0.87%<3%，单位转速不加修正，单位流量也不加修'n10M正。

因此，原假定的η=92%， 错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。，错误!未找到引用源。正确，计算结果D1=1.4m，n=375r/min正确。

4. 工作范围检验 设计工况的单位流量

Q1'maxNr9.81D12HrHr =1.021m3/s 此值与原选用的错误!未找到引用源。

=1.24m3/s相比，符合接近而不超过原则，说明所选的D1是合适的。

水轮机的最大引用流量为

QmaxQ1'maxD12Hr=14.43m3/s

与特征水头H max、H min和Hr相对应的单位转速为：

n1'minnD1Hmax=70.53 r/min

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n1'maxnD1Hmin=82.70 r/min

n1'rnD1Hd=72.80 r/min

在HL240型水轮机的主要综合特性曲线图上，分别画出Q1'max=1021L/s，

n1max=82.70r/min，n1min70.53r/min的直线，由图可见，由这三根直线所围成的水轮机工作范围（图中阴影部分）基本上包含了该特征曲线的高效率区。

1 5. 吸出高度HS

▽=σ＝0.19, △σ=0.023, H=Hr=52,▽=-1.88m

HS10()H=-1.074m 9002.1.1.2 HL220水轮机主要参数选择

1.转轮直径的计算

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—水轮机的单位流量，查得该型水轮机在限制工况下=1.15m3/s η—工况点相应的原型效率，η=ηM+△η，查得限制工况下ηM=89.0%， 假定△η=2%，则η=91%。

计算得：Nr =7.14×103kW，D1=1.36m，选用与之接近而偏大的标准直径1.4m。

2. 转速的计算

H av=49.4m，查得在最优工况下的= 70r/min，假定，计算得n=351.4r/min，选用与之接近而偏大的同步转速n=375r/min。

3. 效率修正值的计算

查得：HL240型水轮机在最优工况下模型的最高效率Mmax= 91%，模型转轮的直径D1M=0.46m，则原型水轮机的最高效率

D max11Mmax1M=93.0%

D1效率修正值=2.0%，考虑到制造水平的情况，效率修正值减去修正值ξ=1.0%，效率修正值为1.0%，则原型水轮机再最优工况和限制工况下的效率分别为：

15maxMmax=93.6%

M=91.2=91%(与原假定值相同) 单位转速修正值

'n1'n10max/Mmax1 Mn1'max/Mmax1=1.6%<3%，单位转速不加修正，单位流量也不加修'n10M正。

因此，原假定的η=91%， Q1 = Q1m, n1o =n2om正确，计算结果D1=1.4m，

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n=375r/min正确。

4. 工作范围检验 设计工况的单位流量

Q1'maxNr9.81D12HrHr =1.09 此值与原选用的=1.15m3/s相比，符合接近而

不超过原则，说明所选的D1是合适的。

水轮机的最大引用流量为

QmaxQ1'maxD1Hr=11.0m3/s

与特征水头H max、H min和Hr相对应的单位转速为：

n1'minnD1HmaxnD1Hmin=70.53r/min

n1'max=82.7r/min

n1'rnD1Hd=72.8r/min

在HL220型水轮机的主要综合特性曲线图上，分别画出Q1'max=1090L/s，

n1max=82.7r/min，n1min=70.53r/min的直线，由图可见，这三条直线所围成的水

轮机工作范围基本上包含了该特性曲线的高效率区

。

所以对于HL220方案，所选定的参数D1=1.4m 和n=375r/min是合理的

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5. 吸出高度HS

HS10()H=2.358 9002.1.2.3 方案比较

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

项目 推荐使用水头范围H(m) 最优单位转速 (r/min) 模型转 轮参数 最优单位流量 (L/s) 最高效率(%) 气蚀系数 工作水头范围H(m) 转轮直径D1(m) 转速n(r/min) 原型水 轮机参数 最高效率 (%) 额定出力Nr(kW) 最大引用流量Q max(m3/s) 吸出高度Hs(m) HL220 50-85 71 1000 91.0 0.115 40.3-55.4 1.4 375 93.6 7100 11.0 2.358 HL240 20-45 72 1100 91 0.195 40.3-55.4 1.4 375 92.8 6842 10.53 -1.45 第 9 页

两种水轮机比较：通过比较,两种水轮机型号的直径相同,均为1.4m. 从模型图中可以看到，HL220型的包含的高效率范围要大于HL240型的水轮机，运行效率较高，气蚀系数较小 ，安装高程叫高，有利于提高年发电量和减少水电站厂房的开挖工程量，HL240型水轮机的机组转速大，有利于减少发电机尺寸，降低发电机组的造价，但水轮机本身造价很高！综合以上原因，决定选取HL240型水轮机为最优方案！因此选择HL220-LJ-140型水轮机。

2.1.2 发电机选型

初步设计阶段，发电机的外型尺寸根据《水电站机电设计手册—水力机械》进行发电机的尺寸估算。

n=375r/min>150r/min ,故采用悬式发电机。

2.1.2.1 主要尺寸估算

⑴极距按下式计算：

kj4Sf 2p式中：—极距，cm K j—系数，取9；

Sf—发电机额定容量，6500KVA； p—磁极对数，8。 计算得：=40.4cm

(2).定子内径按下式计算：

Di2p

式中：Di—定子内径，cm。 计算得：Di=205.86cm

（3）定子铁芯长度按下式计算：

ltSt 2CDine

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式中：l t—弟子铁芯长度，cm； ne—额定转速，375rpm；

C—系数，查表得C=2×10-6~4×10-6，取4×10-6； Di—定子内径，cm； 计算得：l t =102.35cm。 （4）定子铁芯外径： 因ne =375r/min>166.7r/min 有DaDi=246.26cm。

2.1.2.2 平面尺寸估算

⑴定子机座外径：因300≤ne <500rpm，D11.25Da=307.8cm ⑵风罩内径：因Sf20000KVA D2D1200=507.8cm ⑶转子外径：D3Di2

式中：错误!未找到引用源。—单边空气间隙，初设阶段不计。 则D3=205.81cm。 ⑷下机架最大跨度D4

D4D50.6m=3m

式中：D5—水轮机基坑直径，查表得：D5=2.4m

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⑸推力轴承外径D6和励磁机外径D7：根据发电机容量查表得：

D6=2m，D7=1.4m

2.2.1.3轴向尺寸的计算

⑴定子机座高度：

因ne>214rpm h1lt2=183.12cm ⑵上机架高度：h20.25Di=51.45cm

⑶推力轴承高度h3、励磁机高度h4、副励磁高度h5和永磁机高度h6：查表得：h3=100cm；h4=150cm；h5=60cm，h6=50cm。

⑷下机架高度：悬式非承载机架：h70.12Di=24.7cm ⑸定子支座支承面至下机架支承面或下挡风板之间的距离h8： 悬式非承载机架：h80.15Di=30.87cm

⑹下机架支承面至主轴法兰盘之间的距离：取h9=70cm ⑺转子磁轭轴向高度h10： 无风扇：h10lt500mm=152.3cm ⑻发电机主轴高度：

h110.8H=556.4cm

Hh1h2h3h4h5h6h8h9=695.44cm

⑼定子铁芯水平中心线至主轴法兰底盘之间的距离h12：

h120.46h1h10=236.54cm

2.1.2.4 发电机的重量估算

1 发电机总重G f：

Gfk1(Sf23) ne式中：Gf—发电机总重量，t

k1—系数，悬式发电机为8~10，取9； Sf—发电机额定容量，k VA；

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ne—额定转速，rpm。 计算得：G f=60.27t

12 发电机转子重：G2Gf=30.14t

23 发电机飞轮力矩：

GD2k2Di3.5lt

式中：GD2—飞轮力矩，tm2 Di—定子铁芯内径，m；

k2—经验系数，因ne=375r/min 取k2=5.2； L t—定子铁芯长度，m。 计算得：GD2=66.53 tm2。

2.1.2.5 发电机机型

根据上述计算结果，选择SF6.5-16/330型发电机。

2.1.3 水轮机蜗壳外型尺寸的计算

由于Hmax55.4m40m，因此采用金属蜗壳，蜗壳包角345°。 查《水电站机电设计手册—水力机械》，蜗壳进口直径

D00D11.341.4=1.876m

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i 蜗壳外缘至机组中心的距离RiAD1 蜗壳圆断面半径iBD1 0° 90° 180° 270° 345° 2.912 2.59 2.198 1.75 0.91 0.896 0.742 0.56 0.448 0.35 2.1.4.调速系统

2.1.4.1 调速器的选择

调节功计算

A(200~250)QHmaxD1 式中：A—调节功，N m； H m ax—最大水头，m；

Q—最大水头下额定出力时的流量，m3/s； D1—转轮直径，m。

计算得：A=(25980~32475)N m,根据《水轮机调速器及油压装置系列型谱》

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(JB/T7072-2004)属于中型调速器，选用YDT 3000型电气液压式调速器。

2.1.4.2 接力器选择

1 接力器直径的计算

采用标准导水机构用两个接力器操作选用额定油压为2.5Mpa，接力器的直径ds按下式计算：

dsD1b0HD1max

式中：λ—计算系数，已知导叶数Z0=16，采用标准正曲率导叶，查表λ=0.03；

b0—导叶相对高度，0.25； D1 H max—最高水头，55.4m。 计算得：ds=0.16m，选用250mm。 2 接力器的最大行程

Smax(1.4~1.8)a0max

式中：S max—接力器最大行程，mm；转轮直径小于5m时，采用较小的系数。 a0max—原型水轮机导叶最大开度，mm。 根据几何相似，则

a0z0D0

a0Mz0MD0M式中，a0、z0、D0为原型水轮机的导叶开度、活动导叶数和活动导叶分布圆直径；a0M、z0M、D0M为模型水轮机的导叶开度、活动导叶数和活动导叶分布圆直径。查《水轮机设计手册》表8-1，z0=16，D0=1750mm；查《小型水电站技术改造规程》(SL193-1997)表B.0.2，D0M =53.36cm，D0D0M/D1M1.16，D1M=460mm，则D0M=533.6mm。

在HL220模型综合特性曲线上由设计工况点查得模型导叶最大开度

a0Mmax=46mm，则

a0maxa0MmaxD0z0M=1319.1mm D0Mz0Smax1.6a0max=791.4mm

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3 接力器容积的计算 两个接力器总容积Vs2dsSmax=0.08m

23

2.1.4.3油压装置的选取

油压装置不考虑空放阀和进水阀的用油，则油压装置压力油罐的容积V0按经验公式V0=（1~20)VS计算，V0=0.08~1.56m3，选择与之接近偏大的HYZ 1.6型压力有关和回油箱组合为一体的油压装置。

2.1.5起重设备

机组安装检修最重件为发电机转子，根据其起吊重量30.14t，选用32t单小车电动桥式起重机一台，跨度12m。

2.1.6 尾水管

选用弯肘形尾水管，弯肘形尾水管不但可以减小尾水管开挖深度，而且具有良好的水力性能，尾水管动能恢复系数ηｗ可达75％ - 80％,因此，出贯流式机组外几乎所有的大中型水轮机均采用这种形式的尾水管。

尾水管弯肘型尾水管有进口直锥段.中间肘管段和出口扩散段和出口扩散段三部分组成.

A进口直锥段

混流式水轮机单边扩散角70~90,这里取 80. B中间弯肘段

是一段900转弯的变截面弯管,进口断面为圆形,出口断面为矩形.

C出口扩散段是一段水平放置,两侧平行,顶板上翘的矩形扩散管.起顶板仰角一般取100~130,这里取13.

应用第一种比例情况进行尺寸计算:

h=2..6×1.4=3.64 m L=4.5×1.4=6.30 m B5=2.72×1.4=3.808m

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D4=1.35×1.4=1.89 h6=0.675×1.4=0.945m

L1=0.94×1.4=2.548 m h5=1.22×1.4=1.708m

尾水管高度指水轮机底环平面至尾水管底版的高度.

h=2.6×D1=2.6×1.4=3.64m 满足最低要求,宽度B= 3.808m,同样满足要求. 尾水管长度

指机组中心线至尾水管出口断面的距离. L=(3.5~4.5)D1 这里取4 则L=4x1.4=5.6m

由于水轮机的比转速高，为了减小转轮出口流速，以减小气蚀系数，因此D1D3，查《水电站机电设计手册》(水力机械)表2-17得尾水管尺寸见下表，单位：m。

h 2.6D1 3.64 L 4.5D1 6.3 B5 2.72D1 3.808 D4 1.35D1 1.89 h4 1.35D1 1.89 h6 0.675D1 0.945 L1 1.82D1 2.548 h5 1.22D1 1.708 m h4=1.35×1.4=1.89m

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3 厂房布置

3.1 总体布置

电站厂房为坝后地面式，机组为一列式布置，自右至左依次为机组段和安装间段。主厂房上游侧为主运行通道，下游侧为设备吊运主通道和辅助运行通道。在厂房安装间和边机组段靠近下游侧分别设有楼梯通向水轮机层。

水轮机调速器及油压装置布置在发电机层第11象限。

水泵室布置在厂房蜗壳层右端，高程为-2.8m，布置有2台渗漏排水泵、2台检修排水泵和1台消防水泵。

空压机室布置在发电机层上游副厂房，高程为6.64m。室内布置2台中压空压机和2台低压空压机及3只储气罐。

透平油库及油处理室布置在安装间下水轮机层，高程为2.04m。油库内布置3只油罐，油处理室布置有压力滤油机、真空滤油机及油泵等。

绝缘油库和油处理室布置在水轮机层上游副厂房。油库内布置2只油罐，油处理室布置有压力滤油机、真空滤油机及油泵等。

油化验室设在副厂房二层。室内设有常用物理试验和化学分析设备，按简化分析配置。

3.2 主厂房主要尺寸

1. 厂房长度

安装间与电机层在同一高程，安装间尺寸按满足安装和机组大修时布置水轮机顶盖、转轮、发电机转子和上、下机架等5大件及工作空间所需尺寸确定，长度为12.25m。结合发电机风罩内径、吊车工作范围极限、尾水墩厚度等综合考虑，确定1号机组中心线距分缝处6.4m，机组间距考虑需设置调压阀室通道阶梯宽度以及所需的混凝土厚度控制定为4.3m，2号机组中心线距山墙的距离除考虑吊车的工作范围外还考虑建筑模数规定，确定为7.85m。总计机组段长度为24.25m。主厂房建筑总长为36.5m。

2. 厂房宽度

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主厂房上游侧蜗壳进口设有蝶阀，下游侧设有调压阀，主厂房的宽度主要由蜗壳层设备布置尺寸控制，综合考虑各层的设备布置及大件的吊运通道，确定机组中心线距厂房上游侧外墙面的距离为8.2m，距下游侧调压阀室外墙面的距离为6.3m。主厂房净宽为14.5m，桥式起重机跨度为12m。满足运行及设备安装检修要求。

(3)厂房各层高程

以水轮机安装高程为－1.87m，尾水管底板高程-3.60m，水轮机层高程2.04m，发电机层高程6.64m，按吊装水轮发电机转子尺寸确定的桥机轨顶高程为14.74m。

2．副厂房主要尺寸确定

副厂房位于主厂房上游侧，宽度7.15m，地面两层，地下一层，其中电缆夹层高程20.24m，空压机室高程11.44m，油化验室高程14.74m，生活水箱布置在18.04m。中控室、厂变及高、低压配电室、空压机室等均布置其中。

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4 厂房尺寸的确定

4.1 主厂房控制高程的确定。

1 水轮机的安装高程

立式混流式水轮机的安装高程TwHSb0/2

w—设计尾水位，式中：根据《水力发电厂机电设计规范》(DL/T5186-2004)，

装有1~2台机组时，设计尾水位宜采用1台水轮机50%额定流 量所对应的下游尾水位。一台机组的流量14.75m3/s，50%流量 对应的下游尾水位为-2.4m； 计算得水轮机的安装高程：T=0 m。 2 尾水管底板高程尾 尾水管底板高程尾Tb0——导叶高度m；

b0h 2h——尾水管高度。 尾Tb0h=-3.674m 24 水轮机层地面高程1 水轮机地面高程1Trh4 式中 r—蜗壳进口段半径，r=0.938m h4—蜗壳顶混凝土厚度，取1.2m。

1Trh4=2.04m 5 发电机装置高程G

发电机装置高程G1h5h6

式中 h5—发电机机墩进人孔高度，1.8m；

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h6—进人孔顶部厚度，1m。

G1h5h6=4.84m

6 发电机层楼板高程2

▽2=▽G+错误!未找到引用源。=6.64m

式中：错误!未找到引用源。—定子高度(h1)，1.8m 7 起重机的安装高程C

起重机的安装高程C2h7h8h9h10h11 式中 h7—上机架高度，0.5145m；

h8—调运部件与固定机组或设备间的垂直净距，1m； h9—最大调运部件的高度，10.26m h10—调运部件与吊钩间的距离，1.5m； h11—主钩最高位置至轨顶面距离，1.47m 计算得：错误!未找到引用源。=14.74m 8 天花板底缘高程天花板

天花板ch12h13

h12——起重机轨顶至小车顶面的净空尺寸，2.8m。 h13——小车顶与屋面大梁或屋架下弦底面的净距，0.5m 计算得：天花板=18.04m 9 屋顶高程R

RCh12h13h14

h14—屋顶结构厚度，2.2m 计算得：R=20.24m

4.2 主厂房平面尺寸

1 机组段长度错误!未找到引用源。

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根据蜗壳层、尾水管层和发电机层所需要的尺寸取最大确定，机组段长度L1由下式确定：

L1LxL-x

式中：Lx代表机组段+x方向的最大长度；

L-x代表机组段—x方向的最大长度。

Lx,L-x用下表分别对尾水管层，蜗壳层和发电机层进行计算：

蜗 壳 层 尾水管层 发电机层 LxR11L1LxL-x LxR21 B22 bLx3322 LxB22 bLx3322 Lx表中 R1—蜗壳+x方向最大尺寸，取2.93m；

R2—蜗壳-x方向最大平面尺寸，取2.21m；

1—蜗壳外部混凝土厚度，取1.5m；

B—尾水管宽度，3.81m；

2—尾水管边墩混凝土厚度，取1.8m；

3—发电机风罩内径，5.078m；

3—发电机风罩壁厚，取0.3m；

b—两台机组之间风罩外壁的净距，机组之间需设置楼梯，取4 m。

计算得：

蜗 壳 层：Lx=2.93+1.5=4.43m Lx=2.21+1.5=3.71 m 尾水管层：Lx=3.81/2+1.8=3.71m Lx=3.81/2+1.8=3.71m 发电机层：Lx=5.078/2+4/2+0.3=4.84m Lx=5.078/2+4/2+0.3=4.84m 机组段长度L1=max(Lx)+max(Lx)=9.68m。取机组段长度为12m。 结合发电机风罩内径、吊车工作范围极限、尾水墩厚度等综合考虑，确定1

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号机组中心线距分缝处6.4m， 2号机组中心线距山墙的距离除考虑吊车的工作范围外还考虑建筑模数规定，确定为7.85m。总计机组段长度为24.25m。主厂房建筑总长为36.5m。

2 厂房宽度B

厂房以发电机层地板为界，分为上部结构和下部结构，上部宽度取决于吊车标准跨度、水轮发电机的定子外径、最大部件吊运方式、辅助设备的布置和人行通道所需宽度等条件。下部宽度取决于蜗壳和尾水管的尺寸。

上部结构宽度B1＝吊车标准跨度＋水轮发电机的定子外径＋最大部件吊运方

式＋辅助设备的布置＋人行通道所需宽度＝12+3.08+3.8+3.37=22.25m

下部宽度B2=蜗壳宽度+尾水管宽度=2.93+3.81=6.74ｍ

3 装配场

装配场的尺寸取决于扩大性检修所需面积，且其宽度必须要与主机室同宽。而对于悬式发电机，扩大性检修需检修四大物件，即发电机转子、发电机上机架、水轮机转轮、水轮机顶盖。其所需尺寸分别为转子直径3.08m，周围要留有1~2米工作场地，发电机上机架外径3.08m，水轮机转轮直径1.4m，四周要留1m宽的工作场地。根据布置，装配厂的长度取为9.56~10.56m。

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