水轮机调节课程设计完整版[共29页]

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1、 水轮机调节课程设计 课程设计 题目： 《水轮机调节》 水轮机调节保证计算以及调速设备选型 学生姓名： 学 号： 班 级: 专 业： 指导教师： 年 月 题目 《水轮机调节》 水轮机调节保证计算以及调速设备选型 学生姓名： 学 号： 班 级： 所

2、在院(系): 指导教师： 完成日期: 水轮机调节课程设计 目录 1 基本数据 4 1.1 基本资料 4 1.2 确定计算标准 4 1.3 确定计算工况 5 1.4 计算确定有关参数 6 1.5 初选导叶直线关闭时间 12 1.6 判断水击类型 13 1.7 进行直线关闭时间水击计算 13 1.8 计算最大转速上升率 17 1.9按最大水头计算蜗壳内的最大压力上升值 19 1.10 综合比较选定 21 2 调节设备选型 23 2.1调速器的计算 23 2.2 调速器选择 23 2.3主配

3、压阀的选择 25 2.4油压装置的选择 26 参考文献 28 1 基本数据 1.1 基本资料 F水电站以发电为主。电站建成后并入系统运行，担负系统峰荷，并有调相任务。水电站设计保证率为96%；水能开发方式为有压引水方式，采用左岸地下式厂房方式。 总装机容量：560MW 特征水位： 校核洪水位：390.43m 设计洪水位：389.90m 正常蓄水位（正常运行最高水位）：389.90m 死水位：388.70m 水库调节特性：季调节 水能规划参数：Hmax=78.9m， Hmin=55.07m， Hav=71.43m， Hr=68m

4、压力钢管长度： 120m 水轮机型号：HL220-LJ-500 水轮机额定参数：额定出力P=14500KW 额定转速 飞逸转速 吸出高度 设计流量 1.2 确定计算标准 在调整保证计算中，根据《水轮机自动调节》P220-221，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。 (1)甩负荷过程机组最大转速上升相对值为： 式中：为甩负荷前机组的转速，；是甩负荷过程中产生的最大转速，。《水力机电设计手册》P207中规定机组甩负荷时最大速率上升在一般情况下不大于55%，大于此值要论证。 (2)甩负荷过程中最大压力上升值为： 式中：为甩负荷过程

5、中产生的最大压力，m；为甩负荷前水电站静水头，m。 (3)规范中规定甩全负荷时，有压过水系统允许的最大压力上升率一般不应超过表1的数值。 表1-1最大压力升高限值表 电站设计水头（m） <40 40—100 >100 蜗壳允许最大压力上升率 70%—50% 50%—30% <30% (4)尾水管真空值不超过8—9m水柱。增负荷时。过水压力系统任何一段不允许发生真空。在没有特殊要求下，调节保证计算只对两个工况进行，即计算设计水头和最高水头甩全负荷时的压力上升和速率上升，并去其大者，一般在前者发生最大速率升高，在后者发生最大水压升高。 1.3 确定计算工况 参考设计任务书

6、知： a.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。 b.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。 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 计算确定有关参数 参考《课程设计指导书》进行相关计算式计算： (1)各工况下的和 a.尾水管的和 根据《水电站机电设计手册》（水力机械）分册表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以及《水轮机原理》课程设计尾水管数据，通过该表计算得出尾水管的基本尺寸如表2、表3中所示： 表1-2混凝土推荐的尾水管尺寸表

7、 肘管型式 适用范围 2.6 4.5 2.72 1.35 1.35 0.675 1.82 1.22 混凝土肘管 混流式 表1-3混凝土标准肘管尺寸表 D1 D3 D4 h h3 h4 h5 h6 L1 L B5 5 5.1 6.75 13 5.89 6.75 6.1 3.35 9.1 22.5 13.6 ①计算尾水管的当量长度 锥管高度，轴管中心线长度，扩散管长度。 尾水管当量管的长度 ②计算尾水管的当量过流面积 参数 参数 由，且，得参数 尾

8、水管的当量过流面积 ③计算尾水管的平均流速 由得 因此， b.蜗壳的和 ①计算蜗壳当量管的长度 本电站采用金属蜗壳，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。 根据水头查《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:，则: 进口断面平均流速 进口断面半径 据《水电站机电设计手册》（水力机械）分册P128表2-16的金属蜗壳尺寸系列，知，， 蝶形边半径 进口断面中心到水轮机轴的距离 固定导叶外切圆半径 蜗壳系数

9、 蜗壳中心线的长度 蜗壳当量管的长度 ②计算蜗壳当量管的面积 参数 参数 参数 参数 参数 蜗壳当量管的面积 ③计算蜗壳的平均流速 由得 因此， c水流惯性时间常数 查《水轮机调节》P222知： 2台机组的一样大，故只计算机来计算单管的 表1-4计算结果 长度 面积 流量 流速 LV () 蜗壳 14.5 46.73 227 4.86 70.47 尾水管 28.49 42.52 227 5.33 151.8

10、5 压力水管 120 78.54 227 1.15 380.47 d.机组惯性时间常数 ①估算: 查《水电站机电设计手册》（水力机械）P164式（3-2~3-7）知可按照下列相关公式进行估算： （1）极距τ（cm）和飞逸速度Vf的确定 14.41cm 式中: P—为发电机磁极对数，可从《水轮机原理》P268查得P=38 K—系数8～10，取9 由上式计算出后，校核发电机在飞逸状态下，转子的飞逸线速度Vf是否在转子材料的允许范围内： （2）定子内径的确定 （3）定子长度lt(cm)的计算 式中C—发电

11、机利用系数，（ 查《水电站机电设计手册》P160表3-5取） (4) 定子铁芯外径 当时, 当 此时： =K2Di3.5lt=5.24.723.511.21=13400 ②计算 e.水击波速 ① 计算管壁厚度 按《水轮机机电设备设计手册》 （水力机械）分册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，通常在～的范围内，取，压力管管道直径为6m,带入计算有： ② 计算水击波速 查《水力机电设计手册》P207式（5-1）知水击波速相关计算式： 取，，得： a=14251+E0DEδ=14252.11000062.11000000

12、0.12=950 m/s 1.5 初选导叶直线关闭时间 查《水力机电设计手册》P212知：导叶的直线关闭时间Ts一般取5～10s,对大容量机组可取到15s.，此处导叶最小关闭时间分别取3s、6s、9s、12s进行计算。 计算按蜗壳允许的最大暂态压力值 取，则 = 由于最大水头带满负荷时的导叶开度较设计水头的小，故其关闭时间Tf可按下面的经验公式确定： TF=α0Mα0maxTf 1.6 判断水击类型 查《水轮机调节》P226知： ① 计算压力输水管的平均流速 ② 压力上升值计算 确定压力水管特性系数 确定水管特性系

13、数 确定水击相长 由于采用的导叶直线关闭时间均大于，发生间接水击。对于甩全负荷，则，故最大水击出现在末相。 1.7 进行直线关闭时间水击计算 查《水力机电设计手册》P213~214按计算式进行相关计算： （1）初选，则 水管特性系数 引水管道内压力升高率 引水管道内压力升高率的修正值 蜗壳内压力上升率 蜗壳内压力上升值 尾水管内的压力降低率 尾水管内的压力降低值 出现压力降低时尾水管的真空值 （2）初选，则 管特性系数 引水管道内压力升高率 引水管道内压力

14、升高率的修正值： 蜗壳内压力上升率 蜗壳内压力上升值 尾水管内的压力降低率 尾水管内的压力降低值 出现压力降低时尾水管的真空值 （3）初选，则 管特性系数 引水管道内压力升高率 引水管道内压力升高率的修正值： 蜗壳内压力上升率 蜗壳内压力上升值 尾水管内的压力降低率 尾水管内的压力降低值 出现压力降低时尾水管的真空值 （4）初选，则 管特性系数 引水管道内压力升高率 引水管道内压力升高率的修正值： 蜗壳内压力上升率 蜗

15、壳内压力上升值 尾水管内的压力降低率 尾水管内的压力降低值 出现压力降低时尾水管的真空值 列出计算结果如下： 表1-5压力上升（或下降）值计算成果表 蜗壳内压力上升 尾水管压力下降 3 0.303 0.352 0.423 0.318 21.59 0.098 6.664 8.18 6 0.152 0.164 0.196 0.147 10.01 0.454 3.091 6.99 9 0.101 0.106 0.106 0.095 6.51 0.030 2.001

16、3.52 12 0.758 0.078 0.079 0.071 4.82 0.022 1.488 3.01 1.8 计算最大转速上升率 查《水力机电设计手册》P217接力器不动时间：Tq与甩前负荷大小有关，一般要求在甩25%负荷后接力器不动时间不大于0.2～0.3s,甩全负荷时，由于机组转速增长快，Tq要小一些，在计算甩全负荷时可取0.1～0.3s。 此处Tq取0.3s。 查《水力机电设计手册》P218~220按公式进行相关计算： 其中： 机组惯性时间常数: 参数： ne=n1fn1=133125=1.064 式中：n1f—

17、甩负荷时初始单位转速（rpm） n1—单位飞逸转速 （rpm） （1） 初选，则 由，解得 βmax=1.1β=1.10.38=0.361 （2） 初选，则 由，解得 （3）初选，则: 由，解得 （4）初选，则 由，解得 列出计算结果如下： 表1-6转速上升值计算成果表 C 3 1.303 4.8 0.243 0.814 0.329 0.361 6 1.152 4.8 0.381 0.736 0

18、.467 0.513 9 1.101 4.8 0.506 0.677 0.575 0.633 12 1.076 4.8 0.622 0.631 0.661 0.733 根据导叶直线关闭时间下的蜗壳压力上升值、尾水管压力下降值以及转速上升值进行比较。初步选定，此时。 1.9按最大水头计算蜗壳内的最大压力上升值 (1) 计算最大水头下的流量 (2) 计算平均流速 长度 面积 流量 流速 LV() 蜗壳 14.5 46.73 227 4.86 70.47 尾水管 28.49 42.52 227 5.33 151.85

19、压力水管 120 78.54 227 1.15 380.47 (3) 水流惯性时间常数 查《水轮机调节》P222知： Tw=LVgHmax=602.799.8178.8=0.91s (4) 确定在最 间 查《水力机电设计手册》P212知： 式中：α0—设计水头下带额定负荷时的导叶高度（mm） α0max—最大水头下带额定负荷时的导叶开度（mm） 最高水头下： Q11=9.81D2Hmax2/3P=9.815278.82/313400=1.126 额定水头下： Q11=9.81D2Hmax2/3P=9.815278.6882

20、/313400=1.107 根据对应的转速、流量值查阅水轮机运转综合特性曲线即可得到相应的导叶开度值。 (5) 确定管道特性参数 查《水轮机调节》P226知按如下计算式分别计算： 确定压力水管特性系数: 确定水管特性系数: (6) 压力上升计算: 由ρτ0=1.69，查《水轮机调节》P225图7.3水击类型判别图知最大水击压力发生在末相。 由于，＜，故此关闭规律符合相关规范标准的要求。 由此选，此时，=89.49m 1.10 综合比较选定 按相关计算后得出计算结果如下表所示，当选定导叶直线关闭时间为3s时，符合计算标准。 表1

21、-7计算结果统计表 相关资料 相关计算量 实际计算值 实际标准值 蜗壳压力上升率 31.8% 30%~50% 机组最大转速上升率 36% ≤55% 尾水管真空度 8.18 ≤9m 28 2 调节设备选型 2.1调速器的计算 调速器工作容量的选择 调节功的计算 查《水轮机调节》P239按相关计算式计算： 中小型反击式水轮机调节功的计算： ～～＞、 根据《水轮机调速器及油压装置系列型谱标准》JB T 7072-2004表1知：按下列分类知此调速器属大型调速器，则要分别选择接力器、调速器、和油压装置。 表2-1调速器分类表 小型调速

22、器 中型调速器 大型调速器 接力器调速功(W) 范围 () W≤1000kg.m 1000kg.m≤w≤7500kg.m w≥7500kg.m 2.2 调速器选择 查《水轮机调速系统选型及ＰＩＤ正交优化设计》知： 对于PID调速器，由横田浩推导公式得调速器参数为： 根据《水轮机调速器与油压装置技术条件》GBT9652.1-2007-T，微机调速器（并联PID）的调节参数和调整范围为： 比例增益:0.5-20倍；积分增益：0-10(1/s)；微分增益：0-5.0(s)。 采用PID调节规律的调速器，由水电站机电设计手册-水力机械P

23、-286，6-11公式得调速器参数为： Tn=0.5TW=0.50.91=0.46 大型调速器容量的计算： 查《水轮机调节》P239-242按计算式计算： ①主配压阀直径的选择 调速器初步选择主配压阀直径时，按下式计算 按计算结果选取与系列直径相近且偏大的主配压阀直径。 ②导叶接力器的容积计算 取油压装置额定压力为4Mpa，采用标准导水机构并用两个单缸接力器操作时，每个接力器的直径dc可近似按下式计算： 其中：导叶数z由《水轮机原理与运行》p123表7-1得z=24，再由《水轮机调节》P240表7.4得：=0.03，由《水轮

24、机原理与运行》p68,表4-1取0.26。 当油压装置的额定油压为4.0MPa，则接力器直径为： 查《水力机电设计手册》P254表6-5选取导叶接力器直径550mm。 查《水力机电设计手册》P254知接力器最大行程Szmax可按经验公式求取： Szmax=0.036~0.072D1=180~360mm 按上式取Szmax=180mm。 查《水力机电设计手册》P255双直缸接力器的总容积： 2.3主配压阀的选择 初步选择主配压阀直径时，查《水力机电设计手册》P253式（6-3）知可按下式计算： 式中：V—导水机构或折向器接力器的总容积(m3) v—管路

25、中油的流速，一般取v≤4~5ms此处去4m/s Ts—接力器关闭时间（s） 参照BWT系列微机调速器技术说明书选取主配压阀标准直径为80mm。 根据调速器参数和调节功调范围参考BWT系列微机调速器技术说明书，选择BWT-80型调速器。调速器系统主要由下列四大部分组成：调速器电气柜、机械液压操作及执行机构、压油装置及其控制柜、测速装置及过速保护装置。 表2-2基本参数 转速死区 ＜0.03% 比例系数 Kp=0.01～35 积分系数 Ki=0.01～20 l/S 微分系数 Kd=0～5.0 S 永态转差系数 Bp＝0～10%（调整分辨率1%） 暂态转差系

26、数 Bt＝0～200%（调整分辨率1%） 积分时间常数 Td＝1～25S（调整分辨率1S） 加速度时间常数 Tn＝0～5S（调整分辨率0.1S） 电气开度限制范围 0～100% 测频范围 0～100 HZ 频率给定范围 45～55 HZ （调整分辨率0.01Hz） 频率死区范围 0～1.0 HZ（调整分辨率0.01Hz） 额定电压 AC 380 V 额定电流 10 A 2.4油压装置的选择 油压装置分为分离式和组合式，本电站选择分离式，即压力油箱与会油箱分开。额定压力为4.0MPa，压力槽容积分为两大部分：空气所占的部分，约为2/3，其余为油。 ①油压

27、装置的选择 本电站油压装置额定油压选取40kg/cm2 查《水力机电设计手册》P291表6-12按相关计算式分别计算： ②压力油罐容积的计算 其中：——导水机构接力器总容积（m）； Z——接力器往返行程次数； ——关闭过程时间（s）； ——一台油泵输油量（m）； q——调速器系统总漏油量（m）； ③油泵输油量的计算： 查《水力机电设计手册》P291式（6-15）知，对混流式有: 压力油罐容积的计： V0=VT+Vsg+VK+∆Vy=0.0732+1.009+1.329+0.289=2.70 m3 其中：——压

28、力油罐总容积（m）； ——调整过程所需容积（m）； ——事故停机过程所需容积（m）； ——压力油罐所需空气容积（m）； ——事故关闭后的余存容积（m） 根据计算结果查《水力机电设计手册》P293选取一台YS-4型油压装置。 表2-3 YS-4系列油压装置相关参数表 数据 YS-4型油压装置 压力油罐 油罐容积 （m3） 4 罐内油体积 （m3） 1.4 油罐重量 (kg) 2820 油罐及装油重量 (kg) 4080 回油箱 油箱容积 （m3） 4 油箱内油体积 （m3） 2 油箱重量

29、 (kg) 3010 回油箱及装油重量 (kg) 5410 油泵电动机 型号 Jo2-72-2 电压 (V) 220/380 功率 (kw) 30 转速 (rpm) 2940 参考文献 [1] 程远楚，张江滨. 《水轮机自动调节》. 北京：中国水利水电出版社 [2] 于波，肖惠民. 《水轮机原理与运行》. 北京：中国电力出版社 [3]《水电站机电设计手册》 （水力机械）. 北京：中国水利电力出版社 [4]《水力发电厂机电设计技术规范》（试行） SDJ173-85 [5]《水利水电工程初步设计报告编制规程》DL5021-93 [6]《小型水力发电站设计规范》（试行）SL71-84 [7]《电力技术标准汇编》（水电水利与新能源部分第9册 机电设计）