水轮机选型
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《水 电 站》
2009年2月 年 月
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》http://sdz.zjwchc.com/
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, 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, 响电站的投资,制造,运输,安装,安全运行, 经济效益. 经济效益. 根据H, 的范围选择水轮机 的范围选择水轮机是水电站主要 根据 ,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, 设计任务之一,目标是使水电站充分利用水能, 充分利用水能 安全可靠运行. 安全可靠运行.
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 选择水轮机型式(型号) 3. 确定水轮机参数D1,n,Hs,Za;Z0,d0 确定水轮机参数D 4. 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 确定蜗壳,尾水管的形式及其尺寸, 的重量和价格. 的重量和价格.
410 900
450 950
500 1000
550
600
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700
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说明:括号内的数字表示仅适用于轴流式水轮机. 说明:括号内的数字表示仅适用于轴流式水轮机.
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三,水轮发电机标准同步转速
磁极对数
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五,水轮机型号及主要参数的确定 特征水头(H 依据: 依据:N单,特征水头 max,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. 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 一定的使用范围,根据电站运行水头的范围, 查系列型谱,确定水轮机的型号. 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. 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. 这种方法有时难以获得最优设计效果.
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3,机组台数与运行效率的关系 , Z0↑→平均效率 平均效率↑ 平均效率 (1) 担任基荷时:出力变化小,流量变化稳定,可用 担任基荷时:出力变化小,流量变化稳定, 较少的台数, 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. 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 担任峰荷时:出力变化幅度大, 台数,以增加其运行灵活性,提高整体运行效率. 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 对于轴流定浆和混流式水轮机, 台数,而对于轴流转浆式水轮机因其调节性能好, 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. 可以选用较少的机组.
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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 已知总装机容量 , 不同, 均不同. 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 一定, 尺寸( 尺寸 制造运输容 造价高(单位千瓦耗材多 易→造价高 单位千瓦耗材多,制造量大 . 造价高 单位千瓦耗材多,制造量大). 所以一般选用较大的N 所以一般选用较大的 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, 单位千瓦投资↑→阀门 调速,管道,辐设, 阀门, 单位千瓦投资 电气等增加→厂房尺寸增加 厂房尺寸增加. 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 尾水管高度低→开挖少 尾水管高度低 开挖少→投资少
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4 750 18 166.7 36 83.3
5 600 20 150 38 79
7 428.6 22 136.4 40 75
8 375 24 125 42 71.4
9 333.3 26 115.4 44 68.2
10 300 28 107.1 48 62.5
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二,水轮机转轮标称直径系列(cm) 水轮机转轮标称直径系列
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同步转速n 同步转速 1000 磁极对数 16
同步转速n 同步转速 187.5 磁极对数 同步转速n 同步转速 34 88.2
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四,水轮机系列应用范围图
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6. 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 根据选定的水轮机型式和参数, 型式和参数 结构上,材料,运行等方面的要求, 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 厂家提出制造任务书,最终双方共同商定机组 制造任务书 共同 的技术条件,作为进一步设计的依据. 的技术条件,作为进一步设计的依据.
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三,所需要的有关资料
1. 水轮机产品技术资料:系列型谱,生产厂家,产品目 水轮机产品技术资料:系列型谱,生产厂家, 模型综合特性曲线. 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 水电站技术资料:河流梯级开发方案, 水电站布置方案,地形,地质,水质,泥沙情况, 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: 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. 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 水电站有关经济资料:机电设备价格,工程单价, 运行费等. 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 电力系统资料:系统负荷构成, 方式等. 方式等.
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4,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, 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, 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. 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 较少的台数, 总之,一般应采用较大的 一般至少应选2台 少数情况下可选1台 一般至少应选 台,少数情况下可选 台.中大型 电站一般选4~6台,根据机组的制造水平和装机 电站一般选 台 容量也可以选用更多的台数,如葛洲坝共21台 容量也可以选用更多的台数,如葛洲坝共 台, 装机2715MW,三峡 ×700共装机 共装机18200MW. 装机 ,三峡26× 共装机 .
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六,反击式水轮机主要参数的确定 确定了水轮机的型号后, 确定了水轮机的型号后,再计算水轮机的主 要参数: 要参数: 转轮直径D 转速n,吸出高Hs. 转轮直径 1,转速 ,吸出高 . D1,n应该满足:在Hr下,发出 ;在Hav时, 应该满足: 应该满足 下 发出Nr; 时 η最高. 最高. 最高 吸出高Hs应满足:防止水轮机汽蚀, 吸出高 应满足:防止水轮机汽蚀,开挖深 应满足 度合理. 度合理.
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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 有较好的能量特性, 定出力,额定水头以下的机组受阻容量小, 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. 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 性能要与水电站的整体运行方式和谐一致, 稳定,可靠灵活.有良好的抗空蚀和抗磨损性能, 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. 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. 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 选择生产实力强,制造技术水平高, 的制造厂商. 的制造厂商. 5. 考虑适度合理的经济节省原则. 考虑适度合理的经济节省原则.
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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, 年编制了反击式水轮机暂行系列型谱, 我国在 年编制了反击式水轮机暂行系列型谱 其中所列出的转轮, 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. 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. 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 轴流式,混流式, 型 型谱参数见表4-1~表4-5. 表 . 型谱参数见表
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2,专题研究法 , 对特别重要的工程或特别大型的水电站, 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, 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. 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, 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, 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, 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. 一般选用较大的直径.
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ZZ440系列水轮机应用范围 系列水轮机应用范围
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4,采用套用机组 , 根据目前国内设计,施工和运行的电站资料, 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, 适当,经济技术指标相近时, 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, 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. 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. 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, 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. 各参数之间的统计关系,再根据本电站的参数选择.
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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, 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, 响电站的投资,制造,运输,安装,安全运行, 经济效益. 经济效益. 根据H, 的范围选择水轮机 的范围选择水轮机是水电站主要 根据 ,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, 设计任务之一,目标是使水电站充分利用水能, 充分利用水能 安全可靠运行. 安全可靠运行.
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 选择水轮机型式(型号) 3. 确定水轮机参数D1,n,Hs,Za;Z0,d0 确定水轮机参数D 4. 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 确定蜗壳,尾水管的形式及其尺寸, 的重量和价格. 的重量和价格.
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说明:括号内的数字表示仅适用于轴流式水轮机. 说明:括号内的数字表示仅适用于轴流式水轮机.
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三,水轮发电机标准同步转速
磁极对数
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五,水轮机型号及主要参数的确定 特征水头(H 依据: 依据:N单,特征水头 max,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. 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 一定的使用范围,根据电站运行水头的范围, 查系列型谱,确定水轮机的型号. 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. 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. 这种方法有时难以获得最优设计效果.
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3,机组台数与运行效率的关系 , Z0↑→平均效率 平均效率↑ 平均效率 (1) 担任基荷时:出力变化小,流量变化稳定,可用 担任基荷时:出力变化小,流量变化稳定, 较少的台数, 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. 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 担任峰荷时:出力变化幅度大, 台数,以增加其运行灵活性,提高整体运行效率. 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 对于轴流定浆和混流式水轮机, 台数,而对于轴流转浆式水轮机因其调节性能好, 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. 可以选用较少的机组.
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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 已知总装机容量 , 不同, 均不同. 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 一定, 尺寸( 尺寸 制造运输容 造价高(单位千瓦耗材多 易→造价高 单位千瓦耗材多,制造量大 . 造价高 单位千瓦耗材多,制造量大). 所以一般选用较大的N 所以一般选用较大的 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, 单位千瓦投资↑→阀门 调速,管道,辐设, 阀门, 单位千瓦投资 电气等增加→厂房尺寸增加 厂房尺寸增加. 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 尾水管高度低→开挖少 尾水管高度低 开挖少→投资少
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14 214.3 32 93.8
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二,水轮机转轮标称直径系列(cm) 水轮机转轮标称直径系列
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同步转速n 同步转速 1000 磁极对数 16
同步转速n 同步转速 187.5 磁极对数 同步转速n 同步转速 34 88.2
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四,水轮机系列应用范围图
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6. 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 根据选定的水轮机型式和参数, 型式和参数 结构上,材料,运行等方面的要求, 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 厂家提出制造任务书,最终双方共同商定机组 制造任务书 共同 的技术条件,作为进一步设计的依据. 的技术条件,作为进一步设计的依据.
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三,所需要的有关资料
1. 水轮机产品技术资料:系列型谱,生产厂家,产品目 水轮机产品技术资料:系列型谱,生产厂家, 模型综合特性曲线. 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 水电站技术资料:河流梯级开发方案, 水电站布置方案,地形,地质,水质,泥沙情况, 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: 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. 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 水电站有关经济资料:机电设备价格,工程单价, 运行费等. 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 电力系统资料:系统负荷构成, 方式等. 方式等.
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4,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, 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, 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. 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 较少的台数, 总之,一般应采用较大的 一般至少应选2台 少数情况下可选1台 一般至少应选 台,少数情况下可选 台.中大型 电站一般选4~6台,根据机组的制造水平和装机 电站一般选 台 容量也可以选用更多的台数,如葛洲坝共21台 容量也可以选用更多的台数,如葛洲坝共 台, 装机2715MW,三峡 ×700共装机 共装机18200MW. 装机 ,三峡26× 共装机 .
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六,反击式水轮机主要参数的确定 确定了水轮机的型号后, 确定了水轮机的型号后,再计算水轮机的主 要参数: 要参数: 转轮直径D 转速n,吸出高Hs. 转轮直径 1,转速 ,吸出高 . D1,n应该满足:在Hr下,发出 ;在Hav时, 应该满足: 应该满足 下 发出Nr; 时 η最高. 最高. 最高 吸出高Hs应满足:防止水轮机汽蚀, 吸出高 应满足:防止水轮机汽蚀,开挖深 应满足 度合理. 度合理.
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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 有较好的能量特性, 定出力,额定水头以下的机组受阻容量小, 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. 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 性能要与水电站的整体运行方式和谐一致, 稳定,可靠灵活.有良好的抗空蚀和抗磨损性能, 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. 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. 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 选择生产实力强,制造技术水平高, 的制造厂商. 的制造厂商. 5. 考虑适度合理的经济节省原则. 考虑适度合理的经济节省原则.
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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, 年编制了反击式水轮机暂行系列型谱, 我国在 年编制了反击式水轮机暂行系列型谱 其中所列出的转轮, 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. 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. 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 轴流式,混流式, 型 型谱参数见表4-1~表4-5. 表 . 型谱参数见表
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2,专题研究法 , 对特别重要的工程或特别大型的水电站, 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, 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. 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, 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, 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, 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. 一般选用较大的直径.
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ZZ440系列水轮机应用范围 系列水轮机应用范围
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4,采用套用机组 , 根据目前国内设计,施工和运行的电站资料, 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, 适当,经济技术指标相近时, 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, 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. 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. 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, 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. 各参数之间的统计关系,再根据本电站的参数选择.