水輪機調(diào)節(jié)課程設計

1、 課程名稱:水輪機調(diào)節(jié)課程設計題目:水輪機調(diào)節(jié)保證計算學生姓名:胡恩勝學號: 201081250228 專業(yè):熱能與動力工程班級:水動1001班指導老師:饒洪德老師2013年12月 目錄1、調(diào)節(jié)保證計算 (21.1、電站主要參數(shù) (21.2、確定計算標準. 2 1.3、確定計算工況 (21.4、計算和確定有關參數(shù). 2 1.5、初選導葉直線關閉時間f T . 2 1.6、判斷水擊類型 (21.7、進行水擊計算 (21.8、計算最大轉(zhuǎn)速上升率. 2 1.9、綜合比較選定 (22、調(diào)節(jié)設備選型. 2 2.1、調(diào)速器計算. 2 2.2、調(diào)速器選擇 (22.3、調(diào)速器尺寸圖 (53、參考文獻 (8 1

2、 調(diào)節(jié)保證計算1.1、電站主要參數(shù)D水電站的主要任務是發(fā)電,并結(jié)合水庫特性、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),擔任系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)相及少量的事故備用容量,同時兼向周邊地區(qū)供電。該電站水庫庫容小不擔任下游防洪任務。該電站有關動能指標為:水庫調(diào)節(jié)性能日調(diào)節(jié)裝機容量 1400 MW最大工作水頭 69.0 m加權平均水頭 67.0 m設計水頭 67.0 m最小工作水頭 65.0 m平均尾水位 202.0 m設計尾水位 200.5 m壓力水管長度 200m水輪機型號:HL240/D41,額定功率:Pr=175MW,轉(zhuǎn)輪直徑:6m,轉(zhuǎn)速:107r/ min,額定流量:Qr=280sm/

3、3,飛逸轉(zhuǎn)速:Rn=215r/ min,吸出高度sH =1m。1.2、確定計算標準1.2.1、調(diào)節(jié)保證計算的任務調(diào)節(jié)保證計算是研究機組突然改變較大負荷時調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程的特性,計算機組的轉(zhuǎn)速變化和壓力輸水系統(tǒng)壓力變化,選定導水機構(gòu)合理的調(diào)節(jié)時間和啟閉規(guī)律,解決壓力輸水系統(tǒng)水流慣性,機組慣性力矩和調(diào)節(jié)特性三者之間的矛盾,使水工建筑物和機組既經(jīng)濟合理,又安全可靠。在調(diào)節(jié)保證計算中,根據(jù)水輪機自動調(diào)節(jié)P220頁式7.1及P221頁式7.2,壓力升高和轉(zhuǎn)速升高都不能超過允許值。此允許值就是進行調(diào)整保證計算的標準。甩負荷過程機組速率上升相對值為%100max-=nnn式中:n為甩負荷前機組的轉(zhuǎn)速,m i

4、n/r;maxn是甩負荷過程中產(chǎn)生的最大 轉(zhuǎn)速,min /r 。甩負荷過程中最大壓力上升相對值為%1000max -=H H H 式中:max H 為甩負荷過程中產(chǎn)生的最大壓力,m ;0H 為甩負荷前水電站靜水頭,m 。1.2.2、調(diào)節(jié)保證計算的標準 在調(diào)節(jié)保證計算過程中,壓力升高和轉(zhuǎn)速升高都不能超過允許值。此允許值就是調(diào)節(jié)保證的標準。我國調(diào)節(jié)保證計算的標準為: (1水輪機自動調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)保證計算的標準(P221頁中規(guī)定機組甩負荷時最大速率上升max 宜小于45%;當機組容量占電力系統(tǒng)工作容量的比重不大或擔負基荷時,宜小于55%。大于此值要論證。(2規(guī)范中規(guī)定甩全負荷時,有壓過水系統(tǒng)允許的最大壓力

5、上升率一般不應超過表1的數(shù)值。表1 最大壓力升高限值表 電站設計水頭(m <40 40100 >100蝸殼允許最大壓力上升率70%50% 50%30% <30%(3尾水管真空值不宜超過8m 水柱。(4壓力輸水管不應出現(xiàn)負壓脫流現(xiàn)象,一般至少保證有2m 水柱的正壓裕度。在沒有特殊要求的情況下,調(diào)節(jié)保證計算只對兩個工況進行,即計算設計水頭和最大水頭甩負荷時的壓力上升和速率上升,并取其大者,一般在前者發(fā)生最大速率上升,在后者產(chǎn)生最大水壓力。1.3、確定計算工況(1額定水頭,額定出力工況,此時甩負荷一般出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)速上升。 (2最大水頭,額定出力工況,此時甩負荷一般出現(xiàn)最大水壓上升。

6、對兩種工況進行調(diào)節(jié)保證計算,當壓力上升值和轉(zhuǎn)速上升值均不超過規(guī)定范 圍時取其大者。1.4、計算和確定有關參數(shù)1.4.1、各工況下的i i V L 和i L 。水輪機尾水管和蝸殼是變斷面過流通道,準確計算它們的水擊是一件十分困難的事情。為了使分析簡化,一般采用剛性水擊理論描述尾水管和蝸殼中的不恒 定流動。即使如此,由于尾水管和蝸殼斷面變化的復雜性,計算它們中的水擊任然是一項復雜的工作。為了使問題的求解變得容易,可以采用當量管來代替實際尾水管和蝸殼。(1尾水管的i i V L和i L根據(jù)水電站機電設計手冊(水力機械P129頁表2-17,查得混凝土推薦的尾水管尺寸表及混凝土標準肘管尺寸表中所示:表2

7、 推薦的尾水管尺寸表1Dh1Dl15DB14DD14Dh16Dh11Dl15Dh2.6 4.5 2.72 1.35 1.35 0.675 1.82 1.22h l5B4D4h6h1l5h3.64 6.3 3.808 1.89 1.89 0.945 2.584 1.708表3 混凝土標準肘管尺寸表44DD44Dh45DB4Da46DR41Da47DR42Da48DR1.0 1.02.015 0.36 0.86 1.095 0.6 0.18 0.584D4h5B a6R1a7R2a8R1.89 1.89 3.808 0.68 1.6252.07 1.134 0.34 1.096由前面水輪機選型設計

8、:表4 尾水管尺寸計算表項目(m1D3D4D h4h1L L 5h6h b B3h1h 尺寸 6 6.3 8.1 15.6 8.1 10.92 27 7.32 4.05 2.43 16.2 6.41 1.1計算尾水管的當量長度deL椎管高度mh41.63=,肘管中心線長度mh1.84=,擴散管長度 mLLL08.1692.102712=-=-=。(59.3008.161.841.6243mLhhLde=+=+=計算尾水管的當量過流面積deA參數(shù)160.01.83.641.6444331=DDhe參數(shù)-+-=44434424444242109.0426.0534.0DhDhDhDhADe-+-&

9、#247;=43221109.01426.01534.01.81.821.8(14.31.821.0=由212tantan-=k,且213.012tantan1=。,0tan2=得213.02=K,則參數(shù)(+-=622231ln1hLkbBke(21.005.408.16213.01ln43.22.16213.01=+-=尾水管的當量過流面積deA232174.5258.059.3021.021.0160.059.30meeeLA dede=+=+=計算尾水管的平均流速Bv由smQ/2803=得/(3.574.52280smAQvdeB=因此,(13.1623.559.302smVLBB= (

10、2蝸殼的i i V L和i L計算蝸殼當量管的長度weL由于本站應用水頭為:65-69m<150m,故采用鋼板焊接蝸殼,蝸殼斷面為圓形,當蝸殼尾部用圓斷面不能和座環(huán)蝶形邊相連接時,采用橢圓形斷面,蝸殼的包角為345度。查水輪機原理與運行P106圖6-8,金屬蝸殼進口流速系數(shù)與水頭的關系曲線取得:89.0=k,則進口斷面平均流速/(3.76789.0smHkvr=進口斷面半徑mvQFro4.33.72803603453600=由水電站機電設計手冊(水力機械P128表2-16得所選方案HL240D=6.0m 的具體尺寸:表5 金屬蝸殼座環(huán)尺寸單位:m名稱Da (m Db(m K(m R(m座

11、環(huán)參數(shù)9.35 8 0.175 0.5蝶形邊半徑(85.4175.0235.92mKDr ao=+=+=固定導葉外切圓半徑(675.4235.92mDr ao=進口斷面中心到水輪機軸的距離mhra05.815.14.385.42222=-+=-+=式中 : h=0.1D1+b/2=1.15m 。蝸殼系數(shù)0.84.305.805.814.392.122220=-=-=oooaaC蝸殼中心線的長度CrCrL oow22322+=(4.420.892.185.42392.120.8292.185.492.12m=+=(為345度,而360為2。故其為1.92 蝸殼當量管的長度(2.2124.422m

12、LL wwe=計算蝸殼當量管的面積weA參數(shù)125.0811=Cc參數(shù)46.292.1=x參數(shù)1.1885.422=Crb o參數(shù)+-=bcxbbbcxxcce22231ln22+-=1.146.2125.01.1ln1.146.2125.01.1246.2125.0125.022223=7.47參數(shù)+-=bcxbbcxcxce22ln259.31.146.2125.01.1ln1.146.2125.046.2125.0125.022=+-=蝸殼當量管的面積weA(6959.3675.447.74.424422212mrLAeoewwe=+=+=計算蝸殼的平均流速Cv由smQ/2803=得/(

13、06.469280smAQvweC=因此,=(1.8606.42.212smVLCC(3壓力水管的i i V L和i L壓力水管長度yL 由已知數(shù)據(jù)知壓力水管長度L=200m 計算壓力水管的面積y A由水輪機原理選型設計知:轉(zhuǎn)輪直徑D1為6m ,壓力鋼管直徑取6.5m 。則22125.6(2(=D A y =33.18計算壓力水管的平均流速C v 由s m Q /2803=得 /(44.818.33280s m A Q v y y =因此,=/(168844.82002s m V L C C 1.4.2、水流慣性時間常數(shù)W T從進口水流斷面至水輪機中心,三臺機組的LV 一樣大,故只計算#1機來

14、計算分叉管的LV表6 LV 計算成果表 長度(m L 面積(2m A 流量/(3s m Q r 流速/(s m v pj(2s m LV壓力水管 200 33.18 280 8.44 1688 蝸殼 21.2 69 280 4.06 86.1 尾水管30.5952.742805.3162.13/(23.193613.1621.8616882s mV L =+=由水電站機電設計手冊水力機械P210式5-8: 95.26781.923.1936=rw gH VL T s .1.4.3、機組慣性時間常數(shù)a T估算2GD (一般只考慮發(fā)電機的飛輪力矩2GD 查水電站機電設計手冊(水力機械P165頁圖3

15、-29: 2GD =4600002m KN 計算aT根據(jù)水輪機自動調(diào)節(jié)P228頁式7-30:41.81750003580107460000358022=ooa pGDnT s。1.4.4、水擊波a速計算管壁厚度根據(jù)水輪機機電設備設計手冊(水力機械P208:對薄壁鋼管厚度的要求,薄壁鋼管的計算厚度等于管壁的真實厚度,通常D在5012001的范圍內(nèi),取5010=D,有12.05016=o計算水擊波速a根據(jù)水輪機機電設備設計手冊(水力機械P207頁式5-1:取24/101.2cmkgEo=,(17.52394.983.6254.481mL=+=,得/(51.116350101.2101.211435

16、1143564smEDEa=+=+=取/(1000sma=1.5、初選導葉直線關閉時間fT1.5.1、按蝸殼允許的最大暫態(tài)壓力值CH計算發(fā)生末相水擊的最小關閉時間1fT計算按蝸殼允許的最大暫態(tài)壓力值CH取5.0max=,則mHHoc5.103675.01(1(m ax=+=+=計算最小關閉時間1fT 47.8695.1006795.235.1max11=-=-=HHHTKTcrwfs1.5.2、按允許的機組最大轉(zhuǎn)速上升值計算發(fā)生末相水擊時的最大關閉時間2fT計算允許的機組最大轉(zhuǎn)速上升值,取=0.55計算最大關閉時間2fTsTKTaf95.1255.041.88.222=根據(jù)1fT、2fT的計算

17、結(jié)果,可初選sTf9=、s10、s11、s12、13s。1.6、判斷水擊類型可參考小型水電站(水力機械P240頁例題6-1以及水電站機電設計手冊(水力機械P213頁阿列維公式進行計算。1.6.1、計算壓力輸水管的平均流速v/(23.193613.1621.8616882smV L=+=(79.25159.302.21200mL=+=/(69.779.25123.1936smLVLv i i=1.6.2、壓力上升值計算確定壓力水管特性系數(shù)85.56781.9269.710002_=gHva確定水管特性系數(shù)ffTT32.232.2=確定水擊相長rtsaLtr4.0100020022=由于采用的導葉

18、直線關閉時間fT均大于rt,發(fā)生間接水擊。對于甩全負荷 1=,則5.185.5>=,故最大水擊出現(xiàn)在末相。1.7、進行水擊計算可參考水電站機電設計手冊(水力機械P213頁系列公式1.7.1、初選sTf9=,則水管特性系數(shù)2578.0932.232.2=fT引水管道內(nèi)壓力升高率m4(22+=m(2931.042578.02578.022578.02=+=引水管道內(nèi)壓力升高率的修正值maxm2.1m a x=3518.02931.02.1=蝸殼內(nèi)壓力上升率Cmax+=LVVLVLCCTTC3223.03518.023.19361.861688=+=蝸殼內(nèi)壓力上升值CHHHCC=(5941.2

19、1673223.0m=尾水管內(nèi)的壓力降低率Bm a x=LVVLBBB029.03518.023.193613.162=尾水管內(nèi)的壓力降低值BHHHBB=(974.167029.0m=出現(xiàn)壓力降低時尾水管的真空值BHBsBHgvHH+=-22(988.5974.181.9269.712m=+=1.7.2、初選sTf10=,則管特性系數(shù)2320.01032.232.2=fT引水管道內(nèi)壓力升高率m4(22+=m(2605.042320.02320.022320.02=+= 引水管道內(nèi)壓力升高率的修正值maxm2.1m a x=3126.02605.02.1=蝸殼內(nèi)壓力上升率Cmax+=LVVLVL

20、CCTTC2864.03126.023.19361.861688=+=蝸殼內(nèi)壓力上升值CHHHCC=(1904.19672864.0m=尾水管內(nèi)的壓力降低率Bm a x=LVVLBBB026.03126.023.193613.162=尾水管內(nèi)的壓力降低值BHHHBB=(742.167026.0m=出現(xiàn)壓力降低時尾水管的真空值BHBsBHgvHH+=-22(756.5742.181.9269.712m=+=1.7.3、初選sTf11=,則管特性系數(shù)2109.01132.232.2=fT引水管道內(nèi)壓力升高率m4(22+=m(2343.042109.02109.022109.02=+=引水管道內(nèi)壓力

21、升高率的修正值maxm2.1m a x=2812.0233.02.1=蝸殼內(nèi)壓力上升率Cmax+=LVVLVLCCTTC2577.02812.023.19361.861688=+=蝸殼內(nèi)壓力上升值CHHHCC=(2631.17672577.0m=尾水管內(nèi)的壓力降低率Bm a x=LVVLBBB0235.02812.023.193613.162=尾水管內(nèi)的壓力降低值BHHHBB=(5776.1670235.0m= 出現(xiàn)壓力降低時尾水管的真空值B HB s B H gvH H +=-22(5917.55776.181.9269.712m =+= 1.7.4、初選s T f 12=,則管特性系數(shù) 1

22、933.01232.232.2=f T 引水管道內(nèi)壓力升高率m 4(22+=m (2129.041933.01933.021933.02=+=引水管道內(nèi)壓力升高率的修正值max m 2.1m a x =2555.02129.02.1= 蝸殼內(nèi)壓力上升率C max +=LVVL V L CCTTC 2341.02555.023.19361.861688=+=蝸殼內(nèi)壓力上升值C H 0H H C C =(685.15672341.0m = 尾水管內(nèi)的壓力降低率B m a x=LVV L BBB0213.02555.023.193613.162= 尾水管內(nèi)的壓力降低值B H 0H H B B =(4

23、271.1670213.0m = 出現(xiàn)壓力降低時尾水管的真空值B HB s B H gvH H +=-22(4412.54271.181.9269.712m =+=1.7.5、初選s T f 13=,則管特性系數(shù) 1785.01332.232.2=f T 引水管道內(nèi)壓力升高率m 4(22+=m (1951.041785.01785.021785.02=+= 引水管道內(nèi)壓力升高率的修正值max m 2.1m a x =2341.01951.02.1= 蝸殼內(nèi)壓力上升率C max +=LVVL V L CCTTC 2145.02341.023.19361.861688=+=蝸殼內(nèi)壓力上升值C H

24、0H H C C =(3715.14672145.0m = 尾水管內(nèi)的壓力降低率B m a x=LVV L BBB0196.02341.023.193613.162= 尾水管內(nèi)的壓力降低值B H 0H H B B =(3133.1670196.0m = 出現(xiàn)壓力降低時尾水管的真空值B HB s B H gvH H +=-22(3274.53133.181.9269.712m =+=列出計算結(jié)果如下:表7 壓力上升(或下降值計算成果表(s T f m max 蝸殼內(nèi)壓力上升 尾水管壓力下降C (m H C B (m H B (m H B 90.2578 0.2931 0.3518 0.3223

25、21.5941 0.0291 1.9742 5.9880 10 0.2320 0.2605 0.3126 0.2864 19.1904 0.0260 1.7420 5.7560 11 0.2109 0.2343 0.2812 0.2577 17.2621 0.0235 1.5776 5.5917 12 0.1933 0.2129 0.2555 0.22341 15.6850 0.0213 1.4271 5.4412 13 0.17850.19510.23410.214514.37150.01961.31335.32741.8、計算最大轉(zhuǎn)速上升率可參考水電站機電設計手冊(水力機械P220頁系列公

26、式 接力器不動時間 s T q 45.0=機組慣性時間常數(shù) 41.81750003580107460000358022=o o a p GDn T s 。 參數(shù)96.1min/79min/1551'1'=rrnnn re式中:r p m79676107nrpmo11'1'=-HDnn,(甩負荷時初始單位轉(zhuǎn)速,單位飛逸轉(zhuǎn)速(rpm1'-rn查飛逸特性曲線:rn1'=155rpm 。1.8.1、初選sTf9=,則+=1f2578.12578.01=+=由5.01(22yafqy TfTT+=(y5.0141.8292578.145.02+=,解得56

27、62.0=y111-+=eynC6291.0196.15662.011=-+=12(1-+=afqTCfTT(3835.0141.86291.092578.145.021=-+=1.1m ax=4219.03835.01.1=1.8.2、初選sTf10=,則+=1f2320.12320.01=+=由5.01(22yafqy TfTT+=(y5.0141.82102320.145.02+=,解得6037.0=y111-+=eynC6139.0196.16037.011=-+=12(1-+=afqTCfTT(4018.0141.86139.0102320.145.021=-+=1.1m ax=44

28、20.04018.01.1=1.8.3、初選sTf11=,則 +=1f2109.12109.01=+=由5.01(22yafqy TfTT+=(y5.0141.82112109.145.02+=,解得6404.0=y111-+=eynC5999.0196.16404.011=-+=12(1-+=afqTCfTT(4192.0141.85999.0112109.145.021=-+=1.1m ax=4611.04192.01.1=1.8.4、初選sTf12=,則+=1f1933.11933.01=+=由5.01(22yafqy TfTT+=(y5.0105.82121933.145.02+=,解

29、得6760.0=y111-+=eynC5868.0196.16760.011=-+=12(1-+=afqTCfTT(4359.0141.85868.0121933.145.021=-+=1.1m ax=4795.04359.01.1=1.8.5、初選sTf13=,則+=1f1785.11785.01=+=由5.01(22yafqy TfTT+=(y5.0141.82131785.145.02+=,解得7113.0=y111-+=eynC5744.0196.17113.011=-+= 12(1-+=af q T CfT T (4281.0141.85744.0121933.145.021=-+=

30、1.1m ax =4709.04281.01.1=列出計算結(jié)果如下:表8 轉(zhuǎn)速上升值計算成果表(s T ffa T y C max 9 1.2578 8.41 0.5662 0.6291 0.3835 0.4219 10 1.2320 8.41 0.6037 0.6139 0.4018 0.4420 11 1.2109 8.41 0.6404 0.5999 0.4192 0.4611 12 1.1933 8.41 0.6760 0.5868 0.4359 0.4795 13 1.1933 8.410.71130.57440.42810.4709初步選s T f 9=,此時%19.42m ax

31、=。1.9、綜合比較選定1.9.1、計算最大水頭下的流量min Q/(2586981.917500081.93max 0min s m H p Q =1.9.2、計算平均流速v由前面計算得到的數(shù)據(jù)如下:表9 LV 計算成果表長度(m L 面積(2m A 流量/(3s m Q r 流速/(s m v pj(2s m LV壓力水管 200 33.18 280 8.44 1688 蝸殼 21.2 69 280 4.06 86.1 尾水管30.5952.742805.3162.13(0551.100779.341871.16100078.8522s mLV =+=/(69.759.302.212001

32、3.1621.861688s m LLV v =+=-1.9.3、水流慣性時間常數(shù)W T sgHLVTw86.26981.913.1621.861688max=+=1.9.4、確定在最大水頭下相應的直線關閉時間'fT(0.8322819(11(1max'saaTT mff=-+=-+=式中:ma0最大水頭下導葉開度;maxa查HL240/D41模型綜合特性曲線,飛逸轉(zhuǎn)速下的導葉開度1.9.5、確定管道特性參數(shù)68.56981.9269.710002max=-gHva358.00.886.2'=fwTT1.9.6、壓力上升計算查水電站機電設計手冊P213頁阿列維公式,由則5.185.5>=,知最大水擊壓力發(fā)生在末相:428.04358.0358.0(2358.04(222m=+=+=5136.0428.02.12.1m ax=m470