第六章水轮机自动调节

HohaiUniversity 第六章水轮机选型设计 第一节水轮机选型设计内容与方法第二节机组台数的选择第三节水轮机型式选择第四节水轮机比转速选择第五节反击式水轮机基本参数计算第六节水斗式水轮机装置形式选择与基本参数计算第七节水泵水轮机装置形式选择与基本参数计算第八节水轮机型式设计算例 第六章水轮机选型设计 水轮机选型内容 确定单机容量及机组台数 选定机型与装置方式 确定水轮机基本参数 绘制运转综合特性曲线 估算水轮机的外形尺寸 重量及价格 第一节水轮机选型设计的内容与方法 一 水轮机选型的内容 要求和所需资料 水轮机选择基本要求 保证在设计水头下发出额定出力 在低于设计水头时机组受阻容量尽可能小 要求水轮机运行稳定 有较好抗空化性能 机组结构先进 合理 便于操作及安装 机组的最大部件和最重部件要考虑运输方式及运输可能性 根据电站水头变化及电站运行方式 选择合适机型及参数 使电站平均运行效率要尽可能大 第一节水轮机选型设计的内容与方法 水轮机选型所需技术资料 枢纽资料 河流水利水能总体规划 流域水文地质 开发方式 枢纽布置等 电力系统资料 电力系统负荷组成 设计水平年年负荷图 设计电厂在系统中作用及地位 水轮机设备产品技术资料 国内外水轮机设备型谱 产品规范及其特性 同类型水电站的水轮机参数与运行的经验 问题点等 运输及安装条件 了解通向水电站的水陆交通及设备现场装备条件 第一节水轮机选型设计的内容与方法 二 水轮机选择基本方法 按应用统计资料 其基础是收集 统计国内外已建水电站或已生产的水轮机的基本参数 把它们按水轮机型式 应用水头 容量进行分类 按水轮机系统型谱 对水轮机进行系统化 通用化和标准化 制定水轮机型谱 按套用法 直接套用与拟设计水电站的基本参数相近的已建电站的水轮机型号与参数 第一节水轮机选型设计的内容与方法 影响机组台数选择的相关因素 工程建设费用电厂运行效率电厂运行维护设备制造 运输及安装电力系统电厂主接线 第二节机组台数的选择 一 各类水轮机适用范围 见表6 1及图6 1 二 交界水头区水轮机型式选择 第三节水轮机型式的选择 贯流式与轴流式的比较 轴流式与混流式的比较 混流式与斜流式的比较 斜流式与轴流式的比较 混流式与水斗式的比较 三 水轮机型谱 各类水轮机适用范围 A 冲击式水轮机 以水斗式为代表 1 适用于250米以上水头 最高可以达1700米 2 转轮周围的水流是无压的 在大气压力下工作 不存在密封问题 3 出力变化时效率的变化平缓 4 装置多喷嘴时 通过调整喷嘴的使用数目可以获得高效率运行 5 可使用折向器防止飞逸 6 易磨损部件的更换容易 B 混流式水轮机 1 比转速范围广 可适用30 700米水头 2 结构简单 价格低 3 装有尾水管 可减少转轮出口水流损失 4 在高水头应用区与冲击式相比 其比转速高 可实现机组尺寸减小 经济性好 5 在低水头应用区 若水头及负荷的变化都不大时 混流式水轮机与轴流式浆式相比 结构简单 维护方便 价格低 而且同样可获得较高的效率 C 轴流式水轮机 1 具有较大的过流能力 适用于30 80米水头范围 2 转轮可以分解 加工运输方便 3 轴流转浆式水轮机可在协联方式下运行 在水头 负荷变化时可实现高效率运行 4 在水头 负荷变化较小 或装机台数较多的电站 可以通过调整运行机组台数使水轮机在高效率去运行 轴流定浆式水轮机结构简单 可靠性好 尤其在担负基荷的低水头电站较适合 5 在超低水头电站 可采用贯流式布置 具有水流条件好 单位容量大 运行平均效率高等特点 D 斜流式水轮机 1 与应用水头范围介于轴流式与混流式之间 2 叶片可调 在水头和负荷变化时可保持高效率 3 转轮可以分解 运输加工方便 4 中低水头的抽水蓄能电站 常使用斜流式水泵水轮机 表6 1水轮机类型及适用范围 图6 1各类型水轮机应用范围图 1 贯流式与轴流式的比较1 贯流式的水流条件好 同样过流面积时 贯流式水流通过容易 无蜗壳和肘型尾水管 流道水力损失小 运行效率比轴流式高 在超低水头电站应用有明显优势 2 贯流式水轮机可布置在坝体或闸墩内 可以不要专门的厂房 土建工程量小且适于狭窄的地形条件 3 对潮汐电站 贯流式水轮机的适应性大 能够满足正 反向发电 正反向抽水和正反向泄水的需要 4 贯流式水轮机为了满足安装高程 需从引水室入口至尾水管都开挖相应的深度 而轴流式只需对尾水管部分开挖 因此 贯流式的开挖量大 5 灯泡贯流式水轮机发电机组全部处于水下 要求有严密的封闭结构 良好的通风防潮措施 维护 检修较困难 2 轴流式与混流式的比较1 轴流转浆式水轮机适用于水头和负荷变化较大的电站 能在较宽的工况范围内稳定 高效率运行 平均效率高于混流式水轮机 2 在相同的水头下 轴流式的比转速高于混流式 有利于减小机组的尺寸 3 轴流式水轮机的空化系数较大 约为同水头段混流式水轮机的2倍 为保证空化性能需要增加厂量的水下开挖量 4 当尾水管较长时 轴流式水轮机比混流式水轮机易产生紧急关闭时的抬机现象 5 轴流式水轮机的轴向水推力系数约为混流式的2 4倍 推力轴承载荷大 3 混流式与斜流式的比较1 同样水头和出力条件下 混流式水轮机可获得高于斜流式水轮机的比转速 因此 应用混流式可减少机组尺寸 2 混流式水轮机的最高效率可比斜流式高0 5 1 但在部分负荷时 50 负荷 混流式要比斜流式低约5 两者效率的比较见图6 2 3 同样工作参数条件下 斜流式水轮机的空化数大于混流式 为防止空蚀 斜流式需要较低的安装高程 因此 其开挖深度大于混流式 4 混流式水轮机的结构比斜流式简单 造价低 运行维护方便 但斜流式转轮可分解 加工 运输方便 5 混流式水轮机的飞逸转速较斜流式约高15 要求混流式水轮机有较高的强度 4 斜流式与轴流式的比较1 在应用水头为60米以上时 斜流式水轮机的最优效率高于轴流式 在40米以下水头段应用时 轴流式的最优效率高于斜流式 2 在同样的出力与水头条件下 斜流式水轮机的外形尺寸大于轴流式 3 斜流式水轮机的飞逸转速比轴流式低约15 30 4 二者结构都较复杂 斜流式转轮及其它过流部件需要更复杂一些 在同样的水头和出力条件下 虽然轴流式水轮机的转速高一些 但由于斜流式水轮机的飞逸转速低 从强度考虑 与斜流式水轮机相配的发电机重量反而轻一些 5 混流式与水斗式的比较1 一般情况下 混流式水轮机的单位流量比水斗式大 但是 当水中含沙量较多时 因受空化与磨损的限制 混流式水轮机实际采用的单位流量有时反比水斗式水轮机小 2 混流式水轮机的最高效率比水斗式高 水斗式水轮机在负荷改变时效率的变化较小 尤其是多喷嘴机组 可以调整使用喷嘴的数目 有良好的负荷适应性 3 水斗式水轮机要安装在最高尾水位以上 尤其在部分负荷时 水头损失较大 混流式水轮机通过尾水管回收转轮出口动能 可提高对有效水头的利用率 4 水斗式水轮机在大气压力下工作 空蚀轻 且多发 生于针阀 喷嘴和水斗部位 检修与更换容易 5 水斗式水轮机无轴向水推力 可以简化轴承的结构 6 水斗式水轮机装有折向器或制动喷嘴 可以降其飞逸转速 7 水斗式水轮机的比转速在50 55以上时其效率会降低 同样条件下 混流式水轮机比转速较大 且效率不会降低 混流式水轮机的转速可比水斗式高10 20 可以减小机组的尺寸 8 当有空蚀及泥沙磨损发生时 经过一定的运行时间后 由于过流部件被磨蚀会导致水轮机效率的下降 但冲击式水轮机的效率下降比混流式水轮机少 5 混流式与水斗式的比较 一 水轮机效率与比转速关系 不同比转速的水轮机具有不同的效率特性 图6 3中表示了不同比转速混流式水轮机的效率 出力特性 从上图中可知 比转速较低的水轮机 其效率曲线较平缓 比转速较高的水轮机效率曲线比较陡峭 尤其是超高比转速的混流式水轮机 其高效率区很狭窄 在偏离设计工况时 水轮机效率急速下降 第四节水轮机比转速的选择 二 多泥沙河流水轮机比转速选择 第四节水轮机比转速的选择 对于多泥沙河流上的水电站 为了减轻过机泥沙对水轮机过流部件的磨损 选择其比转速时 应较清水电站低一些 每一种类水轮机都有自己的最佳比转速范围 水斗式水轮机的比转速在13 18范围内效率最高 混流式水轮机的比转速在150 250范围内效率最高 轴流定浆式水轮机的比转速在500 600范围内效率最高 图6 3不同水轮机的效率特性 三 各类型水轮机比转速选择 轴流式比转速与使用水头关系混流式比转速与使用水头关系斜流式比转速与使用水头关系贯流式比转速与使用水头关系见图6 5水斗式比转速与使用水头关系见图6 6 第四节水轮机比转速的选择 随着水轮机设计 制造水平的提高与材料的进步 各类水轮机的应用比转速在不断地提高 水轮机选型中 常有比转速系数K作为评价比转速的指标 当水斗式水轮机具有多个转轮和多个喷嘴时 从理论上讲可以增加水轮机的比转速 但实际上选择多轴轮多喷嘴水轮机的比转速时常受到一些条件的限制 有时也不一定是经济的 这种情况下可考虑使用混流式水轮机 第四节水轮机比转速的选择 图6 5贯流式水轮机与应用水头关系 图6 6水斗式水轮机与使用水头关系 第五节反击式水轮机基本参数的计算 一 按水轮机型谱参数表及模型综合特性曲线计算水轮机的基本参数 转轮直径的计算 式中 发电机额定容量 KW 发电机效率 一般取0 96 0 98 设计水头 m 设计工况下单位流量 对于固定叶片的水轮机一般取在5 出力限制线上 对于转桨式水轮机一般不超过型谱参数表中的推荐值 当开挖深度受限制时 应按允许吸出高度来确定 原型水轮机效率 初估时可近似取所选择的设计工况点的模型效率值 再加上2 3 的修正值 待求出后 再按效率换算公式加以修正 第五节反击式水轮机基本参数的计算 表6 5转轮直径尺寸系列单位 cm 按公式计算出的转轮直径 应尽量按规定的转轮标准直径尺寸系列选取 当选用标准值使水轮机参数明显不合理时 直接采用计算值 特别是对于高水头或大容量机组 反击式水轮机的转轮标准直径尺寸系列如表6 5所示 第五节反击式水轮机基本参数的计算 模型水轮机最优单位转速 可从型谱参数表或模型综合特性曲线上查得 水轮机转速的选择计算 对于已确定型号的水轮机 转速的计算式为 式中 原型水轮机设计单位转速 式中 第五节反击式水轮机基本参数的计算 单位转速修正值值 当 可忽略 计算所得的转速一般不是发电机的标准同步转速 对于直联式水轮发电机组 应把计算转速圆整为一个相应的发动机同步转速 确定了和之后 为了判断它们的选择是否合理 校核由于和的圆整所造成的偏差 需要检验水轮机的实际工作范围 检验水轮机设计单位流量 检验单位转速的范围 第五节反击式水轮机基本参数的计算 1 检验水轮机的设计单位流量 6 16 式中 设计工况点的原型效率 应对应于工况点 可通过试算求出 在模型特性曲线上检查是否超过了出力限制线或型谱中建议的数值 若超过说明选得太小 反之则选得过大 一般 在吸出高度不超过限定值的情况下 尽可能使接近于出力限制线上的值 第五节反击式水轮机基本参数的计算 2 检验单位转速的范围根据 分别计算对应的模型单位转速计算值应与模型最优单位转速比较接近 的范围应包括水轮机的最优效率区 第五节反击式水轮机基本参数的计算 图6 8水轮机工作范围图 水轮机最大运行吸出高度的计算与安装高程的确定 或 m 立轴混流式水轮机立轴轴流式水轮机式中 轴流式水轮机高度系数 第五节反击式水轮机基本参数的计算 飞逸转速的计算 混流式及其它固定叶片式水轮机飞逸转速计算 水轮机最大可能开度时的单位飞逸转速 可按设计工况模型水轮机导叶开度的1 05倍从模型飞逸特性曲线上查取 式中 第五节反击式水轮机基本参数的计算 转桨式水轮机飞逸转速计算 一般按保持协联关系计算 最终绘制出曲线 图6 9 曲线最高点对应的飞逸转速即协联工况时水轮机的最高飞逸转速 图6 9曲线 第五节反击式水轮机基本参数的计算 二 按比转速和统计资料估算水轮机基本参数 水轮机转速的估算 水轮机转轮直径的估算 最大允许吸出高度的估算 水轮机飞逸转速的估算 第五节反击式水轮机基本参数的计算 1 水轮机转速的估算 6 22 式中 水轮机的设计水头 m 水轮机的额定出力 水轮机的比转速 由曲线选取 第五节反击式水轮机基本参数的计算 2 水轮机转轮直径的估算 6 23 式中 水轮机的设计单位流量 由曲线选取 原型水轮机的效率 可参考同类型同容量的水轮机选取 第五节反击式水轮机基本参数的计算 3 最大允许吸出高度的估算 6 24 式中 原型水轮机的装置空化系数 可由选取 第五节反击式水轮机基本参数的计算 4 水轮机飞逸转速的估算初步设计时 如果没有模型水轮机飞逸特性曲线或最大单位飞逸转速 可按统计的飞逸系数近似估算水轮机的飞逸转速 6 25 对于水斗式或混流式 1 7 2 2 对于保持协联关系的轴流转桨式 2 0 2 2 对于轴流定桨式 2 4 2 6 第五节反击式水轮机基本参数的计算 第六节水斗式水轮机装置型式与基本参数计算 一 装置型式选择主轴的布置 转轮及喷嘴数目的选择 水斗式水轮机的主轴分卧式布置和立式布置两种方式 卧轴式布置拆卸 维护方便 但每个转轮上只能布置1 2各喷嘴 当喷嘴数目多时 也必须相应增加转轮的数目 竖轴水斗式水轮机在同一转轮上布置2 6个喷嘴 在同样转轮的情况下可以增加机组出力 有利于减小机组尺寸 但当喷嘴数多于3小时 第六节水斗式水轮机装置型式与基本参数计算 转速不宜选得太高 以免各射流相互影响而降低水轮机的效率 水斗式水轮机的装置型式根据单机容量 流量和水头选择 一般小容量选择卧式 流量小水头高时选一个喷嘴 流量大水头低时选2各喷嘴 大容量选择立式 水头高时选2 3各喷嘴 水头低时选4 6各喷嘴 第六节水斗式水轮机装置型式与基本参数计算 二 固定比转速时水轮机基本参数计算对固定的比转速水轮机 其基本参数的计算方法同混流式水轮机一样 水斗式水轮机转轮中心高程至尾水位之间的高差为排水高度 它是保证水斗式水轮机安全运行 防止变负荷时的涌浪 防止尾水的水流飞溅而造成能量损失所必须的高度 根据经验资料选择 三 改变比转速时水斗式水轮机参数的选择 装置型式的选择 水轮机比转速的选择 基本参数的选择 包括转速 射流直径 转轮直径 水斗数 飞逸转速 第六节水斗式水轮机装置型式与基本参数计算 1 转速n的计算由水轮机比转速的公式可得 6 27 6 28 式中 对应于1个转轮1个喷嘴时的比转速 对应于1个转轮1个喷嘴时的出力 转轮数 每个转轮的喷嘴数 第六节水斗式水轮机装置型式与基本参数计算 2 射流直径的计算对于多转轮多喷嘴的水斗式水轮机 6 29 式中 水轮机的总流量 喷嘴射流直径 喷嘴出口射流速度 喷嘴射流速度系数 0 97 0 98 由式 6 27 得 第六节水斗式水轮机装置型式与基本参数计算 3 转轮直径的计算 6 31 6 32 式中 转轮圆周速度 节圆 转轮圆周速度系数 一般取 0 465 0 485 水轮机的平均水头 m 由 6 31 与 6 32 式可得 第六节水斗式水轮机装置型式与基本参数计算 4 的检验根据计算出的与求出 为了保证水轮机的高效率 一般选在10 20范围内 5 水轮机喷嘴直径的计算喷嘴在喷射水流时 射流直径会收缩变小 考虑到射流的收缩 故需求喷嘴出口直径大于射流直径 计算时可用如下式子 6 34 式中 系数 与喷嘴型式有关 m 1 05 1 25 第六节水斗式水轮机装置型式与基本参数计算 6 水斗数的估算水斗数过少时 会使部分射流落不到水斗上而形成容积损失 水斗数过多时对水斗的出水不利 一般可取 6 35 对于多喷嘴机组 其射流夹角避免为相邻水斗夹角的整倍数 第六节水斗式水轮机装置型式与基本参数计算 7 水轮机效率的估算当原型水轮机的与模型水轮机相同或 10 20时 原型的效率与模型差别不大 效率可不进行修正 当与模型差别较大时 可参照表6 9估算原型水轮机的效率 8 飞逸转速的估算 6 36 式中 最大单位飞逸转速 一般取 第六节水斗式水轮机装置型式与基本参数计算 第七节水泵水轮机装置形式及基本参数确定 一 水泵水轮机形式选择 装置型式的选择 抽水蓄能电站的机组可采用多种装置型式 由水泵 水轮机 电动机 发电机或可逆式水泵水轮机 发电电动机组合 构成不同型式的抽水蓄能发电机组 大型机组多采用竖轴布置 中小型机组有时采用横轴布置 几种常用的机组构成方式如表6 10所示 如表6 10所示 抽水蓄能水电站的机组装置组合有四机式 三机式和二机式 最早 采用的型式为四机式 即水泵和水轮机分别配置各自的电动机与发电机 由于设备多 占地大 投机高 目前已很少采用 三机式 即水泵 水轮机 发电 电动机三者以连轴节相连 发电时 由水轮机带动发电 电动机作发电机组运行 抽水时 由发电 电动机以电动机方式运行带动水泵抽水 两种其旋转方向相同 三机式的优点是机组转换运行方式快 不需要专设起动设备 第七节水泵水轮机装置形式及基本参数确定 二机式 即由水泵 水轮机和发电 电动机组成 水泵水轮机兼有水泵和水轮机两种功能 转轮正转时为水轮机运行方式 反转时为水泵运行方式 由于一机两用 故机组造价较三机式低 但转轮设计要兼顾水泵与水轮机两种工况的性能 其效率较单一的水泵或水轮机稍低一些 目前 二机式应用最广泛 但在一些超高水头的抽水蓄能电站 仍不排除采用水斗式水轮机作动力机和采用多级离心泵作抽水机的组合方式 也可以采用多级水泵水轮机和双速发电机 电动机的二机式 第七节水泵水轮机装置形式及基本参数确定 第七节水泵水轮机装置形式及基本参数确定 2 水泵水轮机机型的选择适应不同水头段抽水蓄能电站的需求 水泵水轮机具有混流式 斜流式 贯流式几种类型 各类水泵水轮机的比转速及应用水头范围如表6 11所示 1 混流式水泵水轮机混流式水泵水轮机的结构与常规混流式水轮机相似 但其转速一般按水泵工况设计 用水轮机工况校核 在相同水头和功率条件下 其直径比常规水轮机大30 40 单级混流式水轮机的适用水头可高达700m 在水头高于700m的电站 可考虑采用多级混流式水泵水轮机 第七节水泵水轮机装置形式及基本参数确定 2 斜流式水泵水轮机斜流式水泵水轮机一般为转桨式 其效率曲线平缓 能适应水头及负荷变化较大的水电站 斜流式水泵水轮机可用于25 200m的水头 对于水头小于200m的抽水蓄能电站 可以采用混流式水轮机 又可以采用斜流式水轮机 要根据电站的水头 调节容量的大小等决定采用的机型 在水库的利用水深较大 采用单速混流式水泵水轮机不能同时满足水泵和水轮机工况同时获得高效率时 可考虑双速混流式水泵水轮机和斜流转桨式水泵水轮机两方案 双速混流式水轮机使用的发电 电动机造价比单速机高出10 15 若选择斜流式水泵水轮机 则可通过调节桨式及导叶开度使水泵及 第七节水泵水轮机装置形式及基本参数确定 水轮机工况均获得高效率 而无需改变发电 电动机的转速 与混流式相比 斜流式的缺点是结构复杂 3 轴流式水泵水轮机轴流式水泵水轮机适用于低水头抽水蓄能电站 一般采用转桨式结构 以适应水头及负荷的变化 轴流式水泵水轮机应用不太多 其原因是水泵运行时 其扬程较低 尽管轴流转桨式发电专用水轮机的应用水头已达88米 但轴流式水泵的扬程一般不超过20米 提高轴流式水泵的扬程 需要将其转速增加很多 这样会使发电 电动机的造价昂贵 4 贯流式水泵水轮机贯流式水泵水轮机的转轮同轴流式一样 只是布置型式不同 贯流式水泵水轮机用于潮汐抽水蓄能电站和其它低水头抽水蓄能电站 第七节水泵水轮机装置形式及基本参数确定 第八节水轮机选型设计算例 一 混流式水轮机选型 按型谱 1 已知参数 电站装机容量630MW 装机台数3台 单机容量210MW 保证出力 保证率95 202MW 水轮机安装高程 622 50m 第八节水轮机选型设计算例 2 水轮机型号选择按我国水轮机型谱中推荐的设计水头与比转速关系 水轮机的为因此 以选择在160左右的水轮机为宜 在水轮机型谱中 本电站的水头在90 125米水头段与110 150米水头段 两个水头段中可供选择的转轮型号有 HL220 HL180 HL160三种型号 在设计工况下 三种转轮的比转速分别为200 186 164 m kw 比较三种转轮 以HL160转轮的比转速与本电站的计算比转速最接近 空化系数较小 故决定选用HL160转轮 第八节水轮机选型设计算例 3 水轮机基本参数的计算 1 计算转轮直径水轮机的额定出力为 取最优单位转速 67 5rpm与出力限制线的交点的单位流量作为设计工况单位流量 则 0 68 对应的模型效率 0 895 暂取效率修正值 2 则设计工况原型水轮机效率 故水轮机的转轮直径为 第八节水轮机选型设计算例 按我国规定的转轮直径系列值 计算值处于标准值5 00m与5 50m之间 考虑到取5 0m偏小 难于保证设计水头下发生额定出力 若取5 5m又太大 不经济