水輪機調(diào)節(jié)課程設(shè)計完整版[共29頁]

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1、 水輪機調(diào)節(jié)課程設(shè)計 課程設(shè)計 題目： 《水輪機調(diào)節(jié)》 水輪機調(diào)節(jié)保證計算以及調(diào)速設(shè)備選型 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 班 級: 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 年 月 題目 《水輪機調(diào)節(jié)》 水輪機調(diào)節(jié)保證計算以及調(diào)速設(shè)備選型 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 班 級： 所

2、在院(系): 指導(dǎo)教師： 完成日期: 水輪機調(diào)節(jié)課程設(shè)計 目錄 1 基本數(shù)據(jù) 4 1.1 基本資料 4 1.2 確定計算標(biāo)準(zhǔn) 4 1.3 確定計算工況 5 1.4 計算確定有關(guān)參數(shù) 6 1.5 初選導(dǎo)葉直線關(guān)閉時間 12 1.6 判斷水擊類型 13 1.7 進行直線關(guān)閉時間水擊計算 13 1.8 計算最大轉(zhuǎn)速上升率 17 1.9按最大水頭計算蝸殼內(nèi)的最大壓力上升值 19 1.10 綜合比較選定 21 2 調(diào)節(jié)設(shè)備選型 23 2.1調(diào)速器的計算 23 2.2 調(diào)速器選擇 23 2.3主配

3、壓閥的選擇 25 2.4油壓裝置的選擇 26 參考文獻(xiàn) 28 1 基本數(shù)據(jù) 1.1 基本資料 F水電站以發(fā)電為主。電站建成后并入系統(tǒng)運行，擔(dān)負(fù)系統(tǒng)峰荷，并有調(diào)相任務(wù)。水電站設(shè)計保證率為96%；水能開發(fā)方式為有壓引水方式，采用左岸地下式廠房方式。 總裝機容量：560MW 特征水位： 校核洪水位：390.43m 設(shè)計洪水位：389.90m 正常蓄水位（正常運行最高水位）：389.90m 死水位：388.70m 水庫調(diào)節(jié)特性：季調(diào)節(jié) 水能規(guī)劃參數(shù)：Hmax=78.9m， Hmin=55.07m， Hav=71.43m， Hr=68m

4、壓力鋼管長度： 120m 水輪機型號：HL220-LJ-500 水輪機額定參數(shù)：額定出力P=14500KW 額定轉(zhuǎn)速 飛逸轉(zhuǎn)速 吸出高度 設(shè)計流量 1.2 確定計算標(biāo)準(zhǔn) 在調(diào)整保證計算中，根據(jù)《水輪機自動調(diào)節(jié)》P220-221，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(biāo)準(zhǔn)。 (1)甩負(fù)荷過程機組最大轉(zhuǎn)速上升相對值為： 式中：為甩負(fù)荷前機組的轉(zhuǎn)速，；是甩負(fù)荷過程中產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)速，?！端C電設(shè)計手冊》P207中規(guī)定機組甩負(fù)荷時最大速率上升在一般情況下不大于55%，大于此值要論證。 (2)甩負(fù)荷過程中最大壓力上升值為： 式中：為甩負(fù)荷過程

5、中產(chǎn)生的最大壓力，m；為甩負(fù)荷前水電站靜水頭，m。 (3)規(guī)范中規(guī)定甩全負(fù)荷時，有壓過水系統(tǒng)允許的最大壓力上升率一般不應(yīng)超過表1的數(shù)值。 表1-1最大壓力升高限值表 電站設(shè)計水頭（m） <40 40—100 >100 蝸殼允許最大壓力上升率 70%—50% 50%—30% <30% (4)尾水管真空值不超過8—9m水柱。增負(fù)荷時。過水壓力系統(tǒng)任何一段不允許發(fā)生真空。在沒有特殊要求下，調(diào)節(jié)保證計算只對兩個工況進行，即計算設(shè)計水頭和最高水頭甩全負(fù)荷時的壓力上升和速率上升，并去其大者，一般在前者發(fā)生最大速率升高，在后者發(fā)生最大水壓升高。 1.3 確定計算工況 參考設(shè)計任務(wù)書

6、知： a.額定水頭，額定出力工況，此時甩負(fù)荷一般出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)速上升。 b.最大水頭，額定出力工況，此時甩負(fù)荷一般出現(xiàn)最大水壓上升。 對兩種工況進行調(diào)節(jié)保證計算，當(dāng)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 計算確定有關(guān)參數(shù) 參考《課程設(shè)計指導(dǎo)書》進行相關(guān)計算式計算： (1)各工況下的和 a.尾水管的和 根據(jù)《水電站機電設(shè)計手冊》（水力機械）分冊表2-17查得混凝土推薦的尾水管尺寸表及混凝土標(biāo)準(zhǔn)肘管尺寸表以及《水輪機原理》課程設(shè)計尾水管數(shù)據(jù)，通過該表計算得出尾水管的基本尺寸如表2、表3中所示： 表1-2混凝土推薦的尾水管尺寸表

7、 肘管型式 適用范圍 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混凝土標(biāo)準(zhǔn)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計算尾水管的當(dāng)量長度 錐管高度，軸管中心線長度，擴散管長度。 尾水管當(dāng)量管的長度 ②計算尾水管的當(dāng)量過流面積 參數(shù) 參數(shù) 由，且，得參數(shù) 尾

8、水管的當(dāng)量過流面積 ③計算尾水管的平均流速 由得 因此， b.蝸殼的和 ①計算蝸殼當(dāng)量管的長度 本電站采用金屬蝸殼，蝸殼斷面為圓形，當(dāng)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。 根據(jù)水頭查《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(guān)系曲線取得:，則: 進口斷面平均流速 進口斷面半徑 據(jù)《水電站機電設(shè)計手冊》（水力機械）分冊P128表2-16的金屬蝸殼尺寸系列，知，， 蝶形邊半徑 進口斷面中心到水輪機軸的距離 固定導(dǎo)葉外切圓半徑 蝸殼系數(shù)

9、 蝸殼中心線的長度 蝸殼當(dāng)量管的長度 ②計算蝸殼當(dāng)量管的面積 參數(shù) 參數(shù) 參數(shù) 參數(shù) 參數(shù) 蝸殼當(dāng)量管的面積 ③計算蝸殼的平均流速 由得 因此， c水流慣性時間常數(shù) 查《水輪機調(diào)節(jié)》P222知： 2臺機組的一樣大，故只計算機來計算單管的 表1-4計算結(jié)果 長度 面積 流量 流速 LV () 蝸殼 14.5 46.73 227 4.86 70.47 尾水管 28.49 42.52 227 5.33 151.8

10、5 壓力水管 120 78.54 227 1.15 380.47 d.機組慣性時間常數(shù) ①估算: 查《水電站機電設(shè)計手冊》（水力機械）P164式（3-2~3-7）知可按照下列相關(guān)公式進行估算： （1）極距τ（cm）和飛逸速度Vf的確定 14.41cm 式中: P—為發(fā)電機磁極對數(shù)，可從《水輪機原理》P268查得P=38 K—系數(shù)8～10，取9 由上式計算出后，校核發(fā)電機在飛逸狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子的飛逸線速度Vf是否在轉(zhuǎn)子材料的允許范圍內(nèi)： （2）定子內(nèi)徑的確定 （3）定子長度lt(cm)的計算 式中C—發(fā)電

11、機利用系數(shù)，（ 查《水電站機電設(shè)計手冊》P160表3-5?。? (4) 定子鐵芯外徑 當(dāng)時, 當(dāng) 此時： =K2Di3.5lt=5.24.723.511.21=13400 ②計算 e.水擊波速 ① 計算管壁厚度 按《水輪機機電設(shè)備設(shè)計手冊》 （水力機械）分冊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，通常在～的范圍內(nèi)，取，壓力管管道直徑為6m,帶入計算有： ② 計算水擊波速 查《水力機電設(shè)計手冊》P207式（5-1）知水擊波速相關(guān)計算式： 取，，得： a=14251+E0DEδ=14252.11000062.11000000

12、0.12=950 m/s 1.5 初選導(dǎo)葉直線關(guān)閉時間 查《水力機電設(shè)計手冊》P212知：導(dǎo)葉的直線關(guān)閉時間Ts一般取5～10s,對大容量機組可取到15s.，此處導(dǎo)葉最小關(guān)閉時間分別取3s、6s、9s、12s進行計算。 計算按蝸殼允許的最大暫態(tài)壓力值 取，則 = 由于最大水頭帶滿負(fù)荷時的導(dǎo)葉開度較設(shè)計水頭的小，故其關(guān)閉時間Tf可按下面的經(jīng)驗公式確定： TF=α0Mα0maxTf 1.6 判斷水擊類型 查《水輪機調(diào)節(jié)》P226知： ① 計算壓力輸水管的平均流速 ② 壓力上升值計算 確定壓力水管特性系數(shù) 確定水管特性系

13、數(shù) 確定水擊相長 由于采用的導(dǎo)葉直線關(guān)閉時間均大于，發(fā)生間接水擊。對于甩全負(fù)荷，則，故最大水擊出現(xiàn)在末相。 1.7 進行直線關(guān)閉時間水擊計算 查《水力機電設(shè)計手冊》P213~214按計算式進行相關(guān)計算： （1）初選，則 水管特性系數(shù) 引水管道內(nèi)壓力升高率 引水管道內(nèi)壓力升高率的修正值 蝸殼內(nèi)壓力上升率 蝸殼內(nèi)壓力上升值 尾水管內(nèi)的壓力降低率 尾水管內(nèi)的壓力降低值 出現(xiàn)壓力降低時尾水管的真空值 （2）初選，則 管特性系數(shù) 引水管道內(nèi)壓力升高率 引水管道內(nèi)壓力

14、升高率的修正值： 蝸殼內(nèi)壓力上升率 蝸殼內(nèi)壓力上升值 尾水管內(nèi)的壓力降低率 尾水管內(nèi)的壓力降低值 出現(xiàn)壓力降低時尾水管的真空值 （3）初選，則 管特性系數(shù) 引水管道內(nèi)壓力升高率 引水管道內(nèi)壓力升高率的修正值： 蝸殼內(nèi)壓力上升率 蝸殼內(nèi)壓力上升值 尾水管內(nèi)的壓力降低率 尾水管內(nèi)的壓力降低值 出現(xiàn)壓力降低時尾水管的真空值 （4）初選，則 管特性系數(shù) 引水管道內(nèi)壓力升高率 引水管道內(nèi)壓力升高率的修正值： 蝸殼內(nèi)壓力上升率 蝸

15、殼內(nèi)壓力上升值 尾水管內(nèi)的壓力降低率 尾水管內(nèi)的壓力降低值 出現(xiàn)壓力降低時尾水管的真空值 列出計算結(jié)果如下： 表1-5壓力上升（或下降）值計算成果表 蝸殼內(nèi)壓力上升 尾水管壓力下降 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 計算最大轉(zhuǎn)速上升率 查《水力機電設(shè)計手冊》P217接力器不動時間：Tq與甩前負(fù)荷大小有關(guān)，一般要求在甩25%負(fù)荷后接力器不動時間不大于0.2～0.3s,甩全負(fù)荷時，由于機組轉(zhuǎn)速增長快，Tq要小一些，在計算甩全負(fù)荷時可取0.1～0.3s。 此處Tq取0.3s。 查《水力機電設(shè)計手冊》P218~220按公式進行相關(guān)計算： 其中： 機組慣性時間常數(shù): 參數(shù)： ne=n1fn1=133125=1.064 式中：n1f—

17、甩負(fù)荷時初始單位轉(zhuǎn)速（rpm） n1—單位飛逸轉(zhuǎn)速 （rpm） （1） 初選，則 由，解得 βmax=1.1β=1.10.38=0.361 （2） 初選，則 由，解得 （3）初選，則: 由，解得 （4）初選，則 由，解得 列出計算結(jié)果如下： 表1-6轉(zhuǎn)速上升值計算成果表 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 根據(jù)導(dǎo)葉直線關(guān)閉時間下的蝸殼壓力上升值、尾水管壓力下降值以及轉(zhuǎn)速上升值進行比較。初步選定，此時。 1.9按最大水頭計算蝸殼內(nèi)的最大壓力上升值 (1) 計算最大水頭下的流量 (2) 計算平均流速 長度 面積 流量 流速 LV() 蝸殼 14.5 46.73 227 4.86 70.47 尾水管 28.49 42.52 227 5.33 151.85

19、壓力水管 120 78.54 227 1.15 380.47 (3) 水流慣性時間常數(shù) 查《水輪機調(diào)節(jié)》P222知： Tw=LVgHmax=602.799.8178.8=0.91s (4) 確定在最 間 查《水力機電設(shè)計手冊》P212知： 式中：α0—設(shè)計水頭下帶額定負(fù)荷時的導(dǎo)葉高度（mm） α0max—最大水頭下帶額定負(fù)荷時的導(dǎo)葉開度（mm） 最高水頭下： Q11=9.81D2Hmax2/3P=9.815278.82/313400=1.126 額定水頭下： Q11=9.81D2Hmax2/3P=9.815278.6882

20、/313400=1.107 根據(jù)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速、流量值查閱水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線即可得到相應(yīng)的導(dǎo)葉開度值。 (5) 確定管道特性參數(shù) 查《水輪機調(diào)節(jié)》P226知按如下計算式分別計算： 確定壓力水管特性系數(shù): 確定水管特性系數(shù): (6) 壓力上升計算: 由ρτ0=1.69，查《水輪機調(diào)節(jié)》P225圖7.3水擊類型判別圖知最大水擊壓力發(fā)生在末相。 由于，＜，故此關(guān)閉規(guī)律符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。 由此選，此時，=89.49m 1.10 綜合比較選定 按相關(guān)計算后得出計算結(jié)果如下表所示，當(dāng)選定導(dǎo)葉直線關(guān)閉時間為3s時，符合計算標(biāo)準(zhǔn)。 表1

21、-7計算結(jié)果統(tǒng)計表 相關(guān)資料 相關(guān)計算量 實際計算值 實際標(biāo)準(zhǔn)值 蝸殼壓力上升率 31.8% 30%~50% 機組最大轉(zhuǎn)速上升率 36% ≤55% 尾水管真空度 8.18 ≤9m 28 2 調(diào)節(jié)設(shè)備選型 2.1調(diào)速器的計算 調(diào)速器工作容量的選擇 調(diào)節(jié)功的計算 查《水輪機調(diào)節(jié)》P239按相關(guān)計算式計算： 中小型反擊式水輪機調(diào)節(jié)功的計算： ～～＞、 根據(jù)《水輪機調(diào)速器及油壓裝置系列型譜標(biāo)準(zhǔn)》JB T 7072-2004表1知：按下列分類知此調(diào)速器屬大型調(diào)速器，則要分別選擇接力器、調(diào)速器、和油壓裝置。 表2-1調(diào)速器分類表 小型調(diào)速

22、器 中型調(diào)速器 大型調(diào)速器 接力器調(diào)速功(W) 范圍 () W≤1000kg.m 1000kg.m≤w≤7500kg.m w≥7500kg.m 2.2 調(diào)速器選擇 查《水輪機調(diào)速系統(tǒng)選型及ＰＩＤ正交優(yōu)化設(shè)計》知： 對于PID調(diào)速器，由橫田浩推導(dǎo)公式得調(diào)速器參數(shù)為： 根據(jù)《水輪機調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件》GBT9652.1-2007-T，微機調(diào)速器（并聯(lián)PID）的調(diào)節(jié)參數(shù)和調(diào)整范圍為： 比例增益:0.5-20倍；積分增益：0-10(1/s)；微分增益：0-5.0(s)。 采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)速器，由水電站機電設(shè)計手冊-水力機械P

23、-286，6-11公式得調(diào)速器參數(shù)為： Tn=0.5TW=0.50.91=0.46 大型調(diào)速器容量的計算： 查《水輪機調(diào)節(jié)》P239-242按計算式計算： ①主配壓閥直徑的選擇 調(diào)速器初步選擇主配壓閥直徑時，按下式計算 按計算結(jié)果選取與系列直徑相近且偏大的主配壓閥直徑。 ②導(dǎo)葉接力器的容積計算 取油壓裝置額定壓力為4Mpa，采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)水機構(gòu)并用兩個單缸接力器操作時，每個接力器的直徑dc可近似按下式計算： 其中：導(dǎo)葉數(shù)z由《水輪機原理與運行》p123表7-1得z=24，再由《水輪機調(diào)節(jié)》P240表7.4得：=0.03，由《水輪

24、機原理與運行》p68,表4-1取0.26。 當(dāng)油壓裝置的額定油壓為4.0MPa，則接力器直徑為： 查《水力機電設(shè)計手冊》P254表6-5選取導(dǎo)葉接力器直徑550mm。 查《水力機電設(shè)計手冊》P254知接力器最大行程Szmax可按經(jīng)驗公式求?。? Szmax=0.036~0.072D1=180~360mm 按上式取Szmax=180mm。 查《水力機電設(shè)計手冊》P255雙直缸接力器的總?cè)莘e： 2.3主配壓閥的選擇 初步選擇主配壓閥直徑時，查《水力機電設(shè)計手冊》P253式（6-3）知可按下式計算： 式中：V—導(dǎo)水機構(gòu)或折向器接力器的總?cè)莘e(m3) v—管路

25、中油的流速，一般取v≤4~5ms此處去4m/s Ts—接力器關(guān)閉時間（s） 參照BWT系列微機調(diào)速器技術(shù)說明書選取主配壓閥標(biāo)準(zhǔn)直徑為80mm。 根據(jù)調(diào)速器參數(shù)和調(diào)節(jié)功調(diào)范圍參考BWT系列微機調(diào)速器技術(shù)說明書，選擇BWT-80型調(diào)速器。調(diào)速器系統(tǒng)主要由下列四大部分組成：調(diào)速器電氣柜、機械液壓操作及執(zhí)行機構(gòu)、壓油裝置及其控制柜、測速裝置及過速保護裝置。 表2-2基本參數(shù) 轉(zhuǎn)速死區(qū) ＜0.03% 比例系數(shù) Kp=0.01～35 積分系數(shù) Ki=0.01～20 l/S 微分系數(shù) Kd=0～5.0 S 永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù) Bp＝0～10%（調(diào)整分辨率1%） 暫態(tài)轉(zhuǎn)差系

26、數(shù) Bt＝0～200%（調(diào)整分辨率1%） 積分時間常數(shù) Td＝1～25S（調(diào)整分辨率1S） 加速度時間常數(shù) Tn＝0～5S（調(diào)整分辨率0.1S） 電氣開度限制范圍 0～100% 測頻范圍 0～100 HZ 頻率給定范圍 45～55 HZ （調(diào)整分辨率0.01Hz） 頻率死區(qū)范圍 0～1.0 HZ（調(diào)整分辨率0.01Hz） 額定電壓 AC 380 V 額定電流 10 A 2.4油壓裝置的選擇 油壓裝置分為分離式和組合式，本電站選擇分離式，即壓力油箱與會油箱分開。額定壓力為4.0MPa，壓力槽容積分為兩大部分：空氣所占的部分，約為2/3，其余為油。 ①油壓

27、裝置的選擇 本電站油壓裝置額定油壓選取40kg/cm2 查《水力機電設(shè)計手冊》P291表6-12按相關(guān)計算式分別計算： ②壓力油罐容積的計算 其中：——導(dǎo)水機構(gòu)接力器總?cè)莘e（m）； Z——接力器往返行程次數(shù)； ——關(guān)閉過程時間（s）； ——一臺油泵輸油量（m）； q——調(diào)速器系統(tǒng)總漏油量（m）； ③油泵輸油量的計算： 查《水力機電設(shè)計手冊》P291式（6-15）知，對混流式有: 壓力油罐容積的計： V0=VT+Vsg+VK+?Vy=0.0732+1.009+1.329+0.289=2.70 m3 其中：——壓

28、力油罐總?cè)莘e（m）； ——調(diào)整過程所需容積（m）； ——事故停機過程所需容積（m）； ——壓力油罐所需空氣容積（m）； ——事故關(guān)閉后的余存容積（m） 根據(jù)計算結(jié)果查《水力機電設(shè)計手冊》P293選取一臺YS-4型油壓裝置。 表2-3 YS-4系列油壓裝置相關(guān)參數(shù)表 數(shù)據(jù) YS-4型油壓裝置 壓力油罐 油罐容積 （m3） 4 罐內(nèi)油體積 （m3） 1.4 油罐重量 (kg) 2820 油罐及裝油重量 (kg) 4080 回油箱 油箱容積 （m3） 4 油箱內(nèi)油體積 （m3） 2 油箱重量

29、 (kg) 3010 回油箱及裝油重量 (kg) 5410 油泵電動機 型號 Jo2-72-2 電壓 (V) 220/380 功率 (kw) 30 轉(zhuǎn)速 (rpm) 2940 參考文獻(xiàn) [1] 程遠(yuǎn)楚，張江濱. 《水輪機自動調(diào)節(jié)》. 北京：中國水利水電出版社 [2] 于波，肖惠民. 《水輪機原理與運行》. 北京：中國電力出版社 [3]《水電站機電設(shè)計手冊》 （水力機械）. 北京：中國水利電力出版社 [4]《水力發(fā)電廠機電設(shè)計技術(shù)規(guī)范》（試行） SDJ173-85 [5]《水利水電工程初步設(shè)計報告編制規(guī)程》DL5021-93 [6]《小型水力發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》（試行）SL71-84 [7]《電力技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)匯編》（水電水利與新能源部分第9冊 機電設(shè)計）