第六章水轮机自动调节【ppt】

第一节水轮机选型设计内容与方法第二节机组台数的选择第三节水轮机型式选择第四节水轮机比转速选择第五节反击式水轮机基本参数计算第六节水斗式水轮机装置形式选择与基本参数计算第七节水泵水轮机装置形式选择与基本参数计算第八节水轮机型式设计算例第六章水轮机选型设计1.水轮机选型内容确定单机容量及机组台数；选定机型与装置方式；确定水轮机基本参数；绘制运转综合特性曲线；估算水轮机的外形尺寸、重量及价格；第一节水轮机选型设计的内容与方法一、水轮机选型的内容、要求和所需资料2.水轮机选择基本要求保证在设计水头下发出额定出力，在低于设计水头时机组受阻容量尽可能小；要求水轮机运行稳定，有较好抗空化性能；机组结构先进、合理，便于操作及安装；机组的最大部件和最重部件要考虑运输方式及运输可能性；根据电站水头变化及电站运行方式，选择合适机型及参数，使电站平均运行效率要尽可能大；第一节水轮机选型设计的内容与方法3.水轮机选型所需技术资料枢纽资料：河流水利水能总体规划，流域水文地质、开发方式、枢纽布置等；电力系统资料：电力系统负荷组成、设计水平年年负荷图；设计电厂在系统中作用及地位；水轮机设备产品技术资料：国内外水轮机设备型谱、产品规范及其特性；同类型水电站的水轮机参数与运行的经验、问题点等；运输及安装条件：了解通向水电站的水陆交通及设备现场装备条件；第一节水轮机选型设计的内容与方法二、水轮机选择基本方法按应用统计资料：其基础是收集、统计国内外已建水电站或已生产的水轮机的基本参数，把它们按水轮机型式、应用水头、容量进行分类；按水轮机系统型谱：对水轮机进行系统化、通用化和标准化，制定水轮机型谱；按套用法：直接套用与拟设计水电站的基本参数相近的已建电站的水轮机型号与参数；第一节水轮机选型设计的内容与方法影响机组台数选择的相关因素：工程建设费用电厂运行效率电厂运行维护设备制造、运输及安装电力系统电厂主接线第二节机组台数的选择一、各类水轮机适用范围：见表6-1及图6-1；二、交界水头区水轮机型式选择第三节水轮机型式的选择贯流式与轴流式的比较；轴流式与混流式的比较；混流式与斜流式的比较；斜流式与轴流式的比较；混流式与水斗式的比较；三、水轮机型谱各类水轮机适用范围A.冲击式水轮机（以水斗式为代表）（1）适用于250米以上水头，最高可以达1700米。（2）转轮周围的水流是无压的（在大气压力下工作），不存在密封问题。（3）出力变化时效率的变化平缓。（4）装置多喷嘴时，通过调整喷嘴的使用数目可以获得高效率运行。（5）可使用折向器防止飞逸。（6）易磨损部件的更换容易。B.混流式水轮机（1）比转速范围广，可适用30～700米水头。（2）结构简单，价格低。（3）装有尾水管，可减少转轮出口水流损失。（4）在高水头应用区与冲击式相比，其比转速高，可实现机组尺寸减小，经济性好。（5）在低水头应用区，若水头及负荷的变化都不大时，混流式水轮机与轴流式浆式相比，结构简单、维护方便、价格低，而且同样可获得较高的效率。C.轴流式水轮机（1）具有较大的过流能力，适用于30～80米水头范围。（2）转轮可以分解，加工运输方便。（3）轴流转浆式水轮机可在协联方式下运行，在水头、负荷变化时可实现高效率运行。（4）在水头、负荷变化较小，或装机台数较多的电站，可以通过调整运行机组台数使水轮机在高效率去运行。轴流定浆式水轮机结构简单、可靠性好，尤其在担负基荷的低水头电站较适合。（5）在超低水头电站，可采用贯流式布置，具有水流条件好、单位容量大、运行平均效率高等特点。D.斜流式水轮机（1）与应用水头范围介于轴流式与混流式之间。（2）叶片可调，在水头和负荷变化时可保持高效率。（3）转轮可以分解，运输加工方便。（4）中低水头的抽水蓄能电站，常使用斜流式水泵水轮机。1、贯流式与轴流式的比较1）贯流式的水流条件好，同样过流面积时，贯流式水流通过容易，无蜗壳和肘型尾水管，流道水力损失小，运行效率比轴流式高，在超低水头电站应用有明显优势。2）贯流式水轮机可布置在坝体或闸墩内，可以不要专门的厂房，土建工程量小且适于狭窄的地形条件。3）对潮汐电站，贯流式水轮机的适应性大，能够满足正、反向发电、正反向抽水和正反向泄水的需要。4）贯流式水轮机为了满足安装高程，需从引水室入口至尾水管都开挖相应的深度，而轴流式只需对尾水管部分开挖。因此，贯流式的开挖量大。5）灯泡贯流式水轮机发电机组全部处于水下，要求有严密的封闭结构、良好的通风防潮措施，维护、检修较困难。2、轴流式与混流式的比较1）轴流转浆式水轮机适用于水头和负荷变化较大的电站，能在较宽的工况范围内稳定、高效率运行，平均效率高于混流式水轮机。2）在相同的水头下，轴流式的比转速高于混流式，有利于减小机组的尺寸。3）轴流式水轮机的空化系数较大，约为同水头段混流式水轮机的2倍，为保证空化性能需要增加厂量的水下开挖量。4）当尾水管较长时，轴流式水轮机比混流式水轮机易产生紧急关闭时的抬机现象。5）轴流式水轮机的轴向水推力系数约为混流式的2～4倍，推力轴承载荷大。3、混流式与斜流式的比较1）同样水头和出力条件下，混流式水轮机可获得高于斜流式水轮机的比转速，因此，应用混流式可减少机组尺寸。2）混流式水轮机的最高效率可比斜流式高0.5～1％，但在部分负荷时（50％负荷），混流式要比斜流式低约5％，两者效率的比较见图6-2。3）同样工作参数条件下，斜流式水轮机的空化数大于混流式，为防止空蚀，斜流式需要较低的安装高程，因此，其开挖深度大于混流式。4）混流式水轮机的结构比斜流式简单，造价低，运行维护方便。但斜流式转轮可分解，加工、运输方便。5）混流式水轮机的飞逸转速较斜流式约高15％，要求混流式水轮机有较高的强度。4、斜流式与轴流式的比较1）在应用水头为60米以上时，斜流式水轮机的最优效率高于轴流式；在40米以下水头段应用时，轴流式的最优效率高于斜流式。2）在同样的出力与水头条件下，斜流式水轮机的外形尺寸大于轴流式。3）斜流式水轮机的飞逸转速比轴流式低约15～30％。4）二者结构都较复杂，斜流式转轮及其它过流部件需要更复杂一些。在同样的水头和出力条件下，虽然轴流式水轮机的转速高一些，但由于斜流式水轮机的飞逸转速低，从强度考虑，与斜流式水轮机相配的发电机重量反而轻一些。5、混流式与水斗式的比较1）一般情况下，混流式水轮机的单位流量比水斗式大，但是，当水中含沙量较多时，因受空化与磨损的限制，混流式水轮机实际采用的单位流量有时反比水斗式水轮机小。2）混流式水轮机的最高效率比水斗式高。水斗式水轮机在负荷改变时效率的变化较小，尤其是多喷嘴机组，可以调整使用喷嘴的数目，有良好的负荷适应性。3）水斗式水轮机要安装在最高尾水位以上，尤其在部分负荷时，水头损失较大，混流式水轮机通过尾水管回收转轮出口动能，可提高对有效水头的利用率。4）水斗式水轮机在大气压力下工作，空蚀轻，且多发生于针阀、喷嘴和水斗部位，检修与更换容易。5）水斗式水轮机无轴向水推力，可以简化轴承的结构。6）水斗式水轮机装有折向器或制动喷嘴，可以降其飞逸转速。7）水斗式水轮机的比转速在50～55以上时其效率会降低，同样条件下，混流式水轮机比转速较大，且效率不会降低，混流式水轮机的转速可比水斗式高10～20％，可以减小机组的尺寸。8）当有空蚀及泥沙磨损发生时，经过一定的运行时间后，由于过流部件被磨蚀会导致水轮机效率的下降，但冲击式水轮机的效率下降比混流式水轮机少。5、混流式与水斗式的比较一、水轮机效率与比转速关系不同比转速的水轮机具有不同的效率特性，图6-3中表示了不同比转速混流式水轮机的效率-出力特性。从上图中可知，比转速较低的水轮机，其效率曲线较平缓，比转速较高的水轮机效率曲线比较陡峭，尤其是超高比转速的混流式水轮机,其高效率区很狭窄，在偏离设计工况时，水轮机效率急速下降。第四节水轮机比转速的选择二、多泥沙河流水轮机比转速选择第四节水轮机比转速的选择对于多泥沙河流上的水电站，为了减轻过机泥沙对水轮机过流部件的磨损，选择其比转速时，应较清水电站低一些；每一种类水轮机都有自己的最佳比转速范围。水斗式水轮机的比转速在13～18范围内效率最高，混流式水轮机的比转速在150～250范围内效率最高，轴流定浆式水轮机的比转速在500～600范围内效率最高。三、各类型水轮机比转速选择轴流式比转速与使用水头关系混流式比转速与使用水头关系斜流式比转速与使用水头关系贯流式比转速与使用水头关系见图6-5水斗式比转速与使用水头关系见图6-6第四节水轮机比转速的选择随着水轮机设计、制造水平的提高与材料的进步，各类水轮机的应用比转速在不断地提高。水轮机选型中，常有比转速系数K作为评价比转速的指标。当水斗式水轮机具有多个转轮和多个喷嘴时，从理论上讲可以增加水轮机的比转速，但实际上选择多轴轮多喷嘴水轮机的比转速时常受到一些条件的限制。有时也不一定是经济的，这种情况下可考虑使用混流式水轮机。第四节水轮机比转速的选择第五节反击式水轮机基本参数的计算一、按水轮机型谱参数表及模型综合特性曲线计算水轮机的基本参数a)转轮直径的计算：式中：—发电机额定容量（KW）；—发电机效率，一般取0.96～0.98；—设计水头（m）。—设计工况下单位流量（）;对于固定叶片的水轮机一般取在5％出力限制线上；对于转桨式水轮机一般不超过型谱参数表中的推荐值；当开挖深度受限制时，应按允许吸出高度来确定；—原型水轮机效率，初估时可近似取所选择的设计工况点的模型效率值,再加上2～3％的修正值，待求出后，再按效率换算公式加以修正，；第五节反击式水轮机基本参数的计算25，30，35，42，（40），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，（1020，1130）表6-5转轮直径尺寸系列单位：cm按公式计算出的转轮直径，应尽量按规定的转轮标准直径尺寸系列选取。当选用标准值使水轮机参数明显不合理时，直接采用计算值，特别是对于高水头或大容量机组。反击式水轮机的转轮标准直径尺寸系列如表6-5所示。第五节反击式水轮机基本参数的计算—模型水轮机最优单位转速，可从型谱参数表或模型综合特性曲线上查得；b)水轮机转速的选择计算对于已确定型号的水轮机，转速的计算式为：式中：—原型水轮机设计单位转速；式中：第五节反击式水轮机基本参数的计算—单位转速修正值值，，当，可忽略；计算所得的转速一般不是发电机的标准同步转速，对于直联式水轮发电机组，应把计算转速圆整为一个相应的发动机同步转速。确定了和之后，为了判断它们的选择是否合理，校核由于和的圆整所造成的偏差，需要检验水轮机的实际工作范围：a)检验水轮机设计单位流量；b)检验单位转速的范围；第五节反击式水轮机基本参数的计算（1）检验水轮机的设计单位流量（6-16）式中—设计工况点的原型效率，应对应于工况点（，），可通过试算求出。在模型特性曲线上检查是否超过了出力限制线或型谱中建议的数值。若超过说明选得太小，反之则选得过大。一般，在吸出高度不超过限定值的情况下，尽可能使接近于出力限制线上的值。31121.51()9.81rrrrPQmsDHr11rQ11rn11rQ1D1D11rQ第五节反击式水轮机基本参数的计算（2）检验单位转速的范围根据、、分别计算对应的模型单位转速计算值应与模型最优单位转速比较接近，的范围应包括水轮机的最优效率区。maxH11avnminHavH110Mn11min11max~nn111max11minnDnnH11111avavnDnnH111min11maxnDnnH第五节反击式水轮机基本参数的计算图6-8水轮机工作范围图c)水轮机最大运行吸出高度的计算与安装高程的确定或（m）立轴混流式水轮机立轴轴流式水轮机式中：—轴流式水轮机高度系数;第五节反击式水轮机基本参数的计算d)飞逸转速的计算①混流式及其