水輪機課程設計.doc

此文檔收集于網絡，如有侵權，請聯系網站刪除目錄第一章 課程設計任務及目的1一、所需收集的資料及圖表1二、課程設計基本任務1三、課程設計目的1第二章 水能計算2一、水能計算21、水電站水文資料22、水能計算相關公式23、水能計算所得曲線3第三章 裝機方案的比較與確定6一、確定機組臺數需要考慮因素6二、裝機方案的選擇71、總裝機容量的確定72、水輪機組裝機方案擬定7三、裝機方案的技術經濟比較7第四章 水輪機機型的選擇9一、水電站的特征水頭9二、水輪機型號的確定9三、水輪機裝置形式選擇10第五章 水輪機基本參數的計算11一、水輪機轉輪直徑的計算11二、效率r的計算11三、轉速n的計算11四、水輪機設計流量Qr的計算12五、幾何吸出高度Hs的計算121、計算Hmax，Hr，Hmin所對應的單位轉速n11122、確定各水頭所對應的出力限制工況點的單位流量Q11123、用（1）（2）中計算的對應工況點從模型綜合特性曲線上分別查出Hmax，Hr，Hmin所對應的模型汽蝕系數134、分別用查到的汽蝕系數計算Hmax，Hr，Hmin對應的吸出高度135、飛逸轉速nR的計算136、檢驗水輪機的工作范圍13第六章 機組的運轉特性曲線14一、等效率線的繪制14二、出力限制線的繪制16三、等吸出高度線的繪制17四、水輪機運轉綜合特性曲線18第七章課程設計總結19參考文獻19附錄20第一章 課程設計任務及目的一、所需收集的資料及圖表1) 中小型混流式水輪機模型轉輪主要參數表。2) 水輪機模型綜合特性曲線。3) 發(fā)電機標準同步轉速表。4) 水輪機轉輪直徑尺寸系列表5) 汽蝕系數修正值與水頭H關系曲線6) 各型號水輪機轉輪飛逸特性曲線二、課程設計基本任務1) 水能計算并繪制相關曲線2) 擬定四個水輪發(fā)電機組裝機方案，并從兩個方面（即技術方面與經濟方面）進行分析，擇優(yōu)選取方案。3) 選擇水輪機型號4) 通過所給的原始資料，根據要求計算水輪機的基本工作參數5) 繪制對應機組的運轉特性曲線三、課程設計目的 通過水輪機的課程設計，將各種水輪機的性能參數整理并繪制成不同形式的曲線，它是與水輪機課程教學相輔助的一個理論學習的環(huán)節(jié)，也是課程教學中一個必不可少的環(huán)節(jié)。通過水輪機課本章節(jié)的相關理論知識的學習后，再通過課程設計的環(huán)節(jié)以達到鞏固和加強理論知識的目的，進一步培養(yǎng)學生獨立思考、嚴謹工作的能力；此外，通過課程設計更進一步掌握造型、設計、參數等程序內容，提高了學生查閱資料和動手實踐的能力。第二章 水能計算一、水能計算該課程設計水電站為一引水式水電站，電站海拔高程=1773m。1、水電站水文資料表2-1 電站水文資料2、水能計算相關公式頻率： 小于等于相應流量累計天數。凈水頭： 壓力前池水位高程，尾水水位高程，(m)水頭損失。增加裝機容量： 出力系數，組流量最大值，組流量最少值。出力：出力系數：假定水輪機效率為，發(fā)電機效率為 ，則出力系數為發(fā)電量： 小于等于相應流量累計天數。累計發(fā)電量： 年裝機利用小時數t： 3、水能計算所得曲線圖2-1裝機容量與年利用小時數關系曲線圖2-2流量頻率關系曲線圖2-3裝機容量與流量關系曲線圖2-4累計發(fā)電量與流量關系曲線圖2-5流量與尾水位關系曲線圖2-6流量與水頭關系曲線注：水能計算表見附表一第三章 裝機方案的比較與確定一、確定機組臺數需要考慮因素1、機組臺數與機電設備制造的關系在水電站的裝機容量基本已經定下來的情況下，機組臺數增多，單機容量減少。機組臺數增多時，機組單機容量減小，尺寸減小，因而制造及運輸都比較容易，這對于制造能力和運輸條件較差的地區(qū)是有利的。而實際上選用小機組時，單位千瓦消耗的材料多，制造工作量大，故一般都希望選用較大容量的機組。所以，要綜合考慮各個因素。2、機組臺數與水電站投資的關系當選用機組臺數較多時，不僅機組本身單位千瓦的造價高，而且隨著機組臺數的增加，相應的閥門、管道、調速設備、輔助設備和電氣設備的套數就要增加，電氣結線也較復雜，廠房平面尺寸也需增大，機組安裝維護的工作量也要增加，因此從這些方面來看水電站單位千瓦的投資將隨臺數的增加而增加。但另一方面采用小機組時，廠房的起重能力、安裝場地、機坑開挖量都可縮減，因而又可減少一些水電站的投資。在大多數情況下，機組臺數增多將增大投資。3、機組臺數與水電站運行效率的關系水輪機在額定出力或者接近額定出力時，運行效率較高。機組數目不同時，水電站水輪機的平均效率也不同。機組臺數較少，平均效率越低。機組臺數多，可以靈活改變機組運行方式，調整機組負荷，避開低效率區(qū)運行，使水電站保持有較高的平均效率，但當臺數增加到一定程度再增多時，對水電站的平均運行效率就不會游顯著的影響了。4、機組臺數與水電站運行維護工作的關系機組臺數多，單機容量小，水電站運行方式就比較靈活，機組發(fā)生事故后所產生的影響小，檢修也較容易安排。但因運行操作次數隨之增加，發(fā)生事故的幾率增高了，同時管理人員增多，運行費用也提高了，因此不宜選用過多的機組臺數。二、裝機方案的選擇1、總裝機容量的確定依據相關文獻1相關介紹，并根據此水電站為小型水電站，所以取年利用小時數為3800h,根據圖2-1 年利用小時數與裝機容量關系曲線查得總裝機容量為30000Kw。2、水輪機組裝機方案擬定將水輪機組方案擬定為以下四種： 方案一：215000kw方案二：310000 kw 方案三：47500 kw方案四：212000kw+16000kw三、裝機方案的技術經濟比較技術比較：根據我國現水輪機方面制造水平，各方案在技術方面差別不大，故各忽略。經濟比較：表 3-1 裝機方案計算成果表參數方案一方案二方案三方案四臺數單機容量（kw）21500031000047500212000+16000最小單機容量（kw）150001000075006000最小單機容量對應額定流量（m/s）22.215119各裝機方案可以利用流量最少值（m/s）14.49.757.155.85年不可發(fā)電量（萬kw.h）429274.86204123裝機總投資(萬元) 9000120001500013000年不可發(fā)電量費用（萬）15095.97143注：1、裝機總投資中取4000元/Kw 2、各裝機方案可以利用流量最小值取最小單機容量對應流量的65% 3、每千瓦時電為0.35元最小單機容量對應額定流量由各個方案中最小單機容量在圖2-3裝機容量與流量關系曲線查得。年不可發(fā)電量對應各流量對應各流量段對應天數發(fā)電量累計量，具體數值于附表一 水能計算表綜合比較：方案三建設初期總投資過于大，可能因為資金無法籌集使項目不能開展，方案一年不可發(fā)電量與其他方案比較大，每年小發(fā)的電太多，致使效益不好，故這兩個方案可以淘汰；方案二與方案四比較，方案四綜合投資比方案二大很多，方案二比方案四年不可發(fā)電量產生費用每年多40萬左右，從減少建設初綜合總投資和電站設計、安裝以及電氣設備選擇等各方面方便考慮，我最終選擇方案二310000 kw為此水電站的最優(yōu)裝機方案。第四章 水輪機機型的選擇一、水電站的特征水頭由水能計算表可知相應特征水頭如表4-1所示表4-1 水電站特征水頭表特征水頭最大水頭Hmax設計水頭Hr最少水頭Hmin水頭數值（m）81.579.777.5設計水頭視為與加權平均水頭相同，計算公式： 對應水頭天數二、水輪機型號的確定 根據我國水輪機型譜中推薦的設計水頭與比轉速關系，水輪機的ns為 因此選擇ns在204左右的水輪機為宜。圖4-1中小型混流式水輪機模型轉輪主要參數表 由圖4-1中小型混流式水輪機模型轉輪主要參數表可知，在水輪機型譜中，本電站水頭在5080m水頭段與70105m水頭段。兩個水頭段種可選擇的轉輪型號有：HL260,HL240兩種型號。在設計工況下，三種轉輪的比轉速分別為：261,239，比較三種轉輪，以HL240轉輪的比轉速與本電站的計算比轉速最接近，空化系數較小，故決定用HL240轉輪。具體參數如表4-2所示。表4-2HL240型水輪機模型轉輪主要參數表轉輪型號D1Mb0最優(yōu)工況限制工況(m)n110(r/min)Q110(m3/s)h(%)n(r/min)Q11(m3/s)hM(%)sMHL2400.350.25770.95922251.12387.60.106三、水輪機裝置形式選擇水輪機軸的裝置方式可分為立軸和臥軸兩種，其中臥軸布置方式布置簡單，不需向下開挖但占地面積較大，一般用于小型電站或水頭較低的貫流式水電站。立軸布置方式具有占地面積小的特點，但需向下進行較大的土石開挖，增加土建投資成本。為縮小廠房面積，高水頭大型電站一般均采用立軸布置方式。同時裝機容量超過2500kw時，采取立軸方式布置機組。本次課程設計機組單機裝機容量為10000kw，故綜合考慮，本電站水輪機采用立式裝置直接連接形式。第五章 水輪機基本參數的計算一、水輪機轉輪直徑的計算水輪機的額定出力為 取最優(yōu)轉速n110=77r/min與出力限制線的交點的單位流量作為設計工況的單位流量，則Q11r=0.95m3/s，對應的模型效率m=0.88，暫取效率修正值=2%，則設計工況原型水輪機效率=m+=0.88+0.02=0.90,故水輪機轉輪直徑為 表5-1 轉輪直徑D1尺寸系列 單位cm25303542506071841001201401601802002252753003303804104505005506006507007508008509009501000根據表5-1 我國規(guī)定的轉輪直徑系列數值。計算值介于120cm140cm之間，考慮到120cm偏小，難以保證設計水頭下發(fā)出額定出力；故取140cm較合理。二、效率r的計算效率修正值=rmax-m0=0.9390.92=0.019限制工況原型水輪機的效率為r=m+=0.876+0.019=0.895|r|=|0.8950.9|=0.005=0.005所以上述水輪機D的計算合理，維持D=140cm。三、轉速n的計算由模型綜合特性曲線上查得=77r/min由表5-2 標準同步轉速表可知轉速計算值介于同步轉速428.6500之間，故取水輪機的轉速n為500r/min表5-2 發(fā)電機標準同步轉速表磁極對數p（對）3456789101214同步轉速n（r/min）1000750600500428.6375333.3300250214.3磁極對數p（對）16182022242628303234同步轉速n（r/min）187.5166.7150136.4125115.4107.110093.888.2磁極對數p（對）36384042444648505254同步轉速n（r/min）83.3797571.468.265.262.56057.755.5四、水輪機設計流量Qr的計算設計工況點的單位流量Q11r為=Qr=0.8511.402=14.89（m/s）五、幾何吸出高度Hs的計算 為使水輪機不發(fā)生汽蝕，取Hmax、Hr、Hmin三個水頭分別計算水輪機的允許吸出高度，以其中的最小值作為最大允許吸出高度。為此，進行如下計算。1、計算Hmax，Hr，Hmin所對應的單位轉速n11Hmax：Hr：Hmin：2、確定各水頭所對應的出力限制工況點的單位流量Q11Hmin：取n11max與出力限制線交點處單位流量，Q11max=1.18m3/sHr：Q11r=0.851/sHmax ：=0.823 m3/s3、用（1）（2）中計算的對應工況點從模型綜合特性曲線上分別查出Hmax，Hr，Hmin所對應的模型汽蝕系數Hmax，Hr，Hmin所對應的模型汽蝕系數分別為0.097，0.085，0.087。4、分別用查到的汽蝕系數計算Hmax，Hr，Hmin對應的吸出高度計算式： Hs=10.0/900(M+)H圖5-1設計水頭與空化系數修正值關系曲線查空化系數修正值曲線得水輪機水頭為79.7m時對應的=0.02Hmax：Hs=101773/900(0.097+0.02)81.5=-1.51mHr：Hs=101773/900(0.085+0.02)79.7=-0.34mHmin：Hs=101773/900(0.087+0.02)77.5=-0.26m從三個吸出高度計算值中取最小值-0.34m，再留一定的余量，取最大允許吸出高度Hs=-1m。5、飛逸轉速nR的計算由HL240轉輪的模型水輪機參數表查得在最大導葉開度下n11R=142.5r/min,故水輪機的飛逸轉速為6、檢驗水輪機的工作范圍設計工況的單位流量： Q11r=0.851（m/s）最大水頭、最小水頭所對應的單位轉速：平均水頭下的單位轉速根據上述參數繪出的水輪機實際工作范圍如下圖所示圖5-1 HL240-LJ-500水輪機工作范圍圖由水輪機的工作范圍圖可知，水輪機的實際運行范圍稍微偏離最高區(qū)，但仍處于高效區(qū)范圍內，與其他可能選擇的參數相比，本方案是最優(yōu)的。第六章 機組的運轉特性曲線水輪機在水電站中運行時，是在固定的額定轉速n下工作的，但功率和水頭變化時，流量、效率和空化系數隨著發(fā)生變化。在水輪機轉速不變的情況下，其各主要工作參數之間的關系，概括地表達在水輪機綜合運轉特性曲線上。各水輪機運轉綜合特性曲線一般是由其模型綜合特性曲線換算而來。由水輪機相似定律知，當水輪機D1、n為常數時，具有下列關系存在： ; 根據上述關系式，可以把以為坐標系的模型綜合特性曲線換算為以PH為坐標系的原型水輪機運轉綜合特性曲線上。一、等效率線的繪制1等效率線的繪制原理混流式水輪機的效率修正采用等值修正法，即原型水輪機所有工況點的效率換算均采用同一修正值。即=max-M0這樣，混流式水輪機模型綜合特性曲線同一等效率線上的點換算到原型水輪機的運轉綜合特性曲線上，仍是同一等效率線上的點。2等效率線的繪制過程（1）在水輪機的工作水頭范圍77.5m81.5m之間取若干個水頭值，分別計算出各水頭對應的單位轉速n11。（2）在圖6-1所示模型綜合特性曲線上以各n11值作水平線與模型的等效率線相交于一系列點，將各點的M換算成T,同時計算出各點的出力P。表6-1 等效率線繪制計算表注： （r/min）因為n113%n11M ，所以忽略n11。（3）把各點繪到PH坐標中并連成光滑的曲線即原型水輪機的等效率線，見圖6-2。圖6-2 等效率線二、出力限制線的繪制出力限制線表示水輪機在不同水頭下可以發(fā)出或允許發(fā)出的最大出力，在水輪機與發(fā)電機配套的情況下，水輪機的出力受水輪機額定出力的限制。因此，實際的出力線以設計水頭為分界分為兩部分。在Hr與Hmax之間，水輪機出力受發(fā)電機的出力限制，是一條垂直的直線。在Hmin與Hr之間，水輪機的出力限制線一般為模型綜合特性曲線的95出力限制線換算而來。為方便計算，通常是計算出Hr，Hmin對應最大允許出力Pr和Pmin然后將兩點連接起來得到HHr時的出力限制線。詳細計算見表61圖6-3出力限制線三、等吸出高度線的繪制等吸出高度線表達水輪機在各運行工況時的最大允許吸出高度Hs,等Hs線是根據模型特性曲線的等線換算而來得來的，計算與繪制等Hs線的步驟如下：1、計算各水頭相應的單位轉速n11M,在模型綜合特性曲線圖6-1上過n11M作水平線與各等線相交，記下各點的、Q11、m值。2、根據吸出高度計算公式計算各點的HS，并計算出各點的出力P。3、根據各工況點的（Hs，P）值繪制出各水頭下的Hs=f(p)曲線。4、在Hs=f（p）曲線圖上取某Hs值作水平線與各Hs=f(p)曲線相交，記下各交點的（H,P）值，并點繪到HP