豐寧抽水蓄能電站布置方案選擇及上游調(diào)壓室涌浪計(jì)算的設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)

1 目錄：目錄： 1.抽水蓄能電站基本參數(shù)抽水蓄能電站基本參數(shù)4 1.1 特征水頭計(jì)算4 2 擋水、泄水建筑物基本尺寸計(jì)算擋水、泄水建筑物基本尺寸計(jì)算5 2.1 防浪墻頂高程的計(jì)算5 2.1.1 工況一5 2.1.1.1 計(jì)算風(fēng)速.5 2.1.1.2 波浪要素計(jì)算.5 2.1.1.3 最大波浪爬高計(jì)算.6 2.1.1.4 最大風(fēng)浪雍高計(jì)算.7 2.1.1.5 壩頂防浪墻高程計(jì)算.7 2.1.2 工況二7 2.1.2.1 計(jì)算風(fēng)速.7 2.1.2.2 波浪要素計(jì)算.7 2.1.2.3 最大波浪爬高計(jì)算.8 2.1.2.4 最大風(fēng)浪雍高計(jì)算.9 2.1.2.5 壩頂防浪墻高程計(jì)算.10 2.1.3 工況三10 2.1.3.1 計(jì)算風(fēng)速.10 2.1.3.2 波浪要素計(jì)算.10 2.1.3.3 最大波浪爬高計(jì)算.11 2.1.3.4 最大風(fēng)浪雍高計(jì)算.12 2.1.3.5 壩頂防浪墻高程計(jì)算.12 2.1.4 工況四12 2.1.4.1 計(jì)算風(fēng)速.12 2.1.4.2 波浪要素計(jì)算.12 2.1.4.3 最大波浪爬高計(jì)算.13 2.1.4.4 最大風(fēng)浪雍高計(jì)算.14 2.1.4.5 壩頂防浪墻高程計(jì)算.14 2.2 泄水建筑物截面尺寸15 3 水電站引水建筑物水電站引水建筑物16 3. 1 輸水系統(tǒng)布置16 3. 2 輸水系統(tǒng)各組成建筑物設(shè)計(jì).16 3.2.1 引水隧洞16 3.2.2 壓力管道16 3.2.3 尾水隧洞.17 3.3 上下庫(kù)進(jìn)出水口.17 3.3.1 進(jìn)出水口位置選擇17 3.3.2 進(jìn)出水口的輪廓尺寸確定17 3.3.2.1 隧洞直徑.17 2 3.3.2.2 進(jìn)/出水口的參數(shù)18 3.4 調(diào)壓室.20 4.電站部分參數(shù)計(jì)算電站部分參數(shù)計(jì)算21 4.1 水泵水輪機(jī)參數(shù)的計(jì)算21 4.1.1 水泵水輪機(jī)的額定出力 Nr21 4.1.2 水泵水輪機(jī)的最大引用流量 Q 21 4.1.3 水泵水輪機(jī)的性能參數(shù)計(jì)算21 4.1.4 水泵水輪機(jī)主要尺寸和重量估算23 4.2 蝸殼與尾水管24 4.2.1 蝸殼尺寸.24 4.2.2 尾水管尺寸.26 4.3 發(fā)電電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型選擇.26 4.3.1 電動(dòng)發(fā)電機(jī)外形尺寸.26 4.3.2 外形尺寸估算.27 4.3.2.1 平面尺寸估算.27 4.3.2.2 軸向尺寸計(jì)算28 4.3.3 發(fā)電機(jī)重量估算.29 4.4 調(diào)速設(shè)備選擇 .29 4.4.1 調(diào)速功計(jì)算.29 4.4.2 接力器選擇.29 4.4.2.1 接力器直徑的計(jì)算.30 4.4.2.2 接力器最大行程計(jì)算.30 4.4.2.3 接力器容積計(jì)算.30 4.4.2.4 主配壓閥直徑計(jì)算31 4.4.3 油壓裝置.31 4.5 進(jìn)水閥的選擇 .32 4.6 主廠房主要尺寸的擬定32 4.6.1 高度方向尺寸的確定.33 4.6.2 寬度方向尺寸的確定34 4.6.3 長(zhǎng)度方向尺寸的確定34 4.6.4.1.機(jī)組段長(zhǎng)度.34 4.6.4.2 端機(jī)組段長(zhǎng)度35 4.6.4 裝配場(chǎng)尺寸的確定.35 5 專題：上游調(diào)壓室涌浪高度計(jì)算專題：上游調(diào)壓室涌浪高度計(jì)算.37 51 判斷是否需要設(shè)置調(diào)壓室.37 5.1.1 上游引水道設(shè)置調(diào)壓室的判斷準(zhǔn)則37 5.1.2 尾水道設(shè)置調(diào)壓室的判斷準(zhǔn)則.37 5.2 調(diào)壓室的位置選擇.37 5.3 上游調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面面積計(jì)算.37 5.3.1 水頭損失計(jì)算38 5.3.1.1 引水隧洞的水頭損失 hw038 3 5.3.1.2 壓力管道的水頭損失.40 wm h 5.3.2 上游調(diào)壓室的托馬斷面面積計(jì)算44 5.4 上游調(diào)壓室涌浪計(jì)算44 5.4.1 調(diào)壓室涌波水位計(jì)算工況選擇及其對(duì)應(yīng)水頭損失計(jì)算.44 5.4.1.1 引水隧洞的水頭損失 hw0計(jì)算 44 5.4.2 幾種調(diào)壓室的涌浪計(jì)算比較.50 5.4.2.1 簡(jiǎn)單式調(diào)壓室涌浪計(jì)算50 5.4.2.2 阻抗式調(diào)壓室涌浪計(jì)算53 5.4.2.3 差動(dòng)式調(diào)壓室涌浪計(jì)算55 5.4.2.4 帶上室的阻抗式調(diào)壓室涌浪計(jì)算58 5.5 調(diào)壓室選擇設(shè)計(jì).61 5.5.1 分析涌浪計(jì)算結(jié)果選擇調(diào)壓室型式.61 5.5.2 對(duì)所選擇的調(diào)壓室進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).62 5.5.3 校核洪水位工況下對(duì)調(diào)壓室涌浪校核.62 5.5.4 抽水?dāng)嚯姽r帶擴(kuò)大上室調(diào)壓室的最低涌浪計(jì)算.63 4 1.抽水蓄能電站基本參數(shù) 1.1 特征水頭計(jì)算 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步估算水頭損失為抽水蓄能電站毛水頭的 5%，各種可能的水位 組合下的作用水頭計(jì)算如下： 上庫(kù)為正常蓄水位，下庫(kù)為正常蓄水位的情況（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)出現(xiàn)概率為 30%）： H1=H正（上庫(kù)）-H正（下庫(kù)）-5%（H正（上庫(kù)）-H正（下庫(kù)）=1489.5-1050- 5%（1489.5-1050）=439.5-21.975=417.525m 上庫(kù)為正常蓄水位，下庫(kù)為死水位的情況（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)出現(xiàn)的概率為 50%）： H2=H正（上庫(kù)）-H死（下庫(kù)）-5%（H正（上庫(kù)）-H死（下庫(kù)）=1489.5-1040- 5%（1489.5-1040）=449.5-22.475=427.025m 上庫(kù)為死水位，下庫(kù)為正常蓄水位的情況（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)出現(xiàn)的概率為 15%）： H3=H死（上庫(kù)）-H正（下庫(kù)）-5%（H死（上庫(kù)）-H正（下庫(kù)）=1460-1050-5%（1460- 1050）=389.5m 上庫(kù)為死水位，下庫(kù)為死水位的情況（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)出現(xiàn)的概率為 5%）： H4=H死（上庫(kù)）-H死（下庫(kù)）-5%（H死（上庫(kù)）-H死（下庫(kù)）=399.0m 由上述情況得出： Hmax=H2=427.025m Hmin=H3=389.5m 根據(jù)各水頭出現(xiàn)的頻率計(jì)算加權(quán)平均水頭為： Hav=417.145m 抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)水頭的計(jì)算近似于引水式電站的設(shè)計(jì)水頭計(jì)算，即 Hr=Hav=417.145m 5 2 擋水、泄水建筑物基本尺寸計(jì)算 2.1 防浪墻頂高程的計(jì)算 壩頂高程的計(jì)算，應(yīng)該同時(shí)考慮以下四種情況，設(shè)計(jì)洪水位加正常運(yùn)用情 況的壩頂安全超高；校核洪水位加非常運(yùn)用情況的壩頂安全超高；正常蓄水 位加正常運(yùn)用情況的壩頂安全超高；正常蓄水位加非常運(yùn)用情況的壩頂安全超 高再加地震區(qū)安全超高。最后取其中最大值作為壩頂高程。 2.1.1 工況一 設(shè)計(jì)洪水位加正常運(yùn)用情況的壩頂安全超高。 2.1.1.1 計(jì)算風(fēng)速 0 V 采用多年平均最大風(fēng)速 1.52 倍,即=（1.52）多年平均最大風(fēng)速 0 V =（1.52）24=（3848）m/s，吹程 D 取 900 m。 2.1.1.2 波浪要素計(jì)算 波浪要素采用莆田公式計(jì)算： （2-1） 0.45 2 0.7 2 0 22 0.7 00 2 0 0.0018 0.130.7 0.130.7 mm m gD vghgH thth vv gH th v （2-2） 0.5 4.438 mm Th 0.45 2 0.7 2 22 0.7 2 9.81 900 0.0018 401039.819.81 103 0.130.7 4040 9.81 0.130.7 40 m h thth th 6 解得：=0.632m m h = 3.53s 2 4.438 0.632 m T 平均波長(zhǎng)按照下式計(jì)算： （2-3） 2 m 2 2 mm m gTH Lth L 對(duì)于深水波，即當(dāng)時(shí)，上式可以簡(jiǎn)化為0.5 m HL （2-4） 2 m 2 m gT L =19.46m 2 m 9.81 3.53 2 L 2.1.1.3 最大波浪爬高計(jì)算 R 值可參見(jiàn) SL2742001碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范附錄 A。即： （2-5） 2 1 mmm K K Rh L m 表 2-1 糙率及滲透系數(shù)K 護(hù)面類(lèi)型 K 光滑不透水護(hù)面（瀝青混凝土）1.00 混凝土或混凝土板0.90 草皮0.850.90 砌石0.750.80 拋填兩層塊石（不透水基礎(chǔ)）0.600.65 拋填兩層塊石（透水基礎(chǔ)）0.500.55 7 表 2-2 經(jīng) 驗(yàn) 系 數(shù)K w gH 1 1.522.533.54 5 K 1.001.021.081.161.221.251.281.30 注：表中 W 和 H 分別為計(jì)算風(fēng)速和壩前水深 2 0.9 1.01 0.632 19.461.768 1 1.5 m Rm 由不規(guī)則波法查得不同頻率下的爬高與平均爬高的比值關(guān)系（見(jiàn)碾壓式土石壩 設(shè)計(jì)規(guī)范 SL274-2001 ） ，即可以由求得 R，此處取最大波浪爬高為百年一遇。 m R 即 R=R1%。 （2-6） 1% 1.768 2.424.28 m RR Xm 2.1.1.4 最大風(fēng)浪雍高計(jì)算 =（2-7） 2 e0.0036cos 2 W D gH 2 400.9 e0.0036cos1612 2 9.81 103 3 2.463 10 m 2.1.1.5 壩頂防浪墻高程計(jì)算 安全加高 A=1.5m 壩頂安全超高 Y=R+e+A= （2-8） 3 4.282.643 101.55.781m 壩頂防浪墻高程15035.7811508.78m 2.1.2 工況二 校核洪水位加非常運(yùn)用情況的壩頂安全超高。 2.1.2.1 計(jì)算風(fēng)速 0 V 采用多年平均最大風(fēng)速,即=多年平均最大風(fēng)速=24m/s，吹程 D 取 950m。 0 V 8 2.1.2.2 波浪要素計(jì)算 波浪要素采用莆田公式計(jì)算： （2-9） 0.45 2 0.7 2 0 22 0.7 00 2 0 0.0018 0.130.7 0.130.7 mm m gD vghgH thth vv gH th v （2-10） 0.5 4.438 mm Th 0.45 2 0.7 2 22 0.7 2 9.81 950 0.0018 241049.819.81 104 0.130.7 2424 9.81 0.130.7 24 m h thth th 解得：=0.369m m h = 2.696s 2 4.438 0.369 m T 平均波長(zhǎng)按照下式計(jì)算： （2-11） 2 m 2 2 mm m gTH Lth L 對(duì)于深水波，即當(dāng)時(shí)，上式可以簡(jiǎn)化為0.5 m HL （2-12） 2 m 2 m gT L =11.348m 2 m 9.81 2.696 2 L 2.1.2.3 最大波浪爬高計(jì)算 R 值可參見(jiàn) SL2742001碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范附錄 A。即： 9 （2-13） 2 1 mmm K K Rh L m 糙率及滲透系數(shù)K 護(hù)面類(lèi)型 K 光滑不透水護(hù)面（瀝青混凝土） 1.00 混凝土或混凝土板 0.90 草皮0.850.90 砌石0.750.80 拋填兩層塊石（不透水基礎(chǔ)）0.600.65 拋填兩層塊石（透水基礎(chǔ)）0.500.55 經(jīng) 驗(yàn) 系 數(shù)K w gH 1 1.522.533.54 5 K 1.001.021.081.161.221.251.281.30 注：表中 W 和 H 分別為計(jì)算風(fēng)速和壩前水深 2 0.9 1.01 0.369 11.3481.022 1 1.5 m Rm 由不規(guī)則波法查得不同頻率下的爬高與平均爬高的比值關(guān)系（見(jiàn)碾壓式土 石壩設(shè)計(jì)規(guī)范 SL274-2001 ） ，即可以由求得 R，此處取最大波浪爬高為百年一 m R 遇。即 R=R1%。 （2-14） 1% 1.022 2.422.472 m RR Xm 10 2.1.2.4 最大風(fēng)浪雍高計(jì)算 = 2 e0.0036cos 2 W D gH 2 240.95 e0.0036cos1612 2 9.81 104 4 9.27 10 m 2.1.2.5 壩頂防浪墻高程計(jì)算 安全加高 A=0.7m 壩頂安全超高 Y=R+e+A= 4 2.4729.27 100.73.173m 壩頂防浪墻高程15043.1731507.173m 2.1.3 工況三 正常蓄水位加正常運(yùn)用情況的壩頂安全超高。 2.1.3.1 計(jì)算風(fēng)速 0 V 采用多年平均最大風(fēng)速 1.52 倍,即=（1.52）多年平均最大風(fēng)速 0 V =（1.52）24=（3848）m/s，吹程 D 取 850m。 2.1.3.2 波浪要素計(jì)算 波浪要素采用莆田公式計(jì)算： 0.45 2 0.7 2 0 22 0.7 00 2 0 0.0018 0.130.7 0.130.7 mm m gD vghgH thth vv gH th v 0.5 4.438 mm Th 0.45 2 0.7 2 22 0.7 2 9.81 850 0.0018 4089.59.819.81 89.5 0.130.7 4040 9.81 0.130.7 40 m h thth th 解得：=0.616m m h 11 = 3.484s 2 4.438 0.616 m T 平均波長(zhǎng)按照下式計(jì)算： 2 m 2 2 mm m gTH Lth L 對(duì)于深水波，即當(dāng)時(shí)，上式可以簡(jiǎn)化為0.5 m HL 2 m 2 m gT L =18.95m 2 m 9.81 3.484 2 L 2.1.3.3 最大波浪爬高計(jì)算 R 值可參見(jiàn) SL2742001碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范附錄 A。即： 2 1 mmm K K Rh L m 糙率及滲透系數(shù)K 護(hù)面類(lèi)型 K 光滑不透水護(hù)面（瀝青混凝土）1.00 混凝土或混凝土板0.90 草皮0.850.90 砌石0.750.80 拋填兩層塊石（不透水基礎(chǔ)）0.600.65 拋填兩層塊石（透水基礎(chǔ)）0.500.55 經(jīng) 驗(yàn) 系 數(shù)K 12 w gH 1 1.522.533.54 5 K 1.001.021.081.161.221.251.281.30 注：表中 W 和 H 分別為計(jì)算風(fēng)速和壩前水深 2 0.9 1.015 0.616 18.951.73 1 1.5 m Rm 由不規(guī)則波法查得不同頻率下的爬高與平均爬高的比值關(guān)系（見(jiàn)碾壓式土 石壩設(shè)計(jì)規(guī)范 SL274-2001 ） ，即可以由求得 R，此處取最大波浪爬高為百年一 m R 遇。即 R=R1%。 1% 1.73 2.424.187 m RR Xm 2.1.3.4 最大風(fēng)浪雍高計(jì)算 = 2 e0.0036cos 2 W D gH 2 400.85 e0.0036cos1612 2 9.81 89.5 3 2.677 10 m 2.1.3.5 壩頂防浪墻高程計(jì)算 安全加高 A=1.5m 壩頂安全超高 Y=R+e+A= 3 4.192.677 101.55.689m 壩頂防浪墻高程1489.55.6891495.189m 2.1.4 工況四 正常蓄水位加非常運(yùn)用情況的壩頂安全超高，再按照 SL203-97-5.3.2 規(guī)定 加地震安全超高。 2.1.4.1 計(jì)算風(fēng)速 0 V 采用多年平均最大風(fēng)速,即=多年平均最大風(fēng)速=24m/s，吹程 D 取 850m。 0 V 2.1.4.2 波浪要素計(jì)算 13 波浪要素采用莆田公式計(jì)算： 0.45 2 0.7 2 0 22 0.7 00 2 0 0.0018 0.130.7 0.130.7 mm m gD vghgH thth vv gH th v 0.5 4.438 mm Th 0.45 2 0.7 2 22 0.7 2 9.81 850 0.0018 2489.59.819.81 89.5 0.130.7 2424 9.81 0.130.7 24 m h thth th 解得：=0.351m m h = 2.63s 2 4.438 0.351 m T 平均波長(zhǎng)按照下式計(jì)算： 2 m 2 2 mm m gTH Lth L 對(duì)于深水波，即當(dāng)時(shí)，上式可以簡(jiǎn)化為0.5 m HL 2 m 2 m gT L =10.81m 2 m 9.81 2.63 2 L 2.1.4.3 最大波浪爬高計(jì)算 R 值可參見(jiàn) SL2742001碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范附錄 A。即： 2 1 mmm K K Rh L m 14 糙率及滲透系數(shù)K 護(hù)面類(lèi)型 K 光滑不透水護(hù)面（瀝青混凝土）1.00 混凝土或混凝土板0.90 草皮0.850.90 砌石0.750.80 拋填兩層塊石（不透水基礎(chǔ)）0.600.65 拋填兩層塊石（透水基礎(chǔ)）0.500.55 經(jīng) 驗(yàn) 系 數(shù)K w gH 1 1.522.533.54 5 K 1.001.021.081.161.221.251.281.30 注：表中 W 和 H 分別為計(jì)算風(fēng)速和壩前水深 2 0.9 1.0 0.3514 10.810.973 1 1.5 m Rm 由不規(guī)則波法查得不同頻率下的爬高與平均爬高的比值關(guān)系（見(jiàn)碾壓式土 石壩設(shè)計(jì)規(guī)范 SL274-2001 ） ，即可以由求得 R，此處取最大波浪爬高為百年一 m R 遇。即 R=R1%。 1% 0.973 2.422.355 m RR Xm 2.1.4.4 最大風(fēng)浪雍高計(jì)算 = 2 e0.0036cos 2 W D gH 2 240.85 e0.0036cos1612 2 9.81 89.5 4 9.64 10 m 15 2.1.4.5 壩頂防浪墻高程計(jì)算 上水庫(kù)樞紐工程抗震烈度為 7 度，且建筑物級(jí)別為 1 級(jí)建筑物，則大壩工 程抗震設(shè)防類(lèi)別為甲類(lèi)。則地震區(qū)的安全加高=1.0m,安全加高 A=0.7m A 壩頂安全超高 Y=R+e+A+= A 4 2.3559.64 100.7 1.04.056m 壩頂防浪墻高程1489.54.0561493.56m 2.2 泄水建筑物截面尺寸 壩址地帶河谷窄，右岸山坡陡峭。若采用明挖溢洪道，開(kāi)挖量大，造價(jià)高， 固采用隧洞泄洪方案，布置于右岸，利用施工期間導(dǎo)流隧洞改建成有壓泄洪隧洞。 設(shè)計(jì)最大下泄流量為 142，隧洞進(jìn)口底高程取為設(shè)計(jì)死水位 1460m。sm / 3 流速按照有壓流公式計(jì)算： =24. 00 1 2 ()2 () 1 pp vg Hhmg Hh f 0.85 2 9.81 (1503 1460) 7m/s 隧洞過(guò)水?dāng)嗝婷娣e由下式求的： = Q v 142 5.75 24.7 2 m 隧洞采用城門(mén)洞型，尺寸為。3.0 2.0 16 3 水電站引水建筑物 3. 1 輸水系統(tǒng)布置 3. 2 輸水系統(tǒng)各組成建筑物設(shè)計(jì) 3.2.1 引水隧洞 參照上庫(kù)進(jìn)出水口設(shè)計(jì)部分，對(duì)于豐寧抽水蓄能電站，考慮取引水隧洞流速 為 V0=4.5m/s，計(jì)算的隧洞直徑 d=8.3m。 3.2.2 壓力管道 1. 壓力管道的內(nèi)徑 引水隧洞后接有一定坡度的壓力鋼管，壓力管道經(jīng)濟(jì)流速為 56m/s，取 V1=6m/s，則由公式 （3-1） 2 1 4 D QAVV 1 243. 54 227. 2 6 Q Dm V 計(jì)算得壓力管道直徑為 D1=7.2m，管壁厚度=13.0mm,取為/8004D 13.0mm。 2.岔管直徑 岔管采用內(nèi)加強(qiáng)肋小 Y 形岔管布置，采用彭德舒公式來(lái)初步確定大中型壓 力鋼管的經(jīng)濟(jì)直徑： （3-2） 33 max 77 5.25.2 86.95 3.62 417.145 Q Dm H 17 式中：鋼管的最大設(shè)計(jì)流量 4 3 max min 29.9 10 86.95/ 9.819.81 0.9 389.5 r N Qms H H設(shè)計(jì)水頭。 計(jì)算得與壓力鋼管連接的分叉管的直徑為 3.62m，管壁厚度 =8.53mm/8004D 取為 9mm,岔管段的長(zhǎng)度=（11.2）D1，取為 8.5m。 3 L 3.壓力鋼管漸變段 引水隧洞直徑為 8.3m，壓力鋼管直徑為 7.2m，在壓力管道中設(shè)置一段漸 變段，取其長(zhǎng)度為 12m,漸變段的擴(kuò)散角為 5.268，滿足要求。 壓力鋼管與蝸殼進(jìn)水口的直徑也不同，也需要設(shè)置漸變段。此漸變段要求 由直徑 3.62m 變到 3.15m,取這段漸變段長(zhǎng)度為 6m，擴(kuò)散角為 4.5，滿足要求。 3.2.3 尾水隧洞 尾水隧洞的設(shè)計(jì)直徑同引水隧洞，其與尾水支洞之間的連接也采用內(nèi)加強(qiáng)肋 小 Y 形岔管，布置形式與上游類(lèi)似，為了使各機(jī)機(jī)組支管的水頭損失盡可能接近， 主次分岔點(diǎn)對(duì)應(yīng)的機(jī)組與上游側(cè)岔管相反，各機(jī)組的尾水支管與尾水管平順連接， 并且設(shè)置事故閘門(mén)。 3.3 上下庫(kù)進(jìn)出水口 3.3.1 進(jìn)出水口位置選擇 3.3.2 進(jìn)出水口的輪廓尺寸確定 3.3.2.1 隧洞直徑 豐寧抽水蓄能電站設(shè)計(jì)采用兩個(gè)獨(dú)立的水力單元，每一單元三臺(tái)機(jī)組共用 一條引水隧洞，則三臺(tái)機(jī)組滿發(fā)時(shí)，隧洞的過(guò)流量為=245.54m3/s。通常，3QQ 引 抽水蓄能電站在發(fā)電工況下，輸水隧洞內(nèi)最大平均流速為 5m/s，在抽水工況下， 18 輸水隧洞內(nèi)最大平均流速為 4m/s，對(duì)于豐寧抽水蓄能電站，考慮取引水隧洞流速 為 4.5m/s,則由 Q=A V 計(jì)算得隧洞的直徑 0 243.54 228.3 4.5 Q dm V 3.3.2.2 進(jìn)/出水口的參數(shù) 進(jìn)/出水口最大斷面尺寸 根據(jù)水流經(jīng)過(guò)攔污柵的平均流速 Vm，可以確定進(jìn)/出水口的最大斷面積。從 而可以確定進(jìn)/出水口斷面。一般流過(guò)攔污柵的平均流速為 0.81m/s，這里取 Vm=0.9m/s，對(duì)于側(cè)式進(jìn)/出水口，在立面上應(yīng)擴(kuò)散，一般底板作成水平的，頂板 向上擴(kuò)散，一般擴(kuò)散角小于 10，使進(jìn)/出水口的高度由隧洞直徑 d 漸增至 2 D，D 值應(yīng)不小于隧洞直徑的 1.5 倍，在平面上一定要有擴(kuò)散段，但擴(kuò)散角過(guò)大， 出流時(shí)水流會(huì)脫離邊墻，對(duì)于矩形斷面水平擴(kuò)散角1012。取 1 D=12.5m 則頂板擴(kuò)散角=8，滿足要求。進(jìn)/出口最大斷面，即擴(kuò)散段出口面積 2 為 2 max 243.54 243.54 1.0 m Q Am V 為 243.54m，進(jìn)/出口擴(kuò)散段出口的凈寬度為 max 243.54 19.5 12.5 A Bm D 為 19.5m，水平擴(kuò)散角，為滿足要求，在擴(kuò)散 1 19.58.3 2arctan21.5 2 30 段設(shè)三個(gè)分流墩，則有=5.3，滿足要求。分流墩的布置和體型設(shè)計(jì)，包括墩 1 尾的型式參考相當(dāng)規(guī)模和進(jìn)/出水口布置相似的抽水蓄能電站調(diào)整確定。 最小淹沒(méi)深度 為了避免水流流進(jìn)引水隧洞時(shí)產(chǎn)生漩渦，最低水位到進(jìn)水口頂?shù)木嚯x要大于 最小淹沒(méi)深度 H，其經(jīng)驗(yàn)公式為： 19 11 22 0.55 4.19 8.36.64 cr SCVdm 式中：C與進(jìn)水口幾何形狀有關(guān)的系數(shù)，進(jìn)水口設(shè)計(jì)良好、伸入水庫(kù)較 遠(yuǎn)，滿足水流對(duì)稱要求時(shí)取 0.55；邊界復(fù)雜、伸入水庫(kù)較近，不滿足水流對(duì)稱條 件時(shí)，取 0.73，取為 0.55； V閘門(mén)處流道中的流速； d計(jì)算斷面高度。 進(jìn)水口底高程 上水庫(kù)：進(jìn)/出水口底高程為：=1440mHD 進(jìn)底設(shè)低 進(jìn)/出水口頂高程為：=1452.5mH 進(jìn)頂設(shè)低 下水庫(kù): 進(jìn)/出水口底高程為：=1020.5mHD 進(jìn)底設(shè)低 進(jìn)/出水口頂高程為：=1033mH 進(jìn)頂設(shè)低 防渦梁設(shè)計(jì) 對(duì)于側(cè)式進(jìn)出水口，常在孔口處的上方設(shè)置固定的防渦梁，用來(lái)遮蔽旋渦的 流心，防止其發(fā)展。梁距要適中，如果太窄則旋渦會(huì)轉(zhuǎn)至梁的前方，如果太寬則 旋渦仍會(huì)進(jìn)入水道。參考類(lèi)似規(guī)模抽水蓄能電站進(jìn)出水口的布置設(shè)計(jì)設(shè)置防渦梁， 共設(shè)三根，高度為 2.5m，寬度為 2.0m，間距為 1.5m。同時(shí)，在防渦梁段與擴(kuò)散 段之間設(shè)一調(diào)整段 8.5m。 進(jìn)/出水口閘門(mén)段 閘門(mén)高度應(yīng)高于上水庫(kù)最高水位 1504m，根據(jù)豐寧抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)工 程地質(zhì)剖面圖上地形和水位的情況，定出閘門(mén)軸線位置距進(jìn)水口 190m。由于此段 距離很長(zhǎng)，所以進(jìn)水口到閘門(mén)設(shè)置兩個(gè)兩個(gè)漸變段，即由進(jìn)水口的矩形變?yōu)閳A形 隧洞，再由圓形隧洞變?yōu)榫匦伍l門(mén)的過(guò)渡段，通常采用圓角過(guò)渡。漸變段的長(zhǎng)度 一般為隧洞直徑的 1.52.0 倍，側(cè)面擴(kuò)散角以 6為宜。故取漸變段長(zhǎng) 度為 12m。 閘門(mén)通氣孔 20 通氣孔的面積： 2 max 243.54 3.25 75 Q Am v 最大進(jìn)氣流量出現(xiàn)在事故閘門(mén)緊急關(guān)閉時(shí)，可以近似認(rèn)為等于進(jìn)水口的最大 引用流量，即=243.54 ，進(jìn)氣流速一般為 7080m/s,取 V=75 m/s，計(jì) max Q 3 /ms 算得 A=3.25，則通氣孔的直徑為 2.0m。 攔污柵設(shè)計(jì) 攔污柵柵片寬度不超過(guò) 2.5m，高度不超過(guò) 4m。柵條厚度一般為 812，取 為 10，柵條寬 100200mm,取為 200mm。 柵條凈距，取為 100mm。 1 3090 / 30103 30 D bm m 矩形邊框由角鋼或槽鋼焊成，縱向的柵條常用扁鋼制成，上下兩端焊在邊框 上，沿柵條的長(zhǎng)度方向等間距設(shè)置帶有槽口的橫隔板。 3.4 調(diào)壓室 詳見(jiàn)調(diào)壓室專題部分。 21 4.電站部分參數(shù)計(jì)算 4.1 水泵水輪機(jī)參數(shù)的計(jì)算 4.1.1 水泵水輪機(jī)的額定出力 Nr Nr=Ngr/gr 其中：Ngr為電動(dòng)發(fā)電機(jī)的額定出力；gr為電動(dòng)發(fā)電機(jī)的額定效率。 豐寧抽水蓄能電站的額定出力為 29 萬(wàn) KW，可取 gr=0.970.98，則 Nr=29/0.97=29.90 萬(wàn) KW。 4.1.2 水泵水輪機(jī)的最大引用流量 Q 取水輪機(jī)工況效率 T=0.9，根據(jù)公式 （4-1）9.81rNrQH 計(jì)算得 = 81.18m3/s 9.81 r r N Q H 4.1.3 水泵水輪機(jī)的性能參數(shù)計(jì)算 鑒于豐寧抽水蓄能電站的運(yùn)行水頭介于 350450m,因此由下表和下圖水 泵水輪機(jī)選型應(yīng)用范圍，可以選用單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)。 表 4-1 各型水泵水輪機(jī)適用范圍 22 形式 適用水頭范圍（m）比轉(zhuǎn)速范圍（m.kw） 混流式 斜流式 軸流式 貫流式 20600 25200 1540 30 70250 100350 400900 圖4-1 可逆式水泵水輪機(jī)水頭應(yīng)用范圍 1-軸流式 2-斜流式 3-混流式 已知水輪機(jī)工況額定水頭Hr,利用經(jīng)驗(yàn)公式，初步選取水輪機(jī)比轉(zhuǎn)nst r K H 速nst。 對(duì)于Hr400m時(shí)考慮用K=2400；對(duì)于400mHr200m時(shí)考慮用K=2200；對(duì)于 Hr200m時(shí)考慮用K=2000或K=1800。 表4-2 可逆式水泵水輪機(jī)水頭與比轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)關(guān)系曲線 根據(jù)可逆式水泵水輪機(jī)水頭與比轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)關(guān)系曲線圖，在水輪機(jī)工況下，由 23 Hr=417.145m400m，考慮采用K=2400（K為表征水頭與比轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)的系數(shù)）。初 步選取水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速 =117.51r/min （4-2）st r K n H 2400 417.145 已知水輪機(jī)額定功率P（KW）,初步計(jì)算單位流量Q11（m3/s）和轉(zhuǎn)輪直徑 D（m） Q11=0.0039nst-0.15=0.0039*117.51-0.15=0.31m3/s （4-3） =3.58m1 3/2 118.82 r Nr D Q H 4 3 2 29.9*10 8.82*0.31*(417.145) 初步計(jì)算單位轉(zhuǎn)速n11 n 11=78.5+0.0918nst=78.5+0.0918*117.51=89.287r/min （4-4） 同步轉(zhuǎn)速 （4-5） 11 1 89.287* 417.145 509 /min 3.58 r nH nr D 原則上應(yīng)該選取與之相接近偏大的同步轉(zhuǎn)速，考慮到上述計(jì)算僅為試算過(guò) 程，且計(jì)算值與偏大的同步轉(zhuǎn)速相差很大，與同步轉(zhuǎn)速500r/min,極為相近， 因此選取同步轉(zhuǎn)速n=500r/min。 根據(jù)選擇的同步轉(zhuǎn)速重新計(jì)算上述參數(shù)： 比轉(zhuǎn)速 （4-6） 1/24 5/45/4 500* 29.9*10 145.03 /min 417.145 r st r nN nr H 單位流量Q11=0.0039nst-0.15=0.0039*145.03-0.15=0.42r/min （4-7） 轉(zhuǎn)輪直徑 m 4 1 1 29.9*10 3.09 9.819.81*0.9*0.42*417.145* 417.145 r rr N D Q HH 用水輪機(jī)工況額定點(diǎn)比轉(zhuǎn)速nst和最大水頭Hmax計(jì)算機(jī)組的吸出高度Hs(m) 由經(jīng)驗(yàn)公式得 0.9550.955 max 9.5(0.00170.008)9.5(0.0017*145.030.008)*427.025 sst HnH =-71.24m 取Hs=-71.0m 4.1.4 水泵水輪機(jī)主要尺寸和重量估算 轉(zhuǎn)輪內(nèi)緣直徑: m（4-8） 21st (0.050.06)(0.050.06)*3.09 145.031.8612.233DDn: 取D2=2.16m 導(dǎo)葉高度： 24 1.41.4 01 b0.001 (0.080.12)()0.001 (0.080.12) 3.09 (145.03) st D n: =(0.2620.394)m （4- 9） 取b0=0.36m 轉(zhuǎn)輪總高度： =0.001*(5.45.8)*3.09*(145.03)0.80.001nB : 0. 8 1st （5. 45. 8）D （） =(0.890.96)m （4- 10） 取B=1.00m 導(dǎo)葉軸線的圈圍直徑： D01.2D1=1.2*3.09=3.71m （4- 11） 導(dǎo)葉數(shù)Z0=2024 取Z0=24 座環(huán)外徑： （4-12） 1 (1.51.7) a DD: 式中系數(shù)：小值用于水頭H=80m，大值用于水頭H=600m。 計(jì)算得Da=5.10m，取Db=4.45m。 轉(zhuǎn)輪重量： （4-13） 1 3 GD 式中系數(shù)可以由下圖查得，它與D2/D1和水頭H有關(guān)。 計(jì)算得G=16.23t。 表4-3 混流式水泵水輪機(jī)的各主要尺寸和確定轉(zhuǎn)輪重量的關(guān)系曲線 25 4.2 蝸殼與尾水管 4.2.1 蝸殼尺寸 水頭范圍 389.5m 427.0m40m 采用金屬蝸殼，最大包角為。 o 345 蝸殼應(yīng)盡可能滿足兩種工況要求，但由于水泵水輪機(jī)的外部裝有活動(dòng)和固定 導(dǎo)葉，水泵工況水流通過(guò)兩道導(dǎo)葉得到相應(yīng)的擴(kuò)散，對(duì)蝸殼擴(kuò)散作用要求減少， 尺寸與常規(guī)水輪機(jī)蝸殼相近，因此，采用與常規(guī)水輪機(jī)蝸殼一致的算法。 對(duì)于高水頭混流水輪機(jī)，采用圓形焊接或鑄造結(jié)構(gòu)蝸殼。 查圖 1-1 得，= 10.0m/s c V 表 4-4 蝸殼進(jìn)口斷面平均流速曲線 又已知= 81.18m3/s ，ra= =2.55m，則計(jì)算結(jié)果如下表 max QaD 2 1 表 4-2 蝸殼各斷面尺寸表 斷面 0-0345157441245698 1-1300146740175484 2-2255135339035256 i iai(mm) ar maxi i o c (mm) 360 Q V iai 2(mm)Rr 26 3-3210122837785006 4-4165108836384726 5-512092834784406 6-67573432844018 7-73046430143478 4.2.2 尾水管尺寸 參閱抽水蓄能發(fā)電技術(shù)的相關(guān)介紹，抽水蓄能電站的尾水管尺寸與常規(guī) 電站的尾水管沒(méi)有大的差別，故參照 1988 年版提供的常規(guī)電站的尺寸作為本電 站的尺寸，具體如下表： 表 4-3 3h/D 34/D D 33/D h 34/D h 35/D h 5 3 B D 31/D L 3 L/D 2.931.241.681240.65 2.5 1.685.71 h 4 D 3 h 4 h 5 h 5 B 1 L L 6.332.68 363 2.68 134 5.4 363 12.33 4.3 發(fā)電電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型選擇 4.3.1 電動(dòng)發(fā)電機(jī)外形尺寸 基于已經(jīng)確定的水泵水輪機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 500r/min 和給出的單機(jī)容量 P=29 萬(wàn) KW，參照常規(guī)發(fā)電機(jī)的尺寸估算方法和相應(yīng)公式，計(jì)算發(fā)電電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù) （部分參數(shù)參照已用機(jī)型 SF40-12/425）。 27 1.極距 Sf=Nf/cos= 4 30 10 /0.9333333KVA cos,參照已用機(jī)型 SF40-12/425，取為 0.9。 =（810）（103.28129.1）cm （4-14） 4 2p f j S K 4 333333 2 6 取=130cm。 校核發(fā)電機(jī)在飛逸狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子的飛逸線速度 Vf是否在轉(zhuǎn)子材料的允許范圍 內(nèi)。 = V= （4- ff VK V f n n 815.50 130211.9 500 m s 15） 2.定子內(nèi)徑 Di = （4- 2 i p D 2 6 130496.56cm 16） 取Di= 500cm 3.定子鐵芯長(zhǎng)度lt lt = = （4- f 2 ie S CD n 662 333333 444333 cm 6 108 10500500 : : 17） 表4-4系數(shù) C 冷卻方式空冷水冷 額定容 （KVA） C 10000以下 210- 6410-6 1000010 0000 410- 66.510-6 110000 350000 610- 6 810-6 85000350 000 1010- 61310-6 28 取lt為340cm。 4.定子鐵芯外徑Da(機(jī)座號(hào)) ne166.7rpm, Da= Di+=500+130=630 （4- 18） Da=630cm 計(jì)算結(jié)果： ，= 630cmcm130cm500iD340cm t laD 4.3.2 外形尺寸估算 4.3.2.1 平面尺寸估算 定子機(jī)座外徑D1 ne500rpm D1=1.30Da =1.3630=819 （4-19） 風(fēng)罩內(nèi)徑D2 Sf 20000KVA D2=D1+2.4m=8.2+2.4=10.6m （4- 20） 轉(zhuǎn)子外徑 D3 D3=Di-2=500cm （4- 21） 下機(jī)架最大跨度 D4 Sf 100000KVA D4=D5+1.2=4.32+1.2=5.52m （4- 22） 推力軸承外徑 D6 查表可得。 計(jì)算結(jié)果： =820cm， = 630cm，=1060cm，= 500cm，1DaD2D3D = 550cm， = 430cm， = 520cm， = 480cm4D5D6D7D 4.3.2.2 軸向尺寸計(jì)算 29 定子機(jī)座高度 h1 ne 214r/min =340+2130=340+260=600cm (4-2 1 t lh 23） 上機(jī)架高度 h2 采用懸式發(fā)電機(jī) h2=0.25Di=0.25500=125cm (4-24) 推力軸承高度 h3勵(lì)磁機(jī)高度 h4副勵(lì)磁機(jī)高度 h5永磁機(jī)高度 h6 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。 下機(jī)架高度 h7 懸式非承載機(jī)架 h7=0.12Di=0.12500=60 (4-25) 定子支座支承面至下機(jī)架支承面或下?lián)躏L(fēng)板之間的距離 h8 懸式非承載機(jī)架 h8=0.15Di=0.15500=75 (4-26) 轉(zhuǎn)子磁軛軸向高度 h10 有風(fēng)扇時(shí) h10=lt+(7001000)mm=3400+800=420 (4-27) 下機(jī)架支承面主主軸法蘭底面距離 h9 h9=7001500mm (9)發(fā)電機(jī)主軸高度 h11 h11=（0.70.9）H=(10221314)cm (4-28) H=h1+h2+ h3+h4+h5+h6 +h8+h9 =600+125+180+220+100+80+75+80=1460 (10)定子鐵芯水平中心線至法蘭盤(pán)底面距 h12 H12=0.46h1+ h8+ h9=0.46600+420=696 (4-29) 計(jì)算結(jié)果： = 600cm， =125cm， =180cm =220cm =100cm = 1 h2h3h4h5h6h 80cm， = 60cm = 75cm， =800cm， =420cm， = 7h8h9h10h11h 1100cm，=700cm12h 4.3.3 發(fā)電機(jī)重量估算 （4-30） 3 2 1 ne f KGf 30 式中，K1系數(shù)，傘式 K1=810， 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子重=Gf 2 1 計(jì)算結(jié)果：= 381.57t 2 1 fG 23 1333333 10 2500 4.4 調(diào)速設(shè)備選擇 4.4.1 調(diào)速功計(jì)算 A=（200250）QD1 maxH （4-31） 4 3 max 29.9 10 79.31/ 9.819.81 427 0.9 r N Qms H A=（200250）79.31 (4-32)427 3.09(576170.64720213.3)30000: 計(jì)算得 A=（576170.6720213.3）30000，屬于大型調(diào)速器，則接力器、調(diào)速 柜和油壓裝置應(yīng)該分別進(jìn)行計(jì)算和選擇。 4.4.2 接力器選擇 4.4.2.1 接力器直徑的計(jì)算 采用兩個(gè)接力器來(lái)操作水輪機(jī)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，選用額定油壓為 2.5Mpa，每個(gè)接力器 直徑 ds由下式計(jì)算： ds=D1 (4-33) 0 1 0.36 max427654 3.09 b Hmm D 因此，在水電站表 4-4 中選擇與之接近的標(biāo)準(zhǔn)接力器直徑 ds=650 4.4.2.2 接力器最大行程 計(jì)算 max S 31 圖 45 HL120 模型綜合特性曲線（使用此圖估算） oMmax a 水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉最大開(kāi)度 a0max = （4- ooM oMmax oMo 3650 24 25.7206mm 456 24 D Z D Z a 34） (由，查得=25.7mm) 1 1r r 61.5r/min nD H n 3 1max 280m /sQ oMmax a 最大行程Smax = (1.41.8) a0max =11131431mm 取Smax =1.3m (4-35) 4.4.2.3 接力器容積計(jì)算 = =0.205 (4-36) max 2 2 SdsVS 2 0.650.309 2 3 m 4.4.2.4 主配壓閥直徑計(jì)算 = (4-37) msS VTVd/13 . 1 1.13 0.205/(4 4.5)0.121m 最終計(jì)算得：d121mm 故選用與之相鄰而偏大的 DT-150 型電氣液壓型調(diào)速器。 尺寸見(jiàn)表 4-3 表 4-5 32 型號(hào)制造廠商 機(jī)械柜尺寸 (lbh)mm 基礎(chǔ)板尺寸 (LB)mm 電器柜尺寸 (MNH)mm DT-150東方電機(jī)廠75095013751200 15005508042360 圖 4-6 4.4.3 油壓裝置 VK=20VS =200.205=4.1m3 (4-38) 計(jì)算得 VK =故選用與之相鄰而偏大的 YS-8 型油壓裝置。 選用分離式油壓裝置 YS-8 表 4-6 油壓裝置尺寸 型號(hào) 容積 V0 m3 筒外徑 D1 mm 基礎(chǔ)架外徑 D0 Mm 總高 H mm 桶高 h mm YS-881848217841503175 型號(hào) 油箱長(zhǎng)度 m油箱寬度 n油箱體高 k油箱總高 L 33 表 4-7 回油箱尺寸 4.5 進(jìn)水閥的選擇 考慮到豐寧抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)較長(zhǎng)，且采用集中供水的方式，每臺(tái)機(jī)組 上游側(cè)需設(shè)置進(jìn) 水閥。因豐寧抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)水頭較大 Hr=417.145m200m，所以選用球 閥。 選用 QF-200-500 的球閥，其油壓裝置定為 YS-4，選用旁通閥的直徑取 0.4mm，空氣閥的直徑取 =0.3m，為便于進(jìn)水閥安裝有拆卸，附設(shè)伸縮節(jié)。 4.6 主廠房主要尺寸的擬定 4.6.1 高度方向尺寸的確定 1. 可逆式機(jī)組安裝高程 對(duì)于立軸機(jī)組，其安裝高程為： =1040-71+0.36/2=969.18m 0 2 Sws b ZZH 計(jì)算得=969.18m。 S Z mmmmmmmm YS-82560280014402658 34 2.尾水管底板高程 尾水管底板高程=969.18-0.36/2-6.798=962.2m 0 2 b h 安 尾水管底板高程為 962.2m。 3.水輪機(jī)層地面高程 水輪機(jī)層地面高程=水輪機(jī)安裝高程+蝸殼進(jìn)口斷面半徑+蝸