第四章 水轮机选择.docx
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第四章水轮机选择
第四章水轮机选择
§4.1水轮机的标准系列
由于各开发河段的水力资源和开发利用的情况不同,水电站的工作水头和引用流量范围也不同,为了使水电站经济安全和高效率的运行,就必须有很多类型和型式的水轮机来适应各种水电站的要求。
水轮机由于它自身能量特性、汽蚀特性和强度条件的限制,每种水轮机适用的水头和流量范围比较窄,要作出很多系列和品种(尺寸)的水轮机,设计、制造任务繁重,生产费用和成本也大。
因此有必要使水轮机生产系列化、标准化和通用化,尽可能减少水轮机系列,控制系列品种,以便加速生产、降低成本。
在水电站设计中按自己的运行条件和要求选择合适的水轮机。
一、反击式水轮机的系列型谱
表4—1、4—2、4—3、4—4中给出了轴流式、混流式水轮机转轮的参数。
1)、水轮机的使用型号规定一律采用统一的比转速代号。
2)、每一种型号水轮机规定了适用水头范围。
水头上限是根据该型水轮机的强度和汽蚀条件限制的,原则上不允许超过;下限主要是考虑到使水轮机的运行效率不至于过低。
二、水斗式水轮机转轮参数
表4—5,系列型谱尚未形成
三、水轮机转轮尺寸系列表(表4—6)
四、水轮发电机标准同步转速(表4—7)
五、水轮机系列应用范围图
以H为横座标,N单为纵座标绘制某一系列水轮机应用范围。
1、根据Hr、Nr→范围→D1,n。
2、水轮机吸出高度的确定Hs:
根据hs~H的关系曲线确定。
由Hr→hs,Hs=hs-▽/900
§4.2水轮机的选择
一、水轮机选择的意义、原则、内容
1、意义
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,因此根据H、N的范围选择水轮机是水电站中主要设计任务之一,使水电站充分利用水能,安全可靠运行。
2、原则
(1)、充分考虑电站特点(水文水能、电力系统技术条件,电站总体布置)。
(2)、有利于降低电站投资、运行费、缩短工期,提前发电
(3)、提高水电站总效率,多发电
(4)、便于管理、检修、维护,运行安全可靠,设备经久耐用
(5)、优先考虑套用机组
3、内容
(1)、确定机组台数及单机容量
(2)、选择水轮机型式(型号)
(3)、确定水轮机转轮直径D1、n、Hs、Za;Z0、d0
(4)、绘制水轮机运转特性曲线
(5)、估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、蜗壳、尾水管的形式、尺寸、调速器及油压装置选择
(6)、根据选定水轮机型式和参数,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,最终由双方共同商定机组的技术条件,作为进一步设计的依据。
4、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。
(3)、水文情况:
特征流量及特征水头(Qmax、Qmin、Qav、Hmax、Hmin、Hr、Hav)、下游水位流量关系曲线
(4)、水电站有关经济资料:
机电设备价格、工程单价、年运行费等
二、机组台数及单机容量的选择
已知总装机容量(=Z0×N单),N单不同,D1、n、Hs、η均不同
1、机组台数与机电设备制造的关系
N总一定,Z0多→N单↓→尺寸(D1)小→制造运输容易→造价高(单位千瓦耗材多、制造量大)。
所以一般选用较大的N单。
2、机组台数与电站投资的关系
Z0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。
N单↓→D1↓→尾水管高度低→开挖少→投资少
3、机组台数与运行效率的关系
Z0多→平均效率提高
(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单,较少的台数,但一般至少应选2台,少数情况下可选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。
三、水轮机型号确定
依据:
N单,特征水头(Hmax、Hmin、Hav、Hr)
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。
2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,有限套用已经生产国的机组,这样可以节省设计时间、尽早供货、提前发电。
四、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D1,转速n、吸出高Hs,D1、n应该满足:
在Hr下,发出Nr;在Hav时,η最高。
吸出高Hs应满足:
防止水轮机汽蚀,开挖深度合理。
(一)、按综合特性曲线选择
1、D1的确定
(kW)
(m) (4-4)
(1)、Nr(水轮机额定出力) Nr=Nf/ηf
Nf—发电机额定出力(机组容量),ηf——发电机的效率,大中型:
ηf=0.95~0.98
(2)、
:
在N=Nr时,取限制工况下的
(查附表1-2),并查出限制工况的ηM。
HL水轮机由5%出力限制线得到,轴流式由汽蚀条件得到,或限制HS反推σz,以防止开挖过多。
σz为水轮机装置的汽蚀系数。
(3)、取H=Hr计算。
若取H=Hmax进行计算,则求出的D1太小,除H=Hmax以外,均不能发出Nr。
若取H=Hmin进行计算,则求出的D1太大,增加设备投资,不经济。
(4)、η:
原型水轮机再现职工况下的效率,在D1未确定时,不能得出确切的η。
一般先取η=ηM+△η (△η=2~3%),求得D1后再修正。
2、η的修正计算
求得D1后,再查附表1-2,得出ηMmax,换算得出ηmax。
△ η=ηmax-ηMmax-ε1-ε2,ε1=1%~2%(表示工艺水平),ε2=1%~3%(表示异形部件)
最后的出现职工况下的η=ηM+△η,与假定相比,如出入太大,应重新计算。
3、转速的选择
用最优单位转速
,
。
水头H=Ha。
转速n随工况而变,要选育发电机转速相近的标准同步转速,见表4-7。
4、工作范围的验算
求出水轮机的参数D1、n后,在模型综合特性曲线上绘出水轮机的相似工作范围,检验是否包括了高效率区,以验证D1、n的合理性。
方法:
根据Nr、D1、Hr求出Q’1max,由Hmax、Hmin、D1、n求出:
n’1min和n’1max,在综合特性曲线上以Q’1max、n’1min和n’1max作直线,此范围即为水轮机的相似工作范围。
5、HS的计算
计算公式:
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。
(二)、用系列应用范围图选参数
这种方法根据特征水头、单机容量查水轮机应用范围图选择参数,比较简单,但精度不够,多用于小型水电站的初步设计
(三)、套用机组方法
根据特征水头、单机容量等选用已建成的相似电站的机组,我国采用较多。
五、水斗式水轮机的参数选择
水斗式水轮机的参数选择是在已知机组装置型式、转轮个数ZP、喷嘴个数Z0条件下,初步确定:
射流直径d0、喷嘴直径dn、转轮直径D1、转速n、水斗数目Z1。
1转轮直径D1
已知:
Q'1——单转轮、单喷嘴在限制工况下的单位流量,查表4-5,P71。
η取ηM,为限制工况的效率,查模型特性曲线。
2射流直径d0
取m=D1/d0,一般使m保持在10~20之间。
3喷嘴直径dn
4转速n
求出后,选定标准同步转速。
为最优单位转速。
5水斗数目Z1
§4.3水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线
一、特性曲线概述
1、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,计算水轮机能量指标,以评定所选择的水轮机各主要参数的正确性,指导水轮机的安全运行。
2、定义:
反映原型水轮机在各种工况下参数之间的关系曲线—水轮机特性曲线。
(正常运行时,转速n不变,当H、N变化时,η、σ随之变化)
3、工作特性曲线:
H一定,η=f(N)
4、运转特性曲线:
综合反映H、N、η、Hs等参数之间的关系曲线。
5、绘制方法:
根据模型综合特性曲线,通过相似定律换算而来。
二、水轮机的工作特性曲线(η=f(N),H一定)
1、H一定时,
2、在模型综合特性曲线上,作
,交点一组(ηM,Q1)
则原型:
η=ηM+△η,
3、作曲线η~N曲线
4、分析:
1)、η=0,N≠0,说明空载时,水轮机消耗△Nx,维持在额定转速下空转。
2)、c点:
ηmax;d点:
Nmax;e点:
5%Nmax,出力限制。
由图4-7可知
ZD:
曲线陡,高效率区范围窄。
偏离最优工况后,效率急剧下降;
ZZ:
高效率区范围宽,η变化平稳,适用承担负荷变化大而频繁;
HL:
变化较大,η较ZZ窄。
三、水轮机运转特性曲线的绘制
组成:
N为横座标,H为纵座标,绘有η=f(H,N)Hs=f(H,N),出力限制线。
反映能量特性、汽蚀特性、运行限制范围。
(一)、HL水轮机运转特性曲线
1、等效率线η=f(H,N)
(1)、在Hmax,Hmin之间,取4~6个H,包括Hmax,Hmin,Hr,Ha,绘制每个水头下η=f(N)
(2)、作η=η1水平线,与η=f(N)相交(H,N),绘制η=f(H,N)(上下对应),或列表进行,表4-10。
2、出力限制线的绘制
水轮机在运行中,N受发电机的额定出力和5%出力限制线的限制Nr=Nf/ηf,Nr为一定值,在H~N坐标场中表现为一垂直线。
(1)、Hr是N=Nr时的最小水头,当H≥Hr时,水轮机限制在N=Nr内;A(Nr,Hr)
(2)、当H
3、等吸出高度线的绘制
(1)、根据等效率线计算表4-10中的Q1和N,作不同水头下N=f(Q1)的辅助曲线
(2)、在相应的模型综合特性曲线上,作各水头下n1M常数的水平线,它与汽蚀系数线相交于许多点,记下各点(σ,Q1),列入表4-11,由△σ~Hr曲线查得△σ
(3)、由Q1可在N=f(Q1)辅助曲线上查得相应的N值,并记入表4-11
(4)、由公式
计算出不同σ时的Hs,列表4-11
(5)、在Hs=f(N)上,作Hs=C线,交点(H,N),在H~N内绘出即可。
等吸出高度线给出了水轮机在其工作范围内,各运行工况下的最大允许吸出高度,以便进行方案比较,确定水轮机的安装高程。
(二)、ZZ水轮机运转特性曲线的绘制
由于转角可以调节,因此其运转特性曲线也不同。
1、等效率线
2、出力限制线
四、水轮机的总特性曲线
在水电站运行中,根据电力系统中负荷的需要,可能使一台、多台或全部机组投入运行,为使平均效率最高,研究在不同出力各机组之间最优负荷分配问题,解决机组投入最佳次序和最优工作台数问题。
相同容量、相同型式(相同特性水轮机):
运行水轮机之间等负荷分配最优。
据此绘制总工作特性曲线和总运转特性曲线。
图4-19,其作用:
1、提供负荷分配
2、求多年平均发电量
§4.4蜗壳的型式及其主要尺寸的确定
一、蜗壳的功用及型式
(一)、功用:
蜗壳是水轮机的进水部件,把水流以较小的水头损失,均匀对称地引向导水机构,进入转轮。
设置在尾水管末端。
(二)、型式
1、混凝土蜗壳:
H≦40m。
节约钢材,钢筋混凝土浇筑,“T”形断面。
当H>40m时,可用钢板衬砌防渗。
适用于低水头大流量的水轮机。
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。
(1)钢板焊接:
H=40~200m,钢板拼装焊接。
(2)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。
混凝土蜗壳 金属蜗壳
二、蜗壳的主要参数
1、断面型式与断面参数
(1)金属蜗壳:
圆形。
结构参数:
座环外径、内径、导叶高度、蜗壳断面半径、蜗壳外缘半径
(2)混凝土蜗壳:
“T”形。
有四种型式:
(i)n=0:
平顶蜗壳,b/a=1.5~1.7,γ=10°~15°。
使用较多。
特点:
接力器布置方便,减小下部块体混凝土,但水流条件不太好。
(ii)m=0:
上伸式:
b/a=1.5~1.7,δ=30°,厂房开挖量小,采用较少。
(iii)m>n,
1.85,δ=20°~30°,γ=10°~20°。
(iv)m≤n,
,δ=20°~30°,γ=20°~35°。
m=n时,称为对称型式。
中间断面:
蜗壳顶点、底角点的变化规律按直线或抛物线确定。
2、蜗壳包角
蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角φ0:
(1)金属蜗壳:
φ0=340°~350°,常取345°
φ0大,过流条件好,但平面尺寸增大,厂房尺寸加大。
金属蜗壳的流量小,尺寸小,一般取较大包角;从构造上讲,最后100°内,断面为椭圆,但仍按圆形计算。
(2)、混凝土蜗壳:
Q大,为减小平面尺寸,φ0=180°~270°,一般取180°,有时φ0=135°,使水轮机布置在机组段中间。
(一大部分水流直接进入导叶,为非对称入流,对转轮不利)
3、蜗壳进口平均流速:
进口断面流量:
Qmax——水轮机的最大引用流量。
Vc↑→Fc↓→hw↑;Vc↓→Fc↑→hw↓;
一般由Hr—VC曲线确定VC。
三、水流在蜗壳中的运动规律
水流进入蜗壳后,形成一种旋转运动(环流),之后进入导叶。
水流速度分解为Vr、Vu。
进入座环时,按照均匀轴对称入流的要求,Vr=常数。
圆周流速的变化规律,有两种基本假定:
(1)速度矩Vur=Const
假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流,忽略粘性及摩擦力,Vu会随r的增加而减小。
(2)圆周流速Vu=Const:
即假定Vu=VC=Const
四、蜗壳的水力计算
水力计算的目的:
确定蜗壳各中间断面的尺寸,绘出蜗壳单线图,为厂房设计提供依据。
已知:
等断面型式下进行:
按Vu=VC=Const假定计算(也可按Vur=Const)
1、金属蜗壳水力计算
(1)蜗壳进口断面:
断面半径:
从轴心线到蜗壳外缘半径:
(2)中间断面(
)
由此可以绘出蜗壳平面图单线图。
其步骤为:
(a)确定φ0和VC;
(b)求Fc、ρmax、Rmax;
(c)由φI确定Fi、ρi、Ri。
2混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)
(1)按
求进口断面积;
(2)根据水电站具体情况选择断面型式,并确定断面尺寸,使其
(3)选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线),以虚线表示并画出1、2、3…….等中间断面。
(4)测算出各断面的面积,绘出:
F=f(R)关系曲线。
(5)按
,绘出F=f(Φ)直线。
(6)根据φi确定Fi、Ri及断面尺寸,绘出平面单线图。
§4.5尾水管的型式及其主要尺寸的确定
尾水管的作用是排水、回收能量。
其型式、尺寸影响、厂房基础开挖、下部块体混凝土尺寸。
尾水管尺寸越大,η越高,工程量及投资增大。
型式:
直锥形、弯锥形、弯肘形(大中型电站)
一、 直锥形尾水管(小型电站)
1、进口直径:
D3=D1+(0.5~1.0)cm
2、 出口流速:
V5=(0.235~0.7)H1/2
L/D3=3~4θ=12°~14°
3、尾水渠尺寸:
,
,
尾水管淹没深度:
4、材料:
钢板,结构简单,
,适用于小型水轮机。
二、弯锥形
适用于:
卧轴混流式水轮机,布置方便,见图4-34,其水头损失大,
。
三、弯肘型尾水管
大中型水轮机所采用的尾水管,为了减小开挖深度,均采用弯肘型尾水管。
由直锥段、肘管、出口扩散段组成。
1、 进口直锥段:
进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管,D3为直锥管进口直径,θ为锥管单边扩散角。
混流式:
直锥管与基础环相接,(转轮出口直径),
轴流式:
与转轮室里衬相连接,D3=0.937D1,θ=8°~10°。
h3——直锥段高度,其长度增加将会导致开挖量增加。
一般在直锥段加钢板衬。
2、肘管:
90°变断面的弯管,进口为圆形断面,出口为矩形断面。
F进/F出=1.3
曲率半径R小——离心力大——压力、流速分布不均匀—hw大。
R=(0.6~1.0)D4
为减小转弯处的脱流及涡流损失,肘管出口收缩断面(hc):
高/宽=0.25
3、出口扩散段:
矩形扩散管,出口宽度B5=肘管出口宽度B6
顶板α=10°~13°,L2=L-L1=(2~3)D1 底板水平,B5很大时,加隔墩
4、尾水管的高度与水平长度
尾水管的总高度和总长度是影响尾水管性能的重要因素。
H=h1+h2+h3+h4 h1,h2由转轮结构确定,h4肘管高度确定,不易变动。
H取决于h3。
h3大→hw小→ηw大→开挖加大,工程投资大;
L:
机组中心到尾水管出口,L大→F出大→V出小→ηw大→hf大→厂房尺寸加大,一般L=(3.5~4.5)D1。
5、推荐尾水管尺寸:
表-17、4-18
6、尾水管局部尺寸的变更
厂房设计中,由于地形、地质条件,布置厂房的原因,在不影响尾水管能量指标的前提下,对选出的尾水管尺寸可作局部变更。
(1)减小开挖,h不动,扩散段底板向上倾斜6°~12°
(2)大型反击式水轮机,为减小厂房长度,尾水管不对称布置
(3)地下电站:
为使岩石稳定,尾水管采用窄深断面
(4)加长h3、L2