水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)課程設(shè)計(jì)

1、水輪機(jī)調(diào)節(jié)課程實(shí)習(xí)及設(shè)計(jì) 第一章 水輪發(fā)電機(jī)組選型1第二章 調(diào)節(jié)保證計(jì)算2一、電站基本資料2二、確定計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)2三、確定計(jì)算工況3四、計(jì)算和確定有關(guān)參數(shù)3第三章 調(diào)節(jié)設(shè)備選型17一、調(diào)速器計(jì)算17二、調(diào)速器選擇18三、油壓裝置的選擇19 參考文獻(xiàn)22目 錄第一章 水輪發(fā)電機(jī)的選擇因?yàn)樗啓C(jī)的同步轉(zhuǎn)速是88.2r/min,所以根據(jù)水輪機(jī)原理與運(yùn)行書中P268中表14-2可知發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)p=34 飛逸轉(zhuǎn)速：（1）、 確定主要尺寸極距（cm）和飛逸速度Vf的確定由水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)-水力機(jī)械P159得： 上式中: K1為系數(shù)810，取10。飛逸線速度：； 定子內(nèi)徑的確定 定子長(zhǎng)度lt(cm)的計(jì)算

2、 上式中：C-發(fā)電機(jī)利用系數(shù)，由水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)-水力機(jī)械P160表3-5取 定子鐵芯外徑 當(dāng)時(shí),當(dāng)因故 取整數(shù) 故：發(fā)電機(jī)的型號(hào)為SF16534/1620第二章 調(diào)節(jié)保證計(jì)算一、電站基本資料 E水電站以發(fā)電為主，兼顧灌溉、旅游和養(yǎng)殖。電站建成后并入系統(tǒng)運(yùn)行，擔(dān)任系統(tǒng)基荷，有調(diào)峰或調(diào)頻任務(wù)，無近區(qū)負(fù)荷。以工業(yè)用電為主，且多為一、二級(jí)負(fù)荷。水能開發(fā)方式為有壓引水方式，采用左岸地下式廠房方式?？傃b機(jī)容量：660MW水庫(kù)特征水位設(shè)計(jì)洪水位：877.0m 校核洪水位：885.5m 正常蓄水位：877.0m 死水位：865.0m 設(shè)計(jì)流量：380.9m³/s電站水能規(guī)劃參數(shù) Hmax=60

3、m Hr=50 m Hav=51 m Hmin=38 m 水庫(kù)調(diào)節(jié)性能：季調(diào)節(jié)水庫(kù) 水輪機(jī)型號(hào)：HL260-LJ-650，設(shè)計(jì)水頭Hr=50m，設(shè)計(jì)流量Q=380.9m3/s，額定出力168367.35kw，額定轉(zhuǎn)速：88.2r/min水輪發(fā)電機(jī)型號(hào)SF16534/1620二、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)速升高都不能超過允許值。此允許值就是進(jìn)行調(diào)整保證計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)。甩負(fù)荷過程機(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

4、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)荷過程中最大壓力上升為式中：為甩負(fù)荷過程中產(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)，有壓過水系統(tǒng)允許的最大壓力上升率一般不應(yīng)超過表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89m水柱。增負(fù)荷時(shí)。過水壓力系統(tǒng)任何一段不允許發(fā)生真空。在沒有特殊要求下，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

5、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)速上升值均不超過規(guī)定范圍時(shí)取其大者。四、計(jì)算和確定有關(guān)參數(shù)1、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2.64.52.721.351.350.6751.821.2216.929.2517.688.788.784.3911.837.93表3 混

6、凝土標(biāo)準(zhǔn)肘管尺寸表1.01.02.0150.360.861.0950.60.180.588.788.7817.693.167.559.615.271.585.09進(jìn)口直錐段采用，則 計(jì)算尾水管的當(dāng)量長(zhǎng)度椎管高度，軸管中心線長(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)量過流面積 參數(shù) 參數(shù) 由，且，得，則參數(shù) 尾水管的當(dāng)量過流面積 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

7、進(jìn)口流速系數(shù)與水頭的關(guān)系曲線取得:，則進(jìn)口斷面平均流速 進(jìn)口斷面半徑 據(jù)水電站機(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、壓力水管長(zhǎng)度L=120m 對(duì)于單獨(dú)的壓力輸水管道，經(jīng)濟(jì)管徑公式： D=（fQ3)1/(a+m)式中：f經(jīng)濟(jì)因素，與電費(fèi)、管道造價(jià)、投資償還期、管道水頭損失計(jì)算公式等多項(xiàng)因素有關(guān)的系數(shù)；Q管道輸水流量；a管道造價(jià)公式中的指數(shù)；m管道水頭損失計(jì)算公式

8、中的指數(shù)。 為簡(jiǎn)化計(jì)算，取f=1，a=1.8，m=5.3，則 經(jīng)濟(jì)管徑公式可簡(jiǎn)化為： D=Q0.42 管徑D=Q0.42=3650.4212（m） ； 面積：A=6×6×3.14=113.10（） 管道流速V=Q/A=380.9÷113.103.37（m/s）因此，3、水流慣性時(shí)間常數(shù)從進(jìn)口水流斷面至水輪機(jī)中心，四臺(tái)機(jī)組的一樣大，故只計(jì)算機(jī)來計(jì)算分叉管的表4 計(jì)算成果表長(zhǎng)度面積流量流速壓力水管120113.10380.93.23404.14蝸殼22.8294.85380.94.0291.64尾水管36.89134.23380.92.84104.67LV=404.1

9、4+91.64+104.67=600.45(/s)4、組慣性時(shí)間常數(shù) 估算 按水輪機(jī)調(diào)節(jié)P263的公式估算，取，有 計(jì)算5、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，根據(jù)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)P207中5-1式，取，得； 取 5、初選導(dǎo)葉直線關(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 因?yàn)?根據(jù)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)P207中表格，取，則= 計(jì)算最小關(guān)閉時(shí)間（2）按允許的機(jī)組最

10、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)間根據(jù)、的計(jì)算結(jié)果，可初選、6、判斷水擊類型 計(jì)算壓力輸水管的平均流速LV=404.14+91.64+104.67=600.45(/s) 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，所以們判斷該水擊類型為間接水擊。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

11、值 出現(xiàn)壓力降低時(shí)尾水管的真空值 （2）初選，則管道特性系數(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 （3）初選，則管道特性系數(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 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

12、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50.24400.27550.33060.2729 13.64850.05762.88153.870160.20330.22500.27000.223011.14700.04712.35313.341770.17430.19020.22820.1884 9.42050.03981.98882.977480.15250.16460.19750.1631 8.15320.03441.72122.70988、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，解得由

13、此可以得知初步選定為，以后的7s、8s可以不去計(jì)算。列出計(jì)算結(jié)果如下： 表6 轉(zhuǎn)速上升值計(jì)算成果表C51.24408.220.36610.75690.28670.315361.20338.220.40990.73550.31400.3453由此可以得知初步選定為，9、 按最大水頭計(jì)算蝸殼內(nèi)的最大10、 壓力上升值 計(jì)算最大水頭下的流量 計(jì)算平均流速長(zhǎng)度面積流量流速壓力水管120113.10280.332.48297.6蝸殼22.8294.85280.332.9667.55尾水管36.89134.23280.332.0177.03LV=297.6+67.55+77.03=442.18(/s) 水

14、流慣性時(shí)間常數(shù) 確定在最大水頭下相應(yīng)的直線關(guān)閉時(shí)間 確定管道特性參數(shù) 由，解得 壓力上升計(jì)算 由，查水輪機(jī)調(diào)節(jié)P258圖6-7水擊類型判別圖知最大水擊壓力發(fā)生在末相。 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。最大水頭下導(dǎo)葉直線最短關(guān)閉時(shí)間為，此時(shí)，是符合要求的，所以我們說在額定出力情況下我們可以選擇，此時(shí)。 第三章 調(diào)節(jié)設(shè)備選型一、調(diào)速器的計(jì)算中小型反擊式水輪機(jī)調(diào)節(jié)功接力器容量的的估算見水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)P239頁(yè)式（7.51）：式中A表示接力器容量，（N.m)；Q表示最大水頭下額定出力時(shí)的流量，；D表示轉(zhuǎn)輪直徑。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，

15、知此調(diào)速器屬中型調(diào)速器，則接力器調(diào)速柜和油壓裝置是組合在一起的。表7 調(diào)速器分類表小型調(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：)很顯然，該調(diào)速器屬于大型調(diào)速器。同時(shí)我們可以根據(jù)水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)書中P239（7.53）式中所求可得接力器的直徑：在油壓裝置的額定油壓為2.5MP時(shí) 根據(jù)水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)P240表7.5選取導(dǎo)葉接力器的直徑為=800mm 若油壓裝置的額定油壓為4.0MPa時(shí)，則接力器的直徑 在表7.4中我們可取接力器的最大行程可按經(jīng)驗(yàn)公式求取其中表示導(dǎo)葉最大開度，mm。由于D=6.5m5.0m,所以取=82.44（mm)雙直缸接力器的總?cè)莘e(7.56) 二、調(diào)速器的

16、選擇大型調(diào)速器的分類是以主配壓閥門尺寸為依據(jù)的，以配壓閥直徑與油管的直徑相同，但有些調(diào)速器的主配壓閥直徑較油管直徑大一個(gè)等級(jí)。初步選擇主配壓閥直徑時(shí)可按水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)P240中式（7.60） 式中的V為導(dǎo)水機(jī)構(gòu)或折向器接力器的總?cè)莘e，； v為管路中油的流速，m/s，當(dāng)油壓裝置的額定工作油壓為2.5MPa時(shí)，一般取，我??； 為接力器直線關(guān)閉時(shí)間（由調(diào)節(jié)保證計(jì)算決定）。= 由水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)中P238中表7.3可知選：所以我們選擇的調(diào)速器的型號(hào)是DT1002.5xxA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)速器與油壓裝置技術(shù)條件GBT9652.1-2007-T，微機(jī)調(diào)速器（并聯(lián)

17、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：由此可選取調(diào)速器外形型號(hào)為DT-100的調(diào)速器。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-100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）:25 回復(fù)軸最大轉(zhuǎn)角:導(dǎo)葉

18、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（mm):700×800×1300基礎(chǔ)板尺寸(mm): 1200×1500電氣柜尺寸(mm):440×800×2360三、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。額定壓力為4.0MPa，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：見水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)-水力機(jī)械P289中 （6-14）式 其中：壓力油罐總?cè)莘e（m³）； 調(diào)整過程中所需的容積（m³）； 事故停機(jī)過程所需油的體積（m³）； 它們可用下面式子求出：油泵輸油量的計(jì)算 對(duì)混流式有: 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)閉過程時(shí)間（s）； 一臺(tái)油泵輸油量（m³/