水轮机调节课程设计

1、 课程名称:水轮机调节课程设计题目:水轮机调节保证计算学生姓名:胡恩胜学号: 201081250228 专业:热能与动力工程班级:水动1001班指导老师:饶洪德老师2013年12月 目录1、调节保证计算 (21.1、电站主要参数 (21.2、确定计算标准. 2 1.3、确定计算工况 (21.4、计算和确定有关参数. 2 1.5、初选导叶直线关闭时间f T . 2 1.6、判断水击类型 (21.7、进行水击计算 (21.8、计算最大转速上升率. 2 1.9、综合比较选定 (22、调节设备选型. 2 2.1、调速器计算. 2 2.2、调速器选择 (22.3、调速器尺寸图 (53、参考文献 (8 1

2、 调节保证计算1.1、电站主要参数D水电站的主要任务是发电,并结合水库特性、地区要求可发挥水产养殖等综合效益。电站建成后投入东北主网,担任系统调峰、调相及少量的事故备用容量,同时兼向周边地区供电。该电站水库库容小不担任下游防洪任务。该电站有关动能指标为:水库调节性能日调节装机容量 1400 MW最大工作水头 69.0 m加权平均水头 67.0 m设计水头 67.0 m最小工作水头 65.0 m平均尾水位 202.0 m设计尾水位 200.5 m压力水管长度 200m水轮机型号:HL240/D41,额定功率:Pr=175MW,转轮直径:6m,转速:107r/ min,额定流量:Qr=280sm/

3、3,飞逸转速:Rn=215r/ min,吸出高度sH =1m。1.2、确定计算标准1.2.1、调节保证计算的任务调节保证计算是研究机组突然改变较大负荷时调节系统过渡过程的特性,计算机组的转速变化和压力输水系统压力变化,选定导水机构合理的调节时间和启闭规律,解决压力输水系统水流惯性,机组惯性力矩和调节特性三者之间的矛盾,使水工建筑物和机组既经济合理,又安全可靠。在调节保证计算中,根据水轮机自动调节P220页式7.1及P221页式7.2,压力升高和转速升高都不能超过允许值。此允许值就是进行调整保证计算的标准。甩负荷过程机组速率上升相对值为%100max-=nnn式中:n为甩负荷前机组的转速,m i

4、n/r;maxn是甩负荷过程中产生的最大 转速,min /r 。甩负荷过程中最大压力上升相对值为%1000max -=H H H 式中:max H 为甩负荷过程中产生的最大压力,m ;0H 为甩负荷前水电站静水头,m 。1.2.2、调节保证计算的标准 在调节保证计算过程中,压力升高和转速升高都不能超过允许值。此允许值就是调节保证的标准。我国调节保证计算的标准为: (1水轮机自动调节调节保证计算的标准(P221页中规定机组甩负荷时最大速率上升max 宜小于45%;当机组容量占电力系统工作容量的比重不大或担负基荷时,宜小于55%。大于此值要论证。(2规范中规定甩全负荷时,有压过水系统允许的最大压力

5、上升率一般不应超过表1的数值。表1 最大压力升高限值表 电站设计水头(m <40 40100 >100蜗壳允许最大压力上升率70%50% 50%30% <30%(3尾水管真空值不宜超过8m 水柱。(4压力输水管不应出现负压脱流现象,一般至少保证有2m 水柱的正压裕度。在没有特殊要求的情况下,调节保证计算只对两个工况进行,即计算设计水头和最大水头甩负荷时的压力上升和速率上升,并取其大者,一般在前者发生最大速率上升,在后者产生最大水压力。1.3、确定计算工况(1额定水头,额定出力工况,此时甩负荷一般出现最大转速上升。 (2最大水头,额定出力工况,此时甩负荷一般出现最大水压上升。

6、对两种工况进行调节保证计算,当压力上升值和转速上升值均不超过规定范 围时取其大者。1.4、计算和确定有关参数1.4.1、各工况下的i i V L 和i L 。水轮机尾水管和蜗壳是变断面过流通道,准确计算它们的水击是一件十分困难的事情。为了使分析简化,一般采用刚性水击理论描述尾水管和蜗壳中的不恒 定流动。即使如此,由于尾水管和蜗壳断面变化的复杂性,计算它们中的水击任然是一项复杂的工作。为了使问题的求解变得容易,可以采用当量管来代替实际尾水管和蜗壳。(1尾水管的i i V L和i L根据水电站机电设计手册(水力机械P129页表2-17,查得混凝土推荐的尾水管尺寸表及混凝土标准肘管尺寸表中所示:表2

7、 推荐的尾水管尺寸表1Dh1Dl15DB14DD14Dh16Dh11Dl15Dhh l5B4D4h6h1l5h表3 混凝土标准肘管尺寸表44DD44Dh45DB4Da46DR41Da47DR42Da48DR4D4h5B a6R1a7R2a8R由前面水轮机选型设计:表4 尾水管尺寸计算表项目(m1D3D4计算尾水管的当量长度deL椎管高度mh41.63=,肘管中心线长度m4=,扩散管长度 mLLL08.1692.102712=-=-=。(59.3008.1641.6243mLhhLde=+=+=计算尾水管的当量过流面积deA参数160.041.6444331=DDhe参数-+-=44434424

8、444242109.0426.0534.0DhDhDhDhADe-+-÷=43221109.01426.01534.021.8(14.321.0=由212tantan-=k,且213.012tantan1=。,0tan2=得213.02=K,则参数(+-=622231ln1hLkbBke05.408.16213.01ln43.22.16213.01=+-=尾水管的当量过流面积deA232174.5258.059.3021.021.0160.059.30meeeLA dede=+=+=计算尾水管的平均流速Bv由smQ/2803=得/74.52280smAQvdeB=因此,(13.162

9、59.302smVLBB= (2蜗壳的i i V L和i L计算蜗壳当量管的长度weL由于本站应用水头为:65-69m<150m,故采用钢板焊接蜗壳,蜗壳断面为圆形,当蜗壳尾部用圆断面不能和座环蝶形边相连接时,采用椭圆形断面,蜗壳的包角为345度。查水轮机原理与运行P106图6-8,金属蜗壳进口流速系数与水头的关系曲线取得:89.0=k,则进口断面平均流速/6789.0smHkvr=进口断面半径mvQFro2803603453600=由水电站机电设计手册(水力机械P128表2-16得所选方案HL240D=6.0m 的具体尺寸:表5 金属蜗壳座环尺寸单位:m名称Da (m Db(m K(m

10、 R(m蝶形边半径(85.4175.0235.92mKDr ao=+=+=固定导叶外切圆半径(675.4235.92mDr ao=进口断面中心到水轮机轴的距离mhra05.815.185.42222=-+=-+=1+b/2=1.15m 。05.805.814.392.122220=-=-=oooaaC蜗壳中心线的长度CrCrL oow22322+=(4.4292.185.42392.12292.185.492.12m=+=(为345度,而360为2 蜗壳当量管的长度(2.2124.422mLL wwe=计算蜗壳当量管的面积weA参数125.0811=Cc参数46.292.1=x885.422=

11、Crb o参数+-=bcxbbbcxxcce22231ln22+-=46.2125.0ln46.2125.0246.2125.0125.022223参数+-=bcxbbcxcxce22ln259.346.2125.0ln46.2125.046.2125.0125.022=+-=蜗壳当量管的面积weA(6959.3675.447.74.424422212mrLAeoewwe=+=+=计算蜗壳的平均流速Cv由smQ/2803=得/(06.469280smAQvweC=因此,=(1.8606.42.212smVLCC(3压力水管的i i V L和i L压力水管长度yL 由已知数据知压力水管长度L=2

12、00m 计算压力水管的面积y A由水轮机原理选型设计知:转轮直径D1为6m ,压力钢管直径取6.5m 。则22125.33280s m A Q v y y =因此,=/(168844.82002s m V L C C 1.4.2、水流惯性时间常数W T从进口水流断面至水轮机中心,三台机组的LV 一样大,故只计算#1机来计算分叉管的LV表6 LV 计算成果表 长度(m L 面积(2m A 流量/(3s m Q r 流速/(s m v pj(2s m LV压力水管 200 33.18 280 8.44 1688 蜗壳 21.2 69 280 4.06 86.1 尾水管280s mV L =+=.1

13、936=rw gH VL T s .1.4.3、机组惯性时间常数a T估算2GD (一般只考虑发电机的飞轮力矩2GD 查水电站机电设计手册(水力机械P165页图3-29: 2GD =4600002m KN 计算aT根据水轮机自动调节P228页式7-30:41.81750003580107460000358022=ooa pGDnT s。1.4.4、水击波a速计算管壁厚度根据水轮机机电设备设计手册(水力机械P208:对薄壁钢管厚度的要求,薄壁钢管的计算厚度等于管壁的真实厚度,通常D在5012001的范围内,取5010=D,有12.05016=o计算水击波速a根据水轮机机电设备设计手册(水力机械P

14、207页式5-1:取24/10kgEo=,(17.52394.983.6254.481mL=+=,得/(51.1163501010114351143564smEDEa=+=+=取/(1000sma=1.5、初选导叶直线关闭时间fT1.5.1、按蜗壳允许的最大暂态压力值CH计算发生末相水击的最小关闭时间1fT计算按蜗壳允许的最大暂态压力值CHmax=,则mHHoc5.103671(1(m ax=+=+=计算最小关闭时间1fT 695.1006795.235.1max11=-=-=HHHTKTcrwfs1.5.2、按允许的机组最大转速上升值计算发生末相水击时的最大关闭时间2fT计算允许的机组最大转

15、速上升值,取计算最大关闭时间2fTsTKTaf95.1255.041.822=根据1fT、2fT的计算结果,可初选sTf9=、s10、s11、s12、13s。1.6、判断水击类型可参考小型水电站(水力机械P240页例题6-1以及水电站机电设计手册(水力机械P213页阿列维公式进行计算。1.6.1、计算压力输水管的平均流速v/(23.193613.1621.8616882smV L=+=(79.25159.302.21200mL=+=/(69.779.25123.1936smLVLv i i=1.6.2、压力上升值计算确定压力水管特性系数85.56781.9269.710002_=gHva确定水

16、管特性系数ffTT32.232.2=确定水击相长rtsaLtr100020022=由于采用的导叶直线关闭时间fT均大于rt,发生间接水击。对于甩全负荷 1=85.5>=,故最大水击出现在末相。1.7、进行水击计算可参考水电站机电设计手册(水力机械P213页系列公式1.7.1、初选sTf9=,则水管特性系数2578.0932.232.2=fT引水管道内压力升高率m4(22+=m(42578.02578.022578.02=+=引水管道内压力升高率的修正值maxmm a x=3518.02931.02.1=蜗壳内压力上升率Cmax+=LVVLVLCCTTC3223.03518.023.193

17、61.861688=+=蜗壳内压力上升值CHHHCC=(5941.21673223.0m=尾水管内的压力降低率Bm a x=LVVLBBB029.03518.023.193613.162=尾水管内的压力降低值BHHHBB=(974.167029.0m=出现压力降低时尾水管的真空值BHBsBHgvHH+=-22(988.5974.181.9269.712m=+=1.7.2、初选sTf10=,则管特性系数2320.01032.232.2=fT引水管道内压力升高率m4(22+=m(42320.02320.022320.02=+= 引水管道内压力升高率的修正值maxmm a x=3126.02605.

18、02.1=蜗壳内压力上升率Cmax+=LVVLVLCCTTC2864.03126.023.19361.861688=+=蜗壳内压力上升值CHHHCC=(1904.19672864.0m=尾水管内的压力降低率Bm a x=LVVLBBB026.03126.023.193613.162=尾水管内的压力降低值BHHHBB=(742.167026.0m=出现压力降低时尾水管的真空值BHBsBHgvHH+=-22(756.5742.181.9269.712m=+=1.7.3、初选sTf11=,则管特性系数2109.01132.232.2=fT引水管道内压力升高率m4(22+=m(42109.02109.

19、022109.02=+=引水管道内压力升高率的修正值maxmm a x=2812.0233.02.1=蜗壳内压力上升率Cmax+=LVVLVLCCTTC2577.02812.023.19361.861688=+=蜗壳内压力上升值CHHHCC=(2631.17672577.0m=尾水管内的压力降低率Bm a x=LVVLBBB0235.02812.023.193613.162=尾水管内的压力降低值BHHHBB=(5776.1670235.0m= 出现压力降低时尾水管的真空值B HB s B H gvH H +=-22(5917.55776.181.9269.712m =+= 1.7.4、初选s

20、T f 12=,则32.232.2=f T 引水管道内压力升高率m 4(22+=m (1933.02=+=引水管道内压力升高率的修正值max m 2.1m a x =2555.02129.02.1= 蜗壳内压力上升率C max +=LVVL V L CCTT.19361.861688=+=蜗壳内压力上升值C H 0H H C C =(685.15672341.0m = 尾水管内的压力降低率B m a x=LVV L BBB0213.193613.162= 尾水管内的压力降低值B H 0H H B B =(4271.1670213.0m = 出现压力降低时尾水管的真空值B HB s B H gv

21、H H +=-22(4412.54271.181.9269.712m =+=1.7.5、初选s T f 13=,则32.232.2=f T 引水管道内压力升高率m 4(22+=m (1785.02=+= 引水管道内压力升高率的修正值max m 2.1m a x =2341.01951.02.1= 蜗壳内压力上升率C max +=LVVL V L CCTT.19361.861688=+=蜗壳内压力上升值C H 0H H C C =(3715.14672145.0m = 尾水管内的压力降低率B m a x=LVV L BBB0196.193613.162= 尾水管内的压力降低值B H 0H H B

22、 B =(3133.1670196.0m = 出现压力降低时尾水管的真空值B HB s B H gvH H +=-22(3274.53133.181.9269.712m =+=列出计算结果如下:表7 压力上升(或下降值计算成果表(s T f m max 蜗壳内压力上升 尾水管压力下降C (m H C B (m H B (m H B 91.8、计算最大转速上升率可参考水电站机电设计手册(水力机械P220页系列公式 接力器不动时间 s T q 45.0=2=o o a p GDn T s 。 参数96.1min/79min/1551'1'=rrnnn re式中:r p m79676

23、107nrpmo11'1'=-HDnn,(甩负荷时初始单位转速,单位飞逸转速(rpm1'-rn查飞逸特性曲线:rn1'=155rpm 。1.8.1、初选sTf9=,则+=1f2578.12578.01=+=由1(22yafqy TfTT+=(y141.8292578.145.02+=,解得5662.0=y111-+=eynC6291.0196.15662.011=-+=12(1-+=afqTCfTT(3835.0141.86291.092578.145.021=-+=m ax=4219.03835.01.1=1.8.2、初选sTf10=,则+=1f2320.12

24、320.01=+=由1(22yafqy TfTT+=(y141.82102320.145.02+=,解得6037.0=y111-+=eynC6139.0196.16037.011=-+=12(1-+=afqTCfTT(4018.0141.86139.0102320.145.021=-+=m ax=4420.04018.01.1=1.8.3、初选sTf11=,则 +=1f2109.12109.01=+=由1(22yafqy TfTT+=(y141.82112109.145.02+=,解得6404.0=y111-+=eynC5999.0196.16404.011=-+=12(1-+=afqTCfT

25、T(4192.0141.85999.0112109.145.021=-+=m ax=4611.04192.01.1=1.8.4、初选sTf12=,则+=1f1933.11933.01=+=由1(22yafqy TfTT+=(y105.82121933.145.02+=,解得6760.0=y111-+=eynC5868.0196.16760.011=-+=12(1-+=afqTCfTT(4359.0141.85868.0121933.145.021=-+=m ax=4795.04359.01.1=1.8.5、初选sTf13=,则+=1f1785.11785.01=+=由1(22yafqy TfT

26、T+=(y141.82131785.145.02+=,解得7113.0=y111-+=eynC5744.0196.17113.011=-+= 12(1-+=af q T C.85744.0121933.145.021=-+=1.1m ax =4709.04281.01.1=列出计算结果如下:表8 转速上升值计算成果表(s T ffa T y 初步选s T f 9=,此时%19.42m ax =。1.9、综合比较选定1.9.1、计算最大水头下的流量min Q/(2586981.93max 0min s m H p Q =1.9.2、计算平均流速v由前面计算得到的数据如下:表9 LV 计算成果表长

27、度(m L 面积(2m A 流量/(3s m Q r 流速/(s m v pj(2s m LV压力水管 200 33.18 280 8.44 1688 蜗壳 21.2 69 280 4.06 86.1 尾水管280s mLV =+=.1621.861688s m LLV v =+=-1.9.3、水流惯性时间常数W T sgHLVTw86.26981.913.1621.861688max=+=1.9.4、确定在最大水头下相应的直线关闭时间'fT322819(11(1max'saaTT mff=-+=-+=式中:ma0最大水头下导叶开度;maxa查HL240/D41模型综合特性曲线,飞逸转速下的导叶开度1.9.5、确定管道特性参数68.56981.9269.710002max=-gHva358.086.2'=fwTT1.9.6、压力上升计算85.5>=,知最大水击压力发生在末相:428.04358.0358.0(2358.04(222m=+=+=5136.0428.0m ax=m4706.05136.013.1621.8616881.861688max=+=+=LVVLVLCCTTC(47.32694706.0m axmHHCC=(47.10147.3269m axm axmHHHCC=+=+=由于1.5.1知,