水轮机选型

水轮机选型 gfjhfgjfgjrtrtj 第三章 水轮机选型 水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益。 根据H、N的范围选择水轮机是水电站主要任务之一，使水电站充分利用水能，安全可靠运行。 水轮机选型设计是水电站设计中的一项重要工作。它不仅包括水轮机型号的选择和有关参数的确定，还应认真与选型设计有关的各种因素，如水轮发电机的制造、安装、运输、运行维护，电力用户的要求以及水电站枢纽布置、土建施工、工期安排等。因此，在选型设计过程中应广泛征集水工、机电和施工等多方面的意见，列出可能的待选方案，进行各方案之间的动能经济比较和综合分析，以力求选出技术上先进可靠、经济上合理的水轮机。 第一节 水轮机的系列 一、水轮机的系列型谱 我国在1974年编制了反击式水轮机暂行系列型谱，其中所列出的转轮，是经过长期实践验证在某一水头段的性能优异的转轮。 型谱中，水轮机转轮型号一律用比转速代号。 轴流式、混流式、ZD760型、水斗式水轮机系列型谱参数见教材。 二、水轮机转轮标称直径系列(cm) 25 30 35 (40) 42 50 60 71 (80) 84 100 120 140 160 180 200 225 250 275 300 330 380 410 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 说明:括号内的数字表示仅适用于轴流式水轮机。 三、水轮发电机标准同步转速 3 4 5 7 8 9 10 12 14 磁极对数 1000 750 600 428.6 375 333.3 300 250 214.3 同步转速n 16 18 20 22 24 26 28 30 32 磁极对数 187.5 166.7 150 136.4 125 115.4 107.1 100 93.8 同步转速n 34 36 38 40 42 44 48 50 磁极对数 88.2 83.3 79 75 71.4 68.2 62.5 60 同步转速n 四、水轮机系列应用范围图 第二节 水轮机选择 一、水轮机选型设计的内容 1. 确定机组台数及单机容量 2. 选择水轮机型式(型号)及装置方式 3. 确定水轮机参数D、n、H、Z;Z、d 1sa00 4. 绘制水轮机运转特性曲线 5. 确定蜗壳、尾水管的形式及其尺寸，估算水轮机的重量和价格。 6. 调速器及油压装置选择 7. 根据选定的水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、材料、运行等方面的 要求，拟定并向厂家提出制造任务书，最终双方共同商定机组的技术条件， 作为进一步设计的依据。 二、水轮机选型设计的基本要求 1. 有较好的能量特性，在额定水头下能保证发出额定出力，额定水头以下的机 组受阻容量小，水电站全厂机组平均效率高。 2. 性能要与水电站的整体运行方式和谐一致，运行稳定，可靠灵活。有良好的 抗空蚀和抗磨损性能，对多泥沙河流的电站更应如此。 3. 结构设计合理，便于安装与操作、检修与维护。 4. 选择生产实力强、制造技术水平高、合作信誉好的制造厂商。 5. 考虑适度合理的经济节省原则。 三、所需要的有关资料 1. 水轮机产品技术资料:系列型谱、生产厂家、产品目录、模型综合特性曲线。 2. 水电站技术资料:河流梯级开发方案、水库的调节性能、水电站布置方案、 地形、地质、水质、泥沙情况、总装机容量、水电站运输、安装技术条件; 水文资料: 特征流量及特征水头、下游水位流量关系曲线。 3. 水电站有关经济资料:机电设备价格、工程单价、年运行费等。 4. 电力系统资料:系统负荷构成，水电站的作用及运行方式等。 四、机组台数及单机容量的选择 已知总装机容量(=Z×N)，N不同，D、n、H、η均不同。 单单01s 1、机组台数与机电设备制造的关系 N一定，Z多?N??尺寸(D)小?制造运输容易?造价高(单位千瓦耗材多、制造量总单01 大)。 所以一般选用较大的N。 单 2、机组台数与电站投资的关系 Z多?单位千瓦投资??阀门、调速、管道、辐设、电气等增加?厂房尺寸增加。 0 N??D??尾水管高度低?开挖少?投资少 单1 3、机组台数与运行效率的关系 Z??平均效率? 0 (1) 担任基荷时:出力变化小，流量变化稳定，可用较少的台数，使水轮机可以 在较长时间内以最优工况运行，其平均效率也比较高。 (2) 担任峰荷时:出力变化幅度大，应该选用较多的台数，以增加其运行灵活性，提高整体运行效率。 (3) 对于轴流定浆和混流式水轮机，可以选用较多的台数，而对于轴流转浆式水轮机因其调节性能好，可以选用较少的机组。 4、机组台数与电站运行维护工作的关系 台数多，运行灵活，事故影响小，但同时增加了事故的几率，也增加了管理人员、提高了运行费，所以不宜采用过多的台数。 总之，一般应采用较大的N，较少的台数，但一般至少应选2台，少数情况下单 可选1台。中大型电站一般选4~6台，根据机组的制造水平和装机容量也可以选用更多的台数，如葛洲坝共21台，装机271.5万千瓦，正在修建的三峡水电站装机26×70=1820万千瓦。 五、水轮机型号及主要参数的确定 依据:N，特征水头(H、H、H、H) 单maxminavr 1、根据水轮机系列型谱选择 型号的选择主要取决于水头。各种水轮机都有一定的使用范围，根据电站运行水头的范围，直接查系列型谱，确定水轮机的型号。 如果两种型号均可采用，应进行方案比较。 这种有时难以获得最优设计效果。 2、专题研究法 对特别重要的工程或特别大型的水电站，为了获得最优设计效果，根据水电站的具体参数，进行专门设计，但所需时间和费用高。 3、查系列范围图法 根据水电站的水头范围和单机出力，在系列范围总图中查出适应的型号，以及对应的转轮直径、转速及吸出高度。当有两种机型可供选择时，一般选用较大的直径。 水轮机应用范围 4、采用套用机组 根据目前国内设计、施工和运行的电站资料，在特征水头相近、N单适当，经济技术指标相近时，优先套用已经生产过的机组，这样可以节省设计时间、尽早供货、提前发电。 5、直接查产品样本 直接查设备厂家的产品样本，适用于小型电站。 6、统计分析法 对大量已建水电站的参数进行统计，得出水轮机各参数之间的统计关系，再根据本电站的参数选择。 六、反击式水轮机主要参数的确定 确定了水轮机的型号后，再计算水轮机的主要参数: 转轮直径D，转速n、吸出高H。 1s D、n应该满足:在H下，发出N;在H时，η最高。 1rrav 吸出高H应满足:防止水轮机汽蚀，开挖深度合理。 s 七、 按综合特性曲线选择水轮机 1、D的确定 1 N23/2r,由于，所以: D,N,9.81QDH,rr1113/2,9.81QH,r1(1) N为水轮机额定出力，N= N /η，N为发电机功率。 rrfff (2) 用H=H计算。 r (3) η为原型水轮机在限制工况下的效率，在D未确定时，一般先取η=η+?η 1M (?η=2~3%)，求得D后再修正。 1 (4) Q'的取值。 1 在N= N时，取限制工况下的Q'，并查出限制工况的η。 r1M对混流水轮机而言，由综合特性曲线上的5%出力限制线和n'得到，轴流式由汽1 蚀条件得到，或限制[H]反推σ，以防止开挖过多。 Sz ,H,,10,,s900 ,,zH σ为水轮机装置的汽蚀系数。 z 2、η的修正计算 查综合特性曲线得出η，换算得出η。 Mmaxmax ?η=η-η-ε-ε maxMmax12 ε=1%~2%(表示工艺水平)，ε=1%~3%(表示异形部件，即原型水轮机和模型水轮12 机的蜗壳和尾水管不一样) η=η+?η M 如计算出的η与假定出入太大，应重新计算。 3、转速的选择 按下式计算: nH1 n,D1 n'用最优单位转速n'，n'=n'+Δn'，水头H采用H。 1101010M1a转速n随工况而变，要选发电机转速相近而偏大的标准同步转速。 4、工作范围的验算 求出水轮机的参数D、n后，在模型综合特性曲线上绘出水轮机的相似工作范围，1 检验是否包括了高效率区，以验证D、n的合理性。 1 方法:根据N、D、H求出Q'，由H、H、D、n求出:n'和n'，r1r1maxmaxmin11min1max在综合特性曲线上以Q'、n'和n'作直线，此范围即为水轮机的相似工作范1max1min1max 围。 5、H的计算 S ,计算公式: H,10,,k,Hsr900 水轮机方案确定后，根据水轮机运行条件、水电站的开挖情况等进行技术经济比较后确定。 第三节 水轮机运转特性曲线的绘制 研究目的:进一步分析比较原型水轮机各方案之间的能量特性，指导水轮机的安全运行。 水轮机运转特性曲线可以综合反映原型水轮机H、N、η、H等参数之间的关系。 s 运转特性曲线的组成:N为横座标，H为纵座标，绘有η=f(H,N)，H=f(H,N), 出s力限制线。可以反映出水轮机的能量特性、汽蚀特性、运行限制范围。 绘制方法:根据模型综合特性曲线，通过相似定律换算而来。 水轮机运转特性曲线 一、HL水轮机运转特性曲线 1、等效率线η=f(H,N)的绘制步骤 (1) 在H, H之间，取4~6个H，其中包括H，H，H，H，绘制每个水maxminmaxminra头下的η=f(N)。 (2) 进行效率修正; (3) 进行单位转速和单位流量的修正; (4) 运转特性曲线的计算; 等效率曲线计算表 H= = = HHmaxrmin3/23/23/2H= H= H= nDnDnD111,,,,,, nnnnnn,,,,,,,,,1M11M11M1HHH3/223/223/22N=9.81×D×HQ'η N=9.81×2.0×107Q'η N=9.81×2.0×107Q'η 1111ηQ' η N ηQ' η N ηQ' η N M 1M 1M 1 出力限制线 a) 为了保证绘制运转综合特性曲线的精确性，在H、N网格上至少绘出三个水 头，其中包括H、H和H(或H)。对每一个水头，计算出对应的n'。 maxminrav1b) 在轮系综合特性曲线上绘制n'的水平线，并查出其与等效率线交点的坐标(η, 1M Q'); 1 c) 计算出原型水轮机的效率; 3/22d) 按照公式N=9.81Q'DHη计算水轮机的出力。 11 (5) 辅助曲线的绘制:以效率η为纵坐标，出力N为横坐标，用表中的数据，对 每个水头绘制一条工作特性曲线。见图。 (6) 运转综合特性曲线的绘制 a) 以水头为纵坐标，水头为横坐标，绘出坐标系。见图。 b) 在图2上绘出三个水头的水平线。 c) 在图1上选取几个整数效率值，画出水平线，与辅助曲线形成一些交点。 d) 将上面结点的坐标绘在图2上。 e) 将相同效率数值的点用曲线相连。就绘成了水轮机运转综合特性曲线的等效 率曲线。 2、出力限制线的绘制 H是N=N时的最小水头，当H?H时，水轮机限制在N= N内;即图中的A(N，rrrrr H)点及其以上部分。 r 当HH时，水轮机出力受发电机额定出力的限制，为垂直r 线。当H40m时，可用钢板衬砌防渗(H最大达80m) 2. 金属蜗壳 当H>40m时采用金属蜗壳。其断面为圆形，适用于中高水头的水轮机。 钢板焊接:H=40~200m，钢板拼装焊接。 铸钢蜗壳:H>200m时，钢板太厚，不易焊接，与座环一起铸造而成的铸钢蜗壳，其运输困难。 二、蜗壳的主要参数 1.断面型式与断面参数 金属蜗壳:圆形结构参数:座环外径r、内径、导叶高度b、蜗壳断面半径P、a0 蜗壳外缘半径r。 混凝土蜗壳:“T”形。 (1) m=n时:称为对称型式 (2) m>n:下伸式 (3) m