水輪機選型設計

1、第六章水輪機選型設計由于各開發(fā)河段的水力資源和開發(fā)利用的情況不同，水電站的工作水頭和引用流量范圍也不同，為了使水電站經(jīng)濟平安和高效率的運行， 就必須有很多類型和型式的水輪機來適應 各種水電站的要求。水輪機由于它自身能量特性、汽蝕特性和強度條件的限制，每種水輪機適用的水頭和流 量范圍比擬窄，要作出很多系列和品種(尺寸)的水輪機，設計、制造任務繁重，生產(chǎn)費用 和本錢也大。因此有必要使水輪機生產(chǎn)系列化、標準化和通用化，盡可能減少水輪機系列， 控制系列品種，以便加速生產(chǎn)、降低本錢。在水電站設計中按自己的運行條件和要求選擇合 適的水輪機。一、水輪機選型設計的任務及內(nèi)容1任務水輪機是水電站中最主要動力設備

2、之一，影響電站的投資、制造、運輸、安裝、平安運 行、經(jīng)濟效益，因此 根據(jù)H、N的范圍選擇水輪機 是水電站中主要設計任務之一,使水電站充分利用水能，平安可靠運行。每一種型號水輪機規(guī)定了適用水頭范圍。水頭上限是根據(jù)該型水輪機的強度和汽蝕條件限制的，原那么上不允許超過；下限主要是考慮到使水輪機的運行效率不至于過低。2內(nèi)容(1) 確定機組臺數(shù)及單機容量(2) 選擇水輪機型式(型號)及裝置方式(3) 確定水輪機的額定功率、轉(zhuǎn)輪直徑 Di、同步轉(zhuǎn)速n、吸出高度Hs、安裝高程Z a飛逸轉(zhuǎn)速、軸向水推力；沖錘式水輪機，還包括噴嘴數(shù)目Z。、射流直徑do等。(4) 繪制水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線(5) 估算水輪機的外形尺

3、寸、重量及價格、蝸殼、尾水管的形式、尺寸、調(diào)速器及油壓 裝置選擇(6) 根據(jù)選定水輪機型式和參數(shù)，結(jié)合水輪機在結(jié)構(gòu)上、材料、運行等方面的要求，擬定并向廠家提出制造任務書,最終由雙方共同商定機組的技術條件，作為進一步設計的依據(jù)。二、選型設計1 水輪機選型設計一般有三種根本方法(1) 水輪機系列型譜方法：中小型水電站水輪機選多此種方法或套用法。(2) 套用方法：用于小型水電站設計。(3) 統(tǒng)計分析的方法：大型水電站設計，應用較廣泛。2裝機特征設計包括：機組臺數(shù)、單機容量、水輪機型式與裝置方式。(1) 掌握機組臺數(shù)選擇的原那么及機組臺數(shù)對水電廠運行的影響。(2) 水輪機型式的選擇依據(jù)單機容量和水電站

4、的特征水頭(Hmax、Hmin、Ha、Hr)進行選擇。型號的選擇主要取決于水頭。各種水輪機都有一定的使用范圍，根據(jù)電站運行水頭的范圍，直接查系列型譜，確定水輪機的型號。如果兩種型號均可采用時，可通過水輪機比轉(zhuǎn)速 水平分析和水輪機性能與應用特點比擬確定水輪機的型式，保證水輪機較高的動能經(jīng)濟指標和可靠的平安性能。根據(jù)目前國內(nèi)設計、施工和運行的電站資料，在特征水頭相近、單機容量適當，經(jīng)濟技 術指標相近時，有限套用已經(jīng)生產(chǎn)國的機組，這樣可以節(jié)省設計時間、 盡早供貨、提前發(fā)電。3 還擊式水輪機根本參數(shù)計算(1)用模型綜合特性曲線計算Di確實定Di'Pr 3/2(m).9.81QiirHr rPr

5、：水輪機額定出力，Pr= Nf/n fNf發(fā)電機額定出力(機組容量)，n f 發(fā)電機的效率，大中型：nf=0.950.97n :水輪機額定工況的單位流量；11 r混流式水輪機由5%出力限制線得到Qu ;軸流式由汽蝕條件得到，或限制Hs反推b z以防止開挖過多。Hr ：水輪機的額定水頭；假設取H = Hmax進行計算，那么求出的 力。假設取H=Hmin進行計算，那么求出的 n :原型水輪機額定工況下的效率，在 一般先取n = n M+n 轉(zhuǎn)速的選擇D1太小，除H=H max以外，均不能發(fā)出額定出D1太大，增加設備投資。D1未確定時，不能得出確切的n。(n =23%)，求得D1后再修正。n110為

6、原型水輪機的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速；Ha為水電站的平均水頭;工作范圍的驗算求出水輪機的參數(shù) D1、n后，在模型綜合特性曲線上繪出水輪機的相似工作范圍，檢驗是否包括了高效率區(qū)，以驗證 D1、n的合理性。Hs的計算10 900 ()H計算時，選擇Hmax、Hmin、Ha、Hr假設干水頭，分別計算出不工況下的吸出高度，從中選取最小值作為最大允許高度。 注意：計算Hs時，要用各水頭下限制工況下空化系數(shù)。(2)用比轉(zhuǎn)速和統(tǒng)計資料推算水輪機的根本參數(shù)Di確實定Di轉(zhuǎn)速的選擇Pr- 9.81Q11rH；/2 r5nsH,Hs的計算Hs10900zH第九章 水電站輔助設備一、水輪機進水閥水輪機進水閥是為了保護機組的平安

7、、減輕導葉間隙磨蝕破壞、 縮短引水鋼管的充水時間而設置。蝶閥：用于水頭在 200m以下的水電站。球閥：用于水頭在 200m以上的水電站閘閥：用于小管徑(D<1m)、高水頭的水電站 。筒形閥：裝在固定導葉與活動導葉之間。二、油系統(tǒng)1 透平油與絕緣油的功用及其用戶透平油：供應機組軸承的潤滑油和操作用的壓力油，稱為透平油。其作用是潤滑、散 熱及傳遞能量。絕緣油：供應變壓器、油開關等電氣設備的絕緣油，其作用是絕緣、散熱及滅弧。兩 種油的性質(zhì)不同，應有兩套獨立的油系統(tǒng)。2 油系統(tǒng)的作用接收新油、儲藏凈油、給設備充油、向運行設備添加油、從設備中排出污油、油的監(jiān)督、 維護和取樣化驗、油的凈化處理、廢油

8、的收集及處理。3. 油系統(tǒng)的組成油系統(tǒng)由：油罐、油處理設備、油化驗設備、油吸附設備、管網(wǎng)、測量及控制元件。三、氣系統(tǒng)1 .壓氣系統(tǒng)的用途壓縮空氣分為低壓壓縮空氣和高壓壓縮空氣。(1)低壓壓縮空氣系統(tǒng)。機組制動；調(diào)相運行壓水；蝶閥關閉時，將壓縮空氣通入閥上 的空氣圍帶，使其膨脹而減少漏水；檢修時清掃設備，供風開工具使用；通向攔污柵，防凍 清污。額定氣壓為 0.50.8MPa 。2 高壓壓縮空氣系統(tǒng)。廠房中所有調(diào)速器油壓裝置的壓力油箱充氣，調(diào)速器壓力油箱 中約有 2/3 的體積為壓縮空氣， 以保證調(diào)速器用油時無過大的壓力波動， 額定氣壓為 2.5MPa 及 4MPa 。配電裝置如空氣斷路器的滅弧和

9、操作的用氣， 以及開關和少油斷路器的操作用氣， 額定氣壓為 25MPa 。2壓縮空氣系統(tǒng)主要設備有：空壓機、過濾器、儲氣罐、油水別離器、冷卻器四、水系統(tǒng)1供水系統(tǒng)水電站廠房內(nèi)的供水系統(tǒng)包括 技術供水、生活供水、消防供水 。技術供水 包括 冷卻及潤滑 用水， 如發(fā)電機的空氣冷卻器、 機組導軸承和推力軸承的油冷 卻器、水潤滑導軸承、空氣壓縮機氣缸冷卻器、變壓器的冷卻設備等。注意不同用戶對水壓、水溫、水質(zhì)的要求。特別是水冷變壓器對水壓的要求，空氣冷卻 器對水溫的要求，水潤滑軸承對水質(zhì)的要求。2水電廠的供水系統(tǒng)由 水源、供水設備、水處理設備、管網(wǎng)和測量控制元件 組成。3 種供水水源： 上游水庫、下游尾

10、水與地下水 。5 種供水方式： 自流供水、水泵供水、混和供水、射流泵供水和循環(huán)供水 。3 種供水設備配置方式： 集中供水、單元供水與分組供水 。注意不要把供水方式與 供水設備配置方式混淆。 3水電廠排水的內(nèi)容： 生產(chǎn)用水的排水、 機組和廠房水下局部的檢修排水及滲漏排水。4檢修排水的兩種方式：直接排水和廊道排水。5排水系統(tǒng)的主要設備：排水閥和排水泵。6水力參數(shù)測量的目的是為了保證水電站的平安運行和實現(xiàn)經(jīng)濟運行；考查已投入運 行機組的實際性能，為科研、設計提供和積累資料。水力監(jiān)測的內(nèi)容： 攔污柵前后的壓力差， 電站上下游水位， 水輪機裝置水頭， 工作水頭， 引用流量，水輪機引，排水系統(tǒng)的監(jiān)測、輔助

11、設備系統(tǒng)的監(jiān)測等。第十章 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一、水輪機調(diào)節(jié)的任務1隨外界負荷的變化，迅速改變機組的出力。2保持機組轉(zhuǎn)速和頻率變化在規(guī)定范圍內(nèi)。負荷分配 。3啟動、停機、增減負荷，對并入電網(wǎng)的機組進行成組調(diào)節(jié)隨著電力系統(tǒng)負荷變化，水輪機相應地改變導葉開度或針閥行程，使機組轉(zhuǎn)速恢復 并保持為額定轉(zhuǎn)速的過程，稱為水輪機調(diào)節(jié)。二、水輪機調(diào)節(jié)原理一原理：水輪發(fā)電機組的運動方程式為：plMt Mg J g dt當 Mt=Mg時，=0，C n not g dt2 NJt Mg MtM g t M g tg dtMg Mt Mg f 0f nJdt所以當負荷變化時，應調(diào)節(jié) Mt，使Mt=Mg, n n0，又：Mt

12、 QH Mt HQ /要使 C，一般不能改變 H和效率n 做不到或不經(jīng)濟，而是通過改變 Q而到達改 變主動力矩M的目的。調(diào)節(jié)流量的途徑：還擊式水輪機：通過改變導葉開度 ao軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機：改變導葉開度ao,同時改變?nèi)~片轉(zhuǎn)角沖擊式水輪機：通過改變噴嘴開度調(diào)節(jié)實質(zhì)：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速水輪機調(diào)節(jié)所用的調(diào)節(jié)裝置稱為水輪機調(diào)速器。三、水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成調(diào)速器的作用：以轉(zhuǎn)速信號為依據(jù)， 迅速自動地調(diào)節(jié)導葉開度， 以到達改變出力恢復轉(zhuǎn) 速的目的。調(diào)速器由自動調(diào)整機構(gòu)、控制機構(gòu)、油壓裝備、保護裝備和監(jiān)視儀表組成。其中，自動 調(diào)整主要由測量元件、放大元件、校正元件等組成，調(diào)速器與機組構(gòu)成水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當系統(tǒng)頻率出現(xiàn)

13、偏差時， 能自動改變導水機構(gòu)的開度，使機組輸出的有功功率滿足電網(wǎng)負荷的需要，維持頻率穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速調(diào)整機構(gòu)和開度限制機構(gòu)通過自動調(diào)節(jié)機構(gòu)起著控制作用。測量元件是個比例環(huán)節(jié)， 能將輸入頻率信號變?yōu)闄C械位移或電氣信號，以便推動下一級放大機構(gòu)；放大元件是個積分環(huán)節(jié)，如無負反應信號的作用，放大元件的動作將不會停止； 硬反應元件是按比例將輸入值變?yōu)檩敵鲋?，參加到綜合元件后， 起著調(diào)差作用；軟反應元件是個實際微分環(huán)節(jié)， 一調(diào)整器中作校正元件， 形成調(diào)節(jié)規(guī)律，電調(diào)中的PID環(huán)節(jié)通過集成電 路，將比例積分、微分調(diào)節(jié)規(guī)律用硬件完成送入信號綜合放大回路；微機調(diào)節(jié)器是通過采樣的離散處理，利用三次采樣的偏差值由PID控制

14、算式取得輸出值作用于功率放大機構(gòu)。四、調(diào)速器的類型1按調(diào)速器元件結(jié)構(gòu)分為：機械液壓 (機調(diào)) 和電氣液壓 (電調(diào) ) 2按調(diào)節(jié)規(guī)律可分為： PI 和 PID 調(diào)速器 3按執(zhí)行機構(gòu)數(shù)目分：單調(diào)節(jié)和雙調(diào)節(jié)調(diào)速器 單調(diào)節(jié)：只有一個導葉起閉機構(gòu)，如混流和軸流定漿機組雙調(diào)節(jié)：有兩個調(diào)節(jié)機構(gòu)(導葉開度，葉片轉(zhuǎn)置角)，ZZ、CJ (針閥、折流板轉(zhuǎn)動) 4按反應的位置分為：輔助接力器型、中間接力器型、電子調(diào)節(jié)器 5按調(diào)速器工作容量大小可分為：大型：活塞直徑80mm以上 中型：操作功 1000030000N. m小型：操作功小于 10000 N. m ，特?。盒∮?3000N.m五、調(diào)節(jié)保證計算(一 ) 根本概

15、念1調(diào)節(jié)保證計算的任務：根據(jù)水電站水輪機組和引水系統(tǒng)條件，針對甩荷過渡過程所進行的機組轉(zhuǎn)速和引水系統(tǒng)壓力上升的計算叫調(diào)節(jié)保證計算。調(diào)節(jié)保證計算的任務及目的為：(1) 計算有壓引水系統(tǒng)的最大和最小內(nèi)水壓力。最大內(nèi)水壓力作為設計或校核壓力管道、 蝸殼和水輪機強度的依據(jù)； 最小內(nèi)水壓力作為壓力管道線路布置， 防止壓力管道中產(chǎn)生 負壓和校核尾水管內(nèi)真空度的依據(jù)；(2) 計算丟棄負荷和增加負荷時轉(zhuǎn)速變化率，并檢驗其是否在允許的范圍內(nèi)。(3) 選擇調(diào)速器合理的調(diào)節(jié)時間和調(diào)節(jié)規(guī)律，保證壓力和轉(zhuǎn)速變化不超過規(guī)定的允許 值。(4) 研究減小水錘壓強及機組轉(zhuǎn)速變化的措施2計算標準： 所謂調(diào)節(jié)保證計算標準，是指水錘

16、壓力和轉(zhuǎn)速變化在技術經(jīng)濟上合理的 允許值。速率上升值 :卩 max= (nmax-n0)/no當機組容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎剌^大，且擔負調(diào)頻任務時，宜小于50；當機組容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘?0%以下或擔負基荷時，3 max可允許為55% 60% ；對斗葉式水輪機，宜小于 30。水壓上升值 :當 H°> 100m 時，當 H0=40100m 時，當 H°v 40m 時，E max =(Hmax-H0)/H0E max= 0.150.30E max= 0.300.50E max= 0.500.70尾水管真空值 : 尾水管進口的允許最大真空度為 8m 水柱高3計算工況選擇a

17、. 額定水頭甩全負荷b.最大水頭甩全負荷4. 直接水錘和間接水錘：水錘波在管道中傳播一個來回的時間為2L/a,稱為“相。當水輪機開度的調(diào)節(jié)時間Ts< 2L/a時，由水庫處異號反射回來的水錘波尚未到達閥門之前，閥門開度變化已經(jīng)終止，水管末端的水錘壓力只受開度變化直接引起的水錘波的影響，這種水錘稱為直接水錘。H H Ho -V V。g在水電站中絕對防止發(fā)生直接水錘假設水輪機開度的調(diào)節(jié)時間 Ts >2L/a時，當閥門關閉過程結(jié)束前， 水庫異號反射回來的降壓波已經(jīng)到達閥門處， 因此水管末端的水錘壓力是由向上游傳播的水錘波和反射回來的水錘波疊加的結(jié)果，這種水錘稱為間接水錘。二開度依直線變化的水錘簡化計算當閥門開度依直線規(guī)律變化時，根據(jù)最大壓強出現(xiàn)的時間可歸納為兩種類型：第一類：當hw。<1時，最大水錘壓力出現(xiàn)在第一相末，稱第一相水錘。i 2hw(i .1