水輪機(jī)調(diào)節(jié)課程設(shè)計(jì)

1、 水輪機(jī)調(diào)節(jié)課程設(shè)計(jì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)課程設(shè)計(jì)題目：水輪機(jī)調(diào)節(jié)保證計(jì)算 院 系： 城南學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)：熱能與動(dòng)力工程（水） 班 級(jí): 水動(dòng)0901 姓 名： 曹亞 學(xué) 號(hào)： 200981250418 指導(dǎo)教師： 饒洪德 目 錄 第一章 基本數(shù)據(jù)3 一 水電站基本數(shù)據(jù)3 二 水輪發(fā)電機(jī)估算4第二章 調(diào)節(jié)保證計(jì)算5 一 計(jì)算和確定有關(guān)參數(shù)5第三章 調(diào)節(jié)設(shè)備選型18 一 調(diào)速器計(jì)算18 二 調(diào)速器選擇21 三 油壓裝置的選擇21 參考文獻(xiàn)22 第一章 基本數(shù)據(jù) 一 、水電站基本數(shù)據(jù) 一、基本資料D水電站的主要任務(wù)是發(fā)電，并結(jié)合水庫(kù)特性、地區(qū)要求可發(fā)揮水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合效益。電站建成后投入東北主網(wǎng)，擔(dān)任系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)

2、相及少量的事故備用容量，同時(shí)兼向周邊地區(qū)供電。該電站水庫(kù)庫(kù)容小不擔(dān)任下游防洪任務(wù)。該電站有關(guān)動(dòng)能指標(biāo)為： 水庫(kù)調(diào)節(jié)性能 日調(diào)節(jié) 裝機(jī)容量 140 MW 最大工作水頭 39.0 m 加權(quán)平均水頭 37.0 m 設(shè)計(jì)水頭 37.0 m 最小工作水頭 35.0 m 平均尾水位 202.0 m 設(shè)計(jì)尾水位 200.5 m 壓力鋼管長(zhǎng)度 120m，水輪機(jī)型號(hào)：HL240-LJ-560，水輪機(jī)額定出力P=72916.7KW，額定轉(zhuǎn)速，飛逸轉(zhuǎn)速，吸出高度，設(shè)計(jì)流量。二、確定計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)在調(diào)整保證計(jì)算中，根據(jù)水輪機(jī)調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件GBT9652.1-1997，壓力升高和轉(zhuǎn)速升高都不能超過(guò)允許值。此允許值就

3、是進(jìn)行調(diào)整保證計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)。甩負(fù)荷過(guò)程機(jī)組速率上升為式中：為甩負(fù)荷前機(jī)組的轉(zhuǎn)速，；是甩負(fù)荷過(guò)程中產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)速，。水輪機(jī)調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件GBT9652.1-1997中規(guī)定機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)最大速率上升在一般情況下不大于55%，大于此值要論證。甩負(fù)荷過(guò)程中最大壓力上升為式中：為甩負(fù)荷過(guò)程中產(chǎn)生的最大壓力，m；為甩負(fù)荷前水電站靜水頭，m。規(guī)范中規(guī)定甩全負(fù)荷時(shí)，有壓過(guò)水系統(tǒng)允許的最大壓力上升率一般不應(yīng)超過(guò)表1的數(shù)值。表1 最大壓力升高限值表電站設(shè)計(jì)水頭（m）<4040100>100蝸殼允許最大壓力上升率70%50%50%30%<30%尾水管真空值不超過(guò)89m水柱。增負(fù)荷時(shí)。過(guò)水壓力

4、系統(tǒng)任何一段不允許發(fā)生真空。在沒(méi)有特殊要求下，調(diào)節(jié)保證計(jì)算只對(duì)兩個(gè)工況進(jìn)行，即計(jì)算設(shè)計(jì)水頭和最高水頭甩全負(fù)荷時(shí)的壓力上升和速率上升，并去其大者，一般在前者發(fā)生最大速率升高，在后者發(fā)生最大水壓升高。三、確定計(jì)算工況額定水頭，額定出力工況，此時(shí)甩負(fù)荷一般出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)速上升。最大水頭，額定出力工況，此時(shí)甩負(fù)荷一般出現(xiàn)最大水壓上升。對(duì)兩種工況進(jìn)行調(diào)節(jié)保證計(jì)算，當(dāng)壓力上升值和轉(zhuǎn)速上升值均不超過(guò)規(guī)定范圍時(shí)取其大者。二 、水輪發(fā)電機(jī)估算一、確定主要尺寸（1）極距（cm）和飛逸速度Vf的確定查電氣一次p178得： 50.8cm上式中: P為發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)，可從水輪機(jī)原理P268查得：P=38;K1為系數(shù)810，

5、取9 （2）定子內(nèi)徑的確定 （3）定子長(zhǎng)度lt(cm)的計(jì)算 上式中：C-發(fā)電機(jī)利用系數(shù)， 見(jiàn)水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)P160表3-5取(4) 定子鐵芯外徑 當(dāng)時(shí),當(dāng)此處故故：發(fā)電機(jī)的型號(hào)為SF6040/790第二章 調(diào)節(jié)保證計(jì)算 一 、計(jì)算和確定有關(guān)參數(shù)一、各工況下的和（1）尾水管的和根據(jù)水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)（水力機(jī)械）分冊(cè)表2-17查得混凝土推薦的尾水管尺寸表及混凝土標(biāo)準(zhǔn)肘管尺寸表，并通過(guò)該表計(jì)算得出尾水管的基本尺寸如表2、表3中所示：表2 混凝土推薦的尾水管尺寸表肘管型式適用范圍2.84.52.721.351.350.6751.821.22混凝土肘管混流式（）表3 混凝土標(biāo)準(zhǔn)肘管尺寸表D1D3D

6、4hh3h4h5h6L1LB55.65.727.5615.686.557.566.833.7810.1925.215.23計(jì)算尾水管的當(dāng)量長(zhǎng)度錐管高度，軸管中心線(xiàn)長(zhǎng)度，擴(kuò)散管長(zhǎng)度。尾水管當(dāng)量管的長(zhǎng)度計(jì)算尾水管的當(dāng)量過(guò)流面積參數(shù) 參數(shù) 由，且，得，則參數(shù) 尾水管的當(dāng)量過(guò)流面積計(jì)算尾水管的平均流速由得 因此，（2）蝸殼的和計(jì)算蝸殼當(dāng)量管的長(zhǎng)度由于該電站采用金屬蝸殼，根據(jù)小型水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)（水力機(jī)械）分冊(cè)P64表1-10立軸混流式水輪機(jī)的基本數(shù)據(jù)表，近似完全蝸殼，取蝸殼包角根據(jù)水頭查水輪機(jī)原理與運(yùn)行P106圖6-8金屬蝸殼進(jìn)口流速系數(shù)與水頭的關(guān)系曲線(xiàn)取得:，則進(jìn)口斷面平均流速 進(jìn)口斷面半徑 據(jù)水

7、電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)（水力機(jī)械）分冊(cè)P128表2-16的金屬蝸殼尺寸系列，知，蝶形邊半徑 進(jìn)口斷面中心到水輪機(jī)軸的距離 固定導(dǎo)葉外切圓半徑 蝸殼系數(shù) 蝸殼中心線(xiàn)的長(zhǎng)度 蝸殼當(dāng)量管的長(zhǎng)度 計(jì)算蝸殼當(dāng)量管的面積參數(shù) 參數(shù) 參數(shù) 參數(shù) 參數(shù) 蝸殼當(dāng)量管的面積計(jì)算蝸殼的平均流速由得 因此，2、水流慣性時(shí)間常數(shù)三臺(tái)機(jī)組的一樣大，故只計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算分叉管的表4 計(jì)算成果表長(zhǎng)度面積流量流速LV()壓力水管12078.54230.552.94352.8蝸殼28.45150.10230.551.53743.73尾水管41.94100.10230.552.31096.883、機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)估算據(jù)水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)（水

8、力機(jī)械）分冊(cè)P165,表3-11，由水輪機(jī)：轉(zhuǎn)速 和，=72916.7KW查得有發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF72.5-40/854 =350504（）計(jì)算4、水擊波速 計(jì)算管壁厚度按水輪機(jī)機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè) （水力機(jī)械）分冊(cè)P208對(duì)薄壁鋼管厚度的要求，薄壁鋼管的計(jì)算厚度等于管壁的真實(shí)厚度，通常在的范圍內(nèi)，取，有 計(jì)算水擊波速取，得取 5、初選導(dǎo)葉直線(xiàn)關(guān)閉時(shí)間（1）按蝸殼允許的最大暫態(tài)壓力值計(jì)算發(fā)生末相水擊的最小關(guān)閉時(shí)間 計(jì)算按蝸殼允許的最大暫態(tài)壓力值 取，則 = 計(jì)算最小關(guān)閉時(shí)間（2）按允許的機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升值計(jì)算發(fā)生末相水擊時(shí)的最大關(guān)閉時(shí)間 計(jì)算允許的機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升值，取=0.55 計(jì)算最大關(guān)閉時(shí)間根

9、據(jù)、的計(jì)算結(jié)果，可初選6、判斷水擊類(lèi)型 計(jì)算壓力輸水管的平均流速 壓力上升值計(jì)算確定壓力水管特性系數(shù)確定水管特性系數(shù) 確定水擊相長(zhǎng)由于采用的導(dǎo)葉直線(xiàn)關(guān)閉時(shí)間均大于，發(fā)生間接水擊。對(duì)于甩全負(fù)荷，則，故最大水擊出現(xiàn)在末相。7、進(jìn)行水擊計(jì)算（1）初選，則水管特性系數(shù) 引水管道內(nèi)壓力升高率 引水管道內(nèi)壓力升高率的修正值 蝸殼內(nèi)壓力上升率 蝸殼內(nèi)壓力上升值 尾水管內(nèi)的壓力降低率 尾水管內(nèi)的壓力降低值 出現(xiàn)壓力降低時(shí)尾水管的真空值 （2）初選，則管特性系數(shù) 引水管道內(nèi)壓力升高率 引水管道內(nèi)壓力升高率的修正值 蝸殼內(nèi)壓力上升率 蝸殼內(nèi)壓力上升值 尾水管內(nèi)的壓力降低率 尾水管內(nèi)的壓力降低值 出現(xiàn)壓力降低時(shí)尾水

10、管的真空值 （3）初選，則管特性系數(shù) 引水管道內(nèi)壓力升高率 引水管道內(nèi)壓力升高率的修正值 蝸殼內(nèi)壓力上升率 蝸殼內(nèi)壓力上升值 尾水管內(nèi)的壓力降低率 尾水管內(nèi)的壓力降低值 出現(xiàn)壓力降低時(shí)尾水管的真空值 （4）初選，則管特性系數(shù) 引水管道內(nèi)壓力升高率 引水管道內(nèi)壓力升高率的修正值 蝸殼內(nèi)壓力上升率 蝸殼內(nèi)壓力上升值 尾水管內(nèi)的壓力降低率 尾水管內(nèi)的壓力降低值 出現(xiàn)壓力降低時(shí)尾水管的真空值 列出計(jì)算結(jié)果如下：表5 壓力上升（或下降）值計(jì)算成果表蝸殼內(nèi)壓力上升尾水管壓力下降60.2270.25380.30460.24489.05630.05962.20584.237680.1700.18510.222

11、10.17856.60340.04351.60833.6402100.1360.14560.17470.14045.19400.03421.26503.2969120.1130.12200.14390.11574.27960.02821.04233.07428、計(jì)算最大轉(zhuǎn)速上升率接力器不動(dòng)時(shí)間 機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù) 參數(shù) （1）初選，則由，解得（2）初選，則由，解得（3）初選，則由，解得（4）初選，則由，解得列出計(jì)算結(jié)果如下：表6 轉(zhuǎn)速上升值計(jì)算成果表C91.2278.430.40710.75290.31820.3500101.1708.430.48900.71720.36850.4053111.

12、1368.430.56630.68640.41360.4549121.1138.430.64060.65940.45440.4998初步選，此時(shí)。9、按最大水頭計(jì)算蝸殼內(nèi)的最大壓力上升值(1) 計(jì)算最大水頭下的流量(2) 計(jì)算平均流速長(zhǎng)度面積流量流速LV()壓力水管12078.5490.321.15138.00蝸殼28.45150.1090.320.60217.13尾水管41.94100.1090.320.90237.83(3) 水流慣性時(shí)間常數(shù)(4) 確定在最大水頭下相應(yīng)的直線(xiàn)關(guān)閉時(shí)間(5) 確定管道特性參數(shù)(6) 壓力上升計(jì)算由，查水輪機(jī)調(diào)節(jié)P258圖6-7水擊類(lèi)型判別圖知最大水擊壓力發(fā)生

13、在末相。由于，故此關(guān)閉規(guī)律符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。由此選，此時(shí)，=49.3m。電第二章 調(diào)節(jié)設(shè)備選型一 調(diào)速器的計(jì)算1、 調(diào)速器工作容量的選擇（1） 調(diào)節(jié)功的計(jì)算中小型反擊式水輪機(jī)調(diào)節(jié)功的計(jì)算：顯然，本電站需大型調(diào)速器，故上述中小型水電站調(diào)速器調(diào)節(jié)功估算已不適用，可用下式估算大型調(diào)速器調(diào)節(jié)功：根據(jù)水輪機(jī)調(diào)速器及油壓裝置系列型譜標(biāo)準(zhǔn)JB T 7072-2004，有表7的分類(lèi)，知此調(diào)速器屬大型調(diào)速器，則要分別選擇接力器、調(diào)速器、和油壓裝置。表7 調(diào)速器分類(lèi)表小型調(diào)速器中型調(diào)速器大型調(diào)速器接力器調(diào)速功(W)范圍(調(diào)速功單位：)對(duì)于PID調(diào)速器，由橫田浩推導(dǎo)公式得調(diào)速器參數(shù)為：根據(jù)水輪機(jī)調(diào)速器與油壓裝

14、置技術(shù)條件GBT9652.1-2007-T，微機(jī)調(diào)速器（并聯(lián)PID）的調(diào)節(jié)參數(shù)和調(diào)整范圍為：比例增益:0.5-20倍；積分增益：0-10(1/s)；微分增益：0-5.0(s)。由于機(jī)組承擔(dān)基荷任務(wù)，且較小，故采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)速器，由水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)-水力機(jī)械P-286，6-11公式得調(diào)速器參數(shù)為：根據(jù)調(diào)速器參數(shù)和調(diào)節(jié)功調(diào)范圍由水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)-水力機(jī)械P-267選擇DT-150型調(diào)速器?；緟?shù)：永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp(%) ：010 暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt(%) :060緩沖時(shí)間常數(shù)范圍Td(s):215 頻率整定范圍（Hz）:調(diào)速器或飛擺靈敏度：46mA/%主配壓行程S（mm）: 回復(fù)軸最大轉(zhuǎn)

15、角:導(dǎo)葉回復(fù)行程（mm）:200 工作油壓:25電源：直流48V（220V）,永磁機(jī)交流110V凸輪最大轉(zhuǎn)角：凸輪最大軸向位移（mm）:110槳葉回復(fù)行程（mm）:160機(jī)械柜尺寸:750×950×1375基礎(chǔ)板尺寸: 1200×1500電氣柜尺寸:550×804×2360調(diào)速器尺寸圖見(jiàn)附圖2（2）大型調(diào)速器容量的計(jì)算主配壓閥直徑的選擇 調(diào)速器初步選擇主配壓閥直徑時(shí)，按下式計(jì)算（結(jié)果見(jiàn)下節(jié)）按計(jì)算結(jié)果選取與系列直徑相近且偏大的主配壓閥直徑。導(dǎo)葉接力器的容積計(jì)算取油壓裝置額定壓力為2.5Mpa，采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)并用兩個(gè)單缸接力器操作時(shí)，每個(gè)接力器

16、的直徑dc可近似按下式計(jì)算： 其中導(dǎo)葉數(shù)z由水輪機(jī)原理與運(yùn)行p123表7-1得z=24，再由水輪機(jī)調(diào)節(jié)P240表7.4得：=0.03，由水輪機(jī)原理與運(yùn)行p68,表4-1取0.26。當(dāng)油壓裝置的額定油壓為4.0MPa，則接力器直徑為： 所以導(dǎo)葉接力器直徑選取550mm。 接力器最大行程可按經(jīng)驗(yàn)公式求?。弘p直缸接力器的總?cè)莘e：二 調(diào)速器的選擇初步選擇主配壓閥直徑時(shí)，可按下式計(jì)算：故選取主配壓閥直徑為150mm，比油管直徑大一個(gè)等級(jí),型號(hào)為WDT-80-2.5-××A。三 油壓裝置的選擇 油壓裝置分為分離式和組合式，本電站選擇分離式，即壓力油箱與會(huì)油箱分開(kāi)。額定壓力為4.0MPa

17、，壓力槽容積分為兩大部分：空氣所占的部分，約為2/3，其余為油。1、 油壓裝置的選擇本電站油壓裝置額定油壓選取40公斤/厘米²2、 壓力油罐容積的計(jì)算 可按下式：其中：壓力油罐總?cè)莘e（m³）； 調(diào)整過(guò)程所需容積（m³）； 事故停機(jī)過(guò)程所需容積（m³）； 壓力油罐所需空氣容積（m³）； 事故關(guān)閉后的余存容積（m³）； 它們可用下面式子求出： 其中：導(dǎo)水機(jī)構(gòu)接力器總?cè)莘e（m³）； Z接力器往返行程次數(shù)； 關(guān)閉過(guò)程時(shí)間（s）； 一臺(tái)油泵輸油量（m³）； q調(diào)速器系統(tǒng)總漏油量（m³）； 3、油泵輸油量的計(jì)算 對(duì)混流式有:參考文獻(xiàn) 1 程遠(yuǎn)楚，張江濱. 水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié).