《水电站》5-水轮机选型

浙江水专国家精品课程《水电站》《水电站》2009年2月浙江水专国家精品课程《水电站》第四章水轮机选型水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益。根据H、N的范围选择水轮机是水电站主要设计任务之一，目标是使水电站充分利用水能，安全可靠运行。浙江水专国家精品课程《水电站》第一节水轮机的标准系列一、水轮机的系列型谱我国在1974年编制了反击式水轮机暂行系列型谱，其中所列出的转轮，是经过长期实践验证在某一水头段的性能优异的转轮。型谱中，水轮机转轮型号规定一律用比转速代号。轴流式、混流式、ZD760型、水斗式水轮机系列型谱参数见表4-1~表4-5。浙江水专国家精品课程《水电站》二、水轮机转轮标称直径系列(cm)253035(40)42506071(80)841001201401601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009501000说明：括号内的数字表示仅适用于轴流式水轮机。浙江水专国家精品课程《水电站》三、水轮发电机标准同步转速磁极对数345789101214同步转速n1000750600428.6375333.3300250214.3磁极对数161820222426283032同步转速n187.5166.7150136.4125115.4107.110093.8磁极对数3436384042444850同步转速n88.283.3797571.468.262.560浙江水专国家精品课程《水电站》四、水轮机系列应用范围图浙江水专国家精品课程《水电站》第二节水轮机选择一、水轮机选型设计的内容1.确定机组台数及单机容量2.选择水轮机型式（型号）及装置方式3.确定水轮机参数D1、n、Hs、Za；Z0、d04.绘制水轮机运转特性曲线5.确定蜗壳、尾水管的形式及其尺寸，估算水轮机的重量和价格。浙江水专国家精品课程《水电站》调速器及油压装置选择7.根据选定的水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向厂家提出制造任务书，最终双方共同商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。浙江水专国家精品课程《水电站》二、水轮机选型设计的基本要求1.有较好的能量特性，在额定水头下能保证发出额定出力，额定水头以下的机组受阻容量小，水电站全厂机组平均效率高。2.性能要与水电站的整体运行方式和谐一致，运行稳定，可靠灵活。有良好的抗空蚀和抗磨损性能，对多泥沙河流的电站更应如此。3.结构设计合理，便于安装与操作、检修与维护。4.选择生产实力强、制造技术水平高、合作信誉好的制造厂商。5.考虑适度合理的经济节省原则。浙江水专国家精品课程《水电站》水轮机产品技术资料：系列型谱、生产厂家、产品目录、模型综合特性曲线。2.水电站技术资料：河流梯级开发方案、水库的调节性能、水电站布置方案、地形、地质、水质、泥沙情况、总装机容量、水电站运输、安装技术条件；水文资料：特征流量及特征水头、下游水位流量关系曲线。3.水电站有关经济资料：机电设备价格、工程单价、年运行费等。4.电力系统资料：系统负荷构成，水电站的作用及运行方式等。三、所需要的有关资料浙江水专国家精品课程《水电站》四、机组台数及单机容量的选择已知总装机容量(=Z0×N单)，N单不同，D1、n、Hs、η均不同。1、机组台数与机电设备制造的关系N总一定，Z0多→N单↓→尺寸（D1）小→制造运输容易→造价高(单位千瓦耗材多、制造量大)。所以一般选用较大的N单。2、机组台数与电站投资的关系Z0多→单位千瓦投资↑→阀门、调速、管道、辐设、电气等增加→厂房尺寸增加。N单↓→D1↓→尾水管高度低→开挖少→投资少浙江水专国家精品课程《水电站》、机组台数与运行效率的关系Z0↑→平均效率↑(1)担任基荷时：出力变化小，流量变化稳定，可用较少的台数，使水轮机可以在较长时间内以最优工况运行，其平均效率也比较高。(2)担任峰荷时：出力变化幅度大，应该选用较多的台数，以增加其运行灵活性，提高整体运行效率。(3)对于轴流定浆和混流式水轮机，可以选用较多的台数，而对于轴流转浆式水轮机因其调节性能好，可以选用较少的机组。浙江水专国家精品课程《水电站》、机组台数与电站运行维护工作的关系台数多，运行灵活，事故影响小，但同时增加了事故的几率，也增加了管理人员、提高了运行费，所以不宜采用过多的台数。总之，一般应采用较大的N单，较少的台数，但一般至少应选2台，少数情况下可选1台。中大型电站一般选4~6台，根据机组的制造水平和装机容量也可以选用更多的台数，如葛洲坝共21台，装机2715MW，三峡26×700共装机18200MW。浙江水专国家精品课程《水电站》五、水轮机型号及主要参数的确定依据：N单，特征水头(Hmax、Hmin、Hav、Hr)1、根据水轮机系列型谱选择型号的选择主要取决于水头。各种水轮机都有一定的使用范围，根据电站运行水头的范围，直接查系列型谱，确定水轮机的型号。如果两种型号均可采用，应进行方案比较。这种方法有时难以获得最优设计效果。浙江水专国家精品课程《水电站》、专题研究法对特别重要的工程或特别大型的水电站，为了获得最优设计效果，根据水电站的具体参数，进行专门设计，但所需时间和费用高。3、查系列范围图法根据水电站的水头范围和单机出力，在系列范围总图中查出适应的型号，以及对应的转轮直径、转速及吸出高度。当有两种机型可供选择时，一般选用较大的直径。浙江水专国家精品课程《水电站》系列水轮机应用范围浙江水专国家精品课程《水电站》、采用套用机组根据目前国内设计、施工和运行的电站资料，在特征水头相近、N单适当，经济技术指标相近时，优先套用已经生产过的机组，这样可以节省设计时间、尽早供货、提前发电。5、直接查产品样本直接查设备厂家的产品样本，适用于小型电站。6、统计分析法对大量已建水电站的参数进行统计，得出水轮机各参数之间的统计关系，再根据本电站的参数选择。浙江水专国家精品课程《水电站》六、反击式水轮机主要参数的确定确定了水轮机的型号后，再计算水轮机的主要参数：转轮直径D1，转速n、吸出高Hs。D1、n应该满足：在Hr下，发出Nr；在Hav时，η最高。吸出高Hs应满足：防止水轮机汽蚀，开挖深度合理。浙江水专国家精品课程《水电站》七、按综合特性曲线选择水轮机1、D1的确定rrrHHDQN21181.92/31181.9rrHQND(1)Nr(水轮机额定出力)Nr=Nf/ηf(2)用H=Hr计算。(3)η：原型水轮机在限制工况下的效率，在D1未确定时一般先取η=ηM+△η(△η=2~3%)，求得D1后再修正。浙江水专国家精品课程《水电站》(4)Q1'在N=Nr时，取限制工况下的Q1'，并查出限制工况的ηM混流水轮机由5%出力限制线得到，轴流式由汽蚀条件得到，或限制[HS]反推σz，以防止开挖过多。σz为水轮机装置的汽蚀系数。HHsz90010浙江水专国家精品课程《水电站》、η的修正计算查综合特性曲线得出ηMmax，换算得出ηmax。△η=ηmax-ηMmax-ε1-ε2ε1=1%~2%(表示工艺水平)，ε2=1%~3%(表示异形部件，即原型水轮机和模型水轮机的蜗壳和尾水管不一样)如η=ηM+△η，与假定出入太大，应重新计算。浙江水专国家精品课程《水电站》、转速的选择n1'用最优单位转速n10'，n10'=n'10M+Δn1',水头H=Ha。转速n随工况而变，要选发电机转速相近而偏大的标准同步转速。11011DHnnDHnna浙江水专国家精品课程《水电站》、工作范围的验算求出水轮机的参数D1、n后，在模型综合特性曲线上绘出水轮机的相似工作范围，检验是否包括了高效率区，以验证D1、n的合理性。方法：根据Nr、D1、Hr求出Q'1max，由Hmax、Hmin、D1、n求出：n'1min和n'1max，在综合特性曲线上以Q'1max、n'1min和n'1max作直线，此范围即为水轮机的相似工作范围浙江水专国家精品课程《水电站》浙江水专国家精品课程《水电站》、HS的计算计算公式：水轮机方案确定后，根据水轮机运行条件、水电站的开挖情况等进行技术经济比较后确定。rsHkH90010浙江水专国家精品课程《水电站》第三节水轮机运转特性曲线的绘制研究目的：进一步分析比较原型水轮机各方案之间的能量特性，指导水轮机的安全运行。综合反映原型水轮机H、N、η、Hs等参数之间的关系曲线组成：N为横座标，H为纵座标，绘有η=f(H,N)Hs=f(H,N),出力限制线。反映能量特性、空蚀特性、运行限制范围。绘制方法：根据模型综合特性曲线，通过相似定律换算而来。浙江水专国家精品课程《水电站》水轮机运转特性曲线等效率线等吸出高度线浙江水专国家精品课程《水电站》一、HL水轮机运转特性曲线1.等效率线η=f(H,N)(1)在Hmax,Hmin之间，取4~6个特征H，其中要包括Hmax，Hmin，Hr，Ha，绘制每个水头下的η=f(N)(2)效率修正；(3)单位转速和单位流量的修正；(4)运转特性曲线的计算；浙江水专国家精品课程《水电站》=Δη=N=9.81D12H3/2ηQ'1H3/2=Δη=N=9.81D12H3/2ηQ'1H3/2=Δη=N=9.81D12H3/2ηQ'1H3/2=Δη=N=9.81D12H3/2ηQ'1ηMQ'1ηNηMQ'1ηNηMQ'1ηNηMQ'1ηN5%出力限制线等效率曲线计算表111nHnDnM111nHnDnM111nHnDnM111nHnDnM浙江水专国家精品课程《水电站》①为了保证绘制运转综合特性曲线的精确性，在H、N网格上至少绘出三个水头，其中包括Hmax、Hmin和Hr(或Hav)。对每一个水头，计算出对应的n'1。②在轮系综合特性曲线上绘制n'1的水平线，并查出其与等效率线交点的坐标(ηM,Q'1)；③计算出原型水轮机的效率；④按照公式N=9.81Q'1D12H3/2η计算水轮机的出力；(5)辅助曲线的绘制：以效率η为纵坐标，出力N为横坐标，用表中的数据，对每个水头绘制一条工作特性曲线。见图1。浙江水专国家精品课程《水电站》图1图2浙江水专国家精品课程《水电站》(6)