可逆式水轮机毕业设计任务书、基本资料和指示书

可逆式水轮机毕业设计

任务书、基本资料和指示书

河海大学水电学院动力系

二○○六年三月

可逆式水轮机毕业设计

任务书

一、设计内容

根据原始资料，对指定抽水蓄能电站、指定原始参数进行机电部分的初步设计，包括主机选型，调节保证计算、调速设计选择、辅助设备设计，电气设备设计等。

二、时间安排

1．机组选型设计：5周

2．调节保证计算：1.5周

3．辅助设备设计：2周

4．电气设备设计：1.5周

5．整理成果：1.5周

6．评阅答辩：1周

总计12.5周

三、成果要求

1．设计说明书：说明设计思想，方案比较及最终结果，并附必要的图表；

2．设计计算书：设计计算过程，计算公式，参数选取依据，计算结果；

3．图纸：厂房横剖面图、水系统图、气系统图、电气主结图等4～6张。

可逆式水轮机毕业设计

原始资料

仙游抽水蓄能电站

仙游抽水蓄能电站站址位于福建省莆田市下辖的仙游县西苑乡，属木兰溪流域。距仙游县城28km，对外交通较为便利。

上库广桥坝址位于木兰溪上游支流大济溪的上游，在西苑乡广桥村上游河谷中。下库半岭坝址位于木兰溪上游溪口溪上，在西苑乡半岭村上游约1km的河谷中。上、下水库成库天然条件较好，输水距离较短，上、下库均有公路到达。

本电站工程由上水库、下水库、输水系统、地下厂房洞室群及地面开关站组成。地下厂房洞室群深埋于上下库之间的雄厚山体内，水由隧洞式压力钢管引入厂房。

仙游电站为日调节纯抽水蓄能电站，平均每天抽水工况运行7h，发电工况运行5h。本电站建成后将承担所在电力系统的调峰、调频、调相及事故备用任务，在提高系统供电质量，应付系统突发事故，保障系统安全运行等方面将起到较大的作用。

机组选型设计水能参数一览表

温高，湿度大，日照时间长。上库广桥坝址多年平均气温16.9℃，极端最高气温35.3℃，极

端最低气温-7.1℃；下库半岭坝址多年平均气温19.1℃，极端最高气温36.6℃，极端最低气温-6.2℃。

参考文献

1．刘大恺，水轮机（第三版），中国水利水电出版社，1997；

2．苏联，可逆式水轮机机械，中国水利水电出版社，1982.

3．梅祖彦，抽水蓄能发电技术，机械工业出版社，2000；

4．杨开林等，水泵水轮机变化及水力瞬变，抽水蓄能国际论文集，1990；

5．陈乃祥，可逆式水泵水轮机过渡过程，大电机技术，1998；

6．Wylie E B, Streeter V. Fluid Transient. McGraw Hill ,1978；

7．浙江乌龙山抽水蓄能电站设计资料，2003.7

8．浙江仙游抽水蓄能电站设计资料，2004.12

9．江苏溧阳抽水蓄能电站设计资料，2004.7

可逆式水轮机毕业设计指示书（1）

——选型设计原则

第一节抽水蓄能电站机组型式和单机容量选择

1．抽水蓄能电站的机型选择，应根据水头/扬程、运行特点及设计制造水平等因素经技术经济比较确定。抽水蓄能电站水头/扬程高于800m时，宜选择组合式机组（三机式）或多级式水泵水轮机；水头/扬程为800m~100m时，宜选择单级混流式水泵水轮机；水头/扬程为150m~50m时，宜选择混流式水泵水轮机或斜流式水泵水轮机；水头/扬程低于50m 时，宜根据实际情况，通过技术经济比较选择婚流式水泵水轮机、谢流式水泵水轮机、轴流式水泵水轮机或贯流式水泵水轮机。

2．抽水蓄能电站装机容量确定后，选择单机容量和机组台数时主要考虑以下因素：（1）电力系统对抽水蓄能电站机组运行方式、事故备用和机组大修的要求，以及单机容量占电网工作容量的比重；

（2）上、下水库的调节特性，水头、扬程、流量特性与运行方式；

（3）枢纽布置条件；

（4）交通运输条件；

（5）机组泥沙特性；

（6）机组设备制造能力和技术水平；

（7）其他特殊技术要求。

应在分析研究上述因素的基础上，拟定不同的单机容量方案，经技术经济比较选定。机组台数不宜少于两台。

第二节水泵水轮机选择原则

1．水轮机工况额定水头选择，应根据电站的水头变化特性，机组运转特性，拟定不同比较方案，通过技术经济比较后确定。选择种，应重点研究额定水头降低对机组稳定运行，以及电站的预想出力降低对系统电力平衡的影响。在确定额定水头时，应研究水头/扬程变幅、机组运行稳定性和效率等因素；当额定水头接近最小水头时，应论证其技术经济合理性。

2．水泵水轮机比转速和额定转速选择的原则如下：

（1）比转速应以水泵工况为基础，综合考虑水头/扬程、空化特性、水质条件、综合加权平均效率、运行稳定性和制造水平等技术条件，合理选择。

（2）对于过机泥沙量大和建在高海拔地区的电站，应选用较低水平的比转速。

（3）应对大容量、高水头/扬程水泵水轮机的运行稳定性（包括振动、摆度、压力脉动、空载不稳定S区等）进行充分的论证研究。此外，当所选比转速超过水头和容量相当的并已成功投运的水泵水轮机的比转速时，应专题研究。

（4）水泵水轮机额定转速应选用发电机同步转速。当水轮机有两种及以上同步转速可供选择时，应通过技术经济比较后选定。对于水头变幅大的水泵水轮机，应研究论证采用分档变速或连续调速技术的必要性和合理性。

3．吸出高度的选择应按水轮机空化特性和厂房在经济合理条件下所能达到的要求确定，并留有一定的裕度。特别是大容量、高水头/扬程水泵水轮机，要求在机组的整个运行范围内不发生空蚀。水轮机安装高程应根据水轮机和水泵各种工况下必要的吸出高度及相对应的下游尾水位，经技术经济比较合理选定。

4．在满足安全可靠运行的条件下，应重视提高综合加权平均效率，注意发电和抽水的容量、水量平衡。

5．机组结构合理，便于安装维修，各部件应有足够的刚度和强度，确保安全稳定运行。

6．确定转轮拆卸方式时，应考虑厂房布置、制造厂家经验、机组运行与检修等因素。转轮拆卸有上拆、中拆、下拆三种方式，一般宜选择上拆或中拆方式。

第三节主要性能参数的选择

1．在可行性研究阶段和没有制造厂的模型曲线时，可根据统计曲线和估算公式或参考已建成抽水蓄能电站机组资料，初步选择水泵水轮机转轮直径、转速和吸出高度等主要参数。有模型试验曲线时，可按相似公式计算和选择主要参数。

2．效率修正公式可参考IEC60193标准执行。

第四节进水阀的选择

1．对于中、高水头/扬程的水泵水轮机，在每台机蜗壳前应装设进水阀，最大水头/杨程低于250m时宜选蝴蝶阀；最大水头/杨程高于250m时宜选球阀。如仅装设筒形阀和其他设备，应专题论证。

2．进水阀在最不利情况下和在最大流量下都应能动水关闭，其关闭时间不超过机组在最大飞逸转速下持续运行的允许时间。

3．进水阀可采用油压或水压操作。采用油压操作时宜设单独的操作油源。采用水压操作的进水阀，其液压控制系统中控制阀的操作水源应可靠。操作压力一般为4MPa~7 MPa。进水阀应设工作密封和检修密封，密封可用水或其他方式操作。密封的投入和退出不仅应与进水阀的开启和关闭相闭锁，而且还应与尾水事故门相闭锁，以保证电站的安全。

4．伸缩节宜装在进水阀的下游侧，进水阀基础不承受轴向水推力，轴向水推力由压力钢管承受，在压力钢管上宜设置止推环等措施。

第五节调速系统的选择

1．每台机组应设一套包括调速器、油压装置及其附属部件组成的调速系统。调速系统应具有良好的稳定性和调节品质，并满足水轮机和水泵各种运行工况下稳定运行和电力系统对频率调节与功率调节的要求。如抽水蓄能电站有黑启动的要求，调速系统应能满足黑启动对频率等的要求。

2．水泵水轮机宜优先选用全数字微机调速器。操作油压一般为4MPa~7 MPa 。调速系统应选配电气反馈机构。

3．调速器的机械柜和电气柜可分开布置，也可合在一起，视具体条件而定。调速器机械柜内的明管和各种连接杆件应尽量少。电液转换器应具有很强的抗油污能力。如采用分段装置，其动作必须准确、安全可靠。

第六节调节保证计算

1．在可行性研究阶段，可采用类似的水泵水轮机四象限曲线，进行甩负荷和水泵断电等过渡过程计算机仿真计算。对于高水头/杨程、大容量的抽水蓄能电站，不要时可用两个及以上的不同计算程序和模型曲线进行调节保证参数的计算机仿真。

2．获得最终模型试验曲线和水道系统尺寸等资料后，应重新进行甩负荷和水泵断电等各种过渡过程的计算机仿真计算，优选导叶关闭规律和调节系统参数，必要时应对调节系统的稳定性进行分析和计算。

3．计算机仿真计算除应按DL/T5058有关规定执行外，还应重点复核最不利运行工况。例如：

（1）对几台机组共用一个调压室的布置，应按最不利的上、下游水位和调压室的波动水位进行复核；

（2）对于一管（洞）多机的电站，应计算多台机组同时或接连相继甩负荷或水泵断电

时最不利的组合工况，及检查一台或几台机组甩负荷或水泵断电对正在运行机组的影响。

必要时，还宜计算在调试时进行的甩负荷和水泵断电等工况，供调试参考用。

4．机组允许最大转速升高率基本上与常规机组同，详见DL/T5186中的规定。但对于大容量、高水头/杨程水泵水轮机，允许最大转速升高率βmax不宜超过45%。

5．水泵水轮机甩负荷和水泵断电时的最大压力升高率，按以下不同情况考虑：额定水头小于300m时，按DL/T5186中的规定执行；额定水头大于300m 时，宜小于30%，并应进行技术经济比较。

计算最大压力升高率ξ时，可取上库水位与蜗壳进口中心的高程差作为基准值。

最大设计内水压力值，应在计算值的基础上考虑压力脉动等因素，宜留有适当裕度。

第七节技术供、排水系统和消防系统设计

1．抽水蓄能电站一般埋深大，与水道系统连接的供排水系统除应考虑下游最高尾水位的静水压力，还应考虑机组过渡过程的压力上升，特别是各冷却器、阀门和管道等的设计压力与试验压力，均应考虑系统可能出现的最大压力。

2．抽水蓄能电站应优先采用水泵供水，水头满足自流供水条件时，也可采用自流供水。如在同一水道上取水喝排水，取水口应远离排水口，以防热短路。对于有调相任务的抽水蓄能电站，调相时不宜将从本机组尾水取的冷水排向本机组的尾水，以防水温升高，无法长时间调相运行。

取水口不应布置在尾水道顶部或上方，应布置在尾水道侧下方，以防浮物与进气。取水口还应该远离尾水管锥管，以防压水时进气。

3．高水头抽水蓄能电站一般不采用减压供水方式，但水泵水轮机主轴密封供水，可采用蛇形管等减压措施从压力钢管取水，管路和滤水器等必须坚固可靠；也可采用水泵从尾水取水等其他方式，但应考虑水泵失电荷黑启动情况下主轴密封供水措施。

4．采用水泵供水的大型抽水蓄能电站，每台机组宜设2台水泵单元供水，一台工作，一台备用。各单元供水之间宜采用总管相连。水泵流量和扬程应满足机组及各用水设备的要求。对于用水量少和断续用水的设备如变压器空载冷却、变频器冷却等可另设单独的水泵供水。

5．地下厂房的渗漏排水与检修排水应严格分开，两系统都必须安全可靠，确保厂房安全。在条件允许的情况下，集水井的容积宜留有裕度。集水井和排水廊道的水可用水泵排到下游调压井、下游水库或其他地方；有条件时，宜采用自流排水方式。

6．渗漏排水系统的设计应留有裕度，以确保电站安全。

7．直接与上、下水库和引水系统相连的第一阀门，除要考虑检修、更换和防渗漏等措施外，还应采用高质量、经久耐用、抗锈蚀（如不锈钢材料等）的阀门，必要时可采用双阀门。进水阀前的排水阀宜采用针阀，针阀前应设保护阀。

8．对于地下厂房，供排水管道的布置应紧凑，便于运行维修。管壁厚度可适当加大；

阀门额定压力与试验压力的等级宜适当提高。

9．消防给水可采用自流供水、水泵供水或消防水池供水等方式，也可采用混合供水方式。消防给水宜与电站技术供水、生活供水系统相结合，也可设置独立的消防给水系统。消防给水设计应符合SDJ278的要求。

10．除上述要求外，技术供、排水系统和消防系统设计原则可参照DL/T5066执行。

第八节压缩空气系统设计

1．压缩空气系统的设计应留有裕度，以满足抽水蓄能机组频繁启动和工况转换的要求。

2．水泵工况启动和机组调相时的压水用气，可从顶盖压入，也可从尾水管的上部压入。设计时宜同时考虑这两种压入方式的接口和管道，供调试时选择。

3．根据布置和制造条件，一般每台机组宜设1个或2压水储气罐。在空气压缩机不工作和罐内为最低工作压力的情况下，储气罐的容积至少应能满足连续完成2次压低转轮室水面的用气要求。各台机组的储气罐可单独运行，也可并联运行。并联运行时应设置必要的阀门以防局部漏气造成全厂事故。

4．一般每台机组宜设一台空气压缩机。空气压缩机的排气量，至少应能在60min~120min 内满足压低一次转轮室水面的用气要求(包括这段时间内的漏气量)，并留有裕度。全电厂至少设1台备用空气压缩机。空气压缩机宜并联运行供气。

5．为防止压水时部分压水空气积累在尾水道、尾水事故门顶或其他凹入处，应合理确定压水水位，并研究增设排气设施的合理性。

6．除上述要求外,压气系统设计原则可参照DL/T5066执行。

第九节电气一次设计

1．接入系统及电气主接线设计

（1）抽水蓄能电站与电力系统连接的输电电压等级, 应采用一级。在充分发挥电站作用、满足输送容量、系统稳定和可靠性要求的前提下, 出线回路数应尽量减少。

（2）设计电气主接线时, 应根据电站单机容量和台数、出线电压和回路数、系统和电站对主接线可靠性及机组运行方式的要求, 并结合枢纽布置和开关站型式等, 通过技术经济比较后确定。

在满足可靠性要求的前提下, 电气主接线应尽量简化。对出线电压220kV 及以上并采用GIS 的电站, 其升高电压侧的接线, 根据不同的可靠性要求, 可采用变压器一线路组、单母线、桥形、角形等简单接线。

（3）当发电机一变压器组采用联合单元或扩大单元时, 应视其在系统总装机容量所占比例, 以及其在系统调峰容量中所占比例的大小经论证确定。

（4）需要由发电电动机电压侧引接厂用电源和启动装置电源的单元接线、扩大单元及联合单元接线, 在发电机出口应装设断路器。

（5）换相开关宜装设在发电电动机电压侧。发电电动机出口不设断路器且升高电压侧为220kV 及以下, 并采用封闭组合电器(GIS) 时, 换相开关可设在高压侧。

（6）采用背靠背启动时, 在电站内应能实现任一台机组对电站其余任一机组的背靠背启动。

2．可逆式机组启动方式选择

（1）可逆式机组启动方式, 根据机组容量、台数和电站内或邻近有无常规水电机组等条件, 遵循下列原则进行选择。

1）机组容量较大, 应采用变频(SFC 〉启动方式。当机组台数为6 台及以上时, 可选用2 台变频启动装置。机组台数少于 6 台时, 可选用 1 台变频启动装置, ‘并以背靠背启动作为辅助启动方式: 当厂内或邻近有常规水电机组可利用时, 也可选用背靠背启动方式。

2）机组容量不大, 在电网和机组制造允许的情况下, 宜选择异步启动方式。在厂内或邻近有常规水电机组可利用时, 可选用背靠背启动方式。经过技术经济比较也可采用变频启动方式。

（2）当利用厂内或邻近电站机组进行同步启动时, 可采用发电机电压直接连接。回路阻抗不会影响同步启动顺利启动时, 也可通过变压器和输电线路连接。在采用发电机电压直接连接时, 应采用电缆或封闭母线, 不宜采用架空线路。

（3）异步启动引起电网公共点的电压变动( 波动), 即接入变电站侧母线电压变动不宜大于2.5% 。

降压启动可采用加电抗器或主变压器抽头降压方式。在对系统同样冲击水平的情况下宜优先选用后者。

降压异步启动时, 为减小由降压到全压转换时电网公共点的电压变动( 波动), 可采取先投励磁, 待机组拉入同步后, 再转换至全压的操作程序。

3．设备选择

（1）发电电动机

1）发电电动机的型式、主要参数和结构应满足系统和电站要求, 在保证安全稳定运行的前提下应选择技术先进、性能优良的机组。

2）发电电动机发电工况的额定输出功率和电动工况的额定输入功率, 应与水泵水轮机的水轮机工况的额定输出功率及水泵工况的额定输入功率相匹配。

3）选择发电电动机的电抗数值时, 应结合系统要求、机组电磁和结构设计、发电电动机电压回路和启动回路开关设备选择等, 经技术经济比较后确定。

4）发电电动机在保证冷却效果均匀、损耗小、安装维护方便和空冷条件允许的前提下, 应优先选用无风扇双路径向通风方式。当采用外加电动风扇冷却时, 应采用优质、低噪声电动风扇。

5）高转速大容量机组, 应适当提高其临界转速与飞逸转速比值, 宜控制在 1.25 左右。

对非浮动式磁辄的转子宜适当提高其分离转速, 对浮动式磁辄的转子, 在正常转速和飞逸转速下应保证转子的整体性、同心性和圆度。

6）对大容量、高转速发电电动机应装设振动和摆度监测装置。

7）大容量、高转速发电电动机定子宜采用定子铁芯在工地整圆装压和下线的工艺。

8）为了改善和提高水泵水轮机在电站水头变幅较大情况下的运行特性及效率, 和为了满足系统对水泵工况下进行功率调整和改善系统稳定及无功调节能力的需求, 可研究采用转子交流励磁连续变速( 变频变速) 的发电电动机。

（2）主变压器

1）在选择主变压器容量时, 需计算主变压器所连接机组的发电工况容量和所连结机组的电动工况容量。对后一种工况, 还要计及厂用电最大计算负荷和变频启动装置的负荷。

2）在接入系统设计确定主变压器调压范围时, 应充分考虑机组的调压能力, 尽量避免在厂内选择有载调压变压器; 需要的调压范围较大时, 应对适当加大机组调压范围和采用有载调压变压器两种调压方式进行技术经济比较后选定。当主变压器布置在地下洞室时, 宜优先选用加大发电电动机调压范围的方式。

3）冷却器工作水压较高时, 为防止水进入油中, 应采用双层管式冷却器。油、水分腔, 两腔间留有空隙, 并设置泄露自动报警装置。

（3）发电机电压回路和启动回路设备

1）在进行发电机电压回路设备选择时, 除遵守一般设备选择规定外, 尚应考虑以下几个问题:

导体和设备的工作制( 长期, 反复短时):

变频启动和背靠背启动时的短路电流计算；

断路器短路电流直流分量开断特性和短路电流低频开断特性；

开关电器的频繁操作特性( 操作次数、寿命〉；

变频和背靠背启动时, 可能引起的高次谐波干扰、过电压及铁磁谐振。

2）导体和电器选择时, 校验用的短路电流, 应按可能发生最大短路电流的正常接线方式计算。当电站设有背靠背启动时, 应按背靠背启动时可能发生的最大短路电流计算。如计算出来的短路电流太大, 导致设备选择有困难时, 应采取限制短路电流的措施。如可在启动回路内设限流电抗器, 增加发电电动机直轴超瞬态电抗值, 以及采用“无拖动并网”方式等。

3）断路器应能在正常运行和整个启动过程中发生故障时, 可靠地开断短路电流。对开断直流分量的要求, 不但要考虑正常运行发生故障时的直流分量, 还应考虑对整个

启动过程中发生故障时的直流分量大小的要求。

4）高压开关( 断路器、隔离开关) 应满足频繁操作要求。无需检修的机械操作次数宜大于10000 次。

5）发电电动机回路和启动回路的断路器宜选用SF6 作为灭弧介质。

6）在没有合适的电制动隔离开关可供选择时, 可选用断路器。

7）大型抽水蓄能电站, 宜选择五极式的换相开关。

8）启动回路设备额定参数应按短时或反复短时工作制发热条件计算。

9）单机容量150MW 及以上的大型抽水蓄能电站, 启动回路宜采用离相封闭母线。

10）启动容量占机组额定容量的百分数可按下列经验数值初步估算：异步启动60%~120%

同步启动15%~20%

变频启动6%~8%

11）变频装置的容量选择除与机组的旋转阻力矩有关外, 还与机组转动部分的惯性时间常数和启动加速时间有关, 加速时间可取9Os~300s 。

12）变频装置宜装设输入变压器或隔离变压器以隔离变频装置产生的具有零序特性的3 次及其整数倍的高次谐波。

13）变频装置宜优先采用6 脉冲整流/6 脉冲逆变装置, 当谐波限制不满足要求时, 可采用12 脉冲整流/6 脉冲逆变装置。一般不宜装滤波器。

14）变频装置(SFC) 所产生的谐波, 可以用SFC 与厂用电的会合点的电压总畸变率来考核。合理地改变SFC 与高压厂用电变压器的连接关系, 可以改善电压总畸变率。

4．厂用电电源设计

（1）厂用电电源数量设置

1）大型抽水蓄能电站正常运行时, 应有3 个厂用电电源。部分机组停运时至少应有2 个厂用电电源。全厂机组停运时, 应有2 个厂用电电源。

2）中型抽水蓄能电站正常运行时, 应不少于2 个厂用电电源, 部分机组停运时也应有2 个厂用电电源, 全厂机组停运时应有1 个厂用电电源。

3）对可能与系统和外来电源失去联系致使无法启动或可能影响人身、电站、设备安全时, 应设置事故保安电源。

（2）厂用电电源取得方式

1）本厂机组( 从发电机电压回路换相开关外侧引接)。

2）外来电源。

通过主变压器倒送电；

地区电网( 由35kV 及以上变电站引接)；

地方小水电或邻近水电厂；

从本厂升高电压侧母线引接。

3）事故保安电源。

柴油发电机；

地方小水电或邻近的水电厂；

逆变电源装置。

（3）事故保安电源容量应满足以下几种负荷需要：

1）机组发电工况启动时所必需的高压油减载装置、主轴密封等负荷需要。

2）厂内渗漏排水泵、通风设备、事故照明等负荷。

3）消防水泵、排烟机等消防用电负荷。

4）其他影响机组及人身、设备、建筑物安全有关的负荷。

5．开关站型式和位置选择

（1）应结合接线形式、开关站位置、地质地形条件、开关站设备布置、机电设备和土建

投资等, 进行综合性的经济技术比较后, 确定开关站型式。

（2）除非敞开式开关站具有明显的经济优势,220kV 及以上开关站宜优先选择全封闭组合

式电器(GIS) 。

（3）在选择地下厂房开关站位置时( 地上或地下), 应视开关站型式、高压出线（电缆或GIL）回路数、布置场地及运行维护等多种因素，经技术经济比较后确定。

可逆式水轮机毕业设计指示书（2）

——选型设计细则

第一节抽水蓄能电站机组型式和单机容量选择

1.1 近年来，随着抽水蓄能机组技术的发展，单级混流式水泵水轮机使用水头愈来愈高。已投运的保加利亚茶拉抽水蓄能电站最大水头为677m