水轮机选型设计

1、目录第一章基本资料21.1 水轮机选择的内容2第二章水能计算与相关曲线的绘制 32.1 水能计算32.2 相关曲线的绘制7第三章机组台数和单机容量的确定 83.1 水轮机选型方案初定83.2 确定水轮机选型方案8第四章水轮机基本参数的计算 134.1 水轮机转轮直径的计算134.2 水轮机效率的计算134.3 水轮机转速的计算134.4水轮机设计流量的计算144.5水轮机几何吸出高度的计算144.6飞逸转速的计算16c第一章基本资料水轮机的选型是水电站设计中的一项重要任务。水轮机的型式与参数选择的是否合理，对于水电站的动能经济指标及运行稳定性、可靠性有重要的影响。水电站水轮机的选择工作，一般是

2、根据水电站的开发方式、动能系数、水工建筑物的 布置等，并参照国内已生产的水轮机转轮参数及制造厂的生产水平，拟选出若干个方案进 行技术经济的综合比较，最终确定水轮机的最佳型式与参数1.1水轮机选择的内容水轮机选型设计包括以下基本内容：（1）根据水能规划推荐的电站总容量确定机组的台数和单机容量；（2）选择水轮机的型号及装置方式；（3）确定水轮机的轮转直径、额定出力、同步转速、安装高程等基本参数；（4）绘制水轮机的运转特性曲线；（5） 确定蜗壳、尾水管的型式及它们的主要尺寸，以及估算水轮机的外形尺寸、重量和价格；（6）选择调速设备；（7）结合水电站运行方式和水轮机的技术标准，拟定设备订购技术条件；（

3、8）对电站建成后水轮机的运行、维护提出建议。第二章水能计算与相关曲线的绘制2.1水能计算根据所给原始资料，通过水能计算可以得到相应数据下的装机容量、发电量登各种参 数，并将所得数据记录于表2-1中。(1)水头HH=Hg-A h (2-1)式中 Hg水电站毛水头， m； h 水电站引水建筑物中的水力损失，m。将计算结果录入表 2-1第？列中。(2 )装机容量P和增加装机容量厶P由于同一组内流量不等，故应先按下列公式计算增加装机容量P ( Kw): P=A2 H (2-2)式中AA=9.81* a * 3 =8.2, a =95%, 3 =88%(a为发电机效率，B为水轮机效率)；3Q水轮机通过流

4、量，m / s ; H水电站相邻两组组末(工作)水头之差， m。将计算结果录入表 2-1第？列中第一组流量的装机容量为R=AQH=1271Kw。其后流量组的装机容量P ( Kw)按下式计算：R =+ P + R (2-3)式中 ii=2,3,4n(n N+);jj=i-1。将计算所得R值录入表2-1第？列中。(3)发电量E和累积发电量刀E发电量E (万Kw.h)按下列公式计算：E=RT*2410000 (2-4)式中 R装机容量，Kw;T该组流量的出现天数，天。将所得数据录入表 2-1第？列。累积发电量刀E (万Kw.h)按下式结算：刀 E = Ei + E (2-5)式中ii=1, 2,3,

5、4 n(n N+);jj=i+1。将所得数据录入表 2-1第？列。(4)年利用小时数T年利用小时T数按下式计算：T=E E /P*10000 (2-6)式中 刀E累积发电量，万Kw.h。P装机容量，Kw。所得数据录入表2-1第？列。这样经过水能计算，就得到了水电站不同流量下的各种参数。c?序 号流里分组Q（mA3/s）组 内 天 数频率（%）组 末 流 量出 现 天 数出现频 率（%前池水 位（m尾水位（m）水头 损失（m水头（m）装机容量P（kw）增加的装机 容量 P发电量 E（万 kwh）累积发电 量（万kwh）年利用小 时数T（h）152195.2152195.211855.81772.

6、52.580.836836.92650.2120.911722.93182.4表2-1 水能计算表c2.2相关曲线的绘制根据表2-1所得数据作出下列曲线:装机容一年利用小时数关系曲线100009DD0SDOO70DU6D0D5D004D003000ZD0D1000D05000 WOOD 1500020000250： 0300003500040( 00装机容童图2-1装机容量-年利用小时数关系曲线1DD80/D504C2C1JID2C3L频率流量关系曲线405060流品；）图2-2频率-流量关系曲线c第三章机组台数和单机容量的确定根据表2-1中所得装机容量，选取水电站装机容量为30000KW，查

7、图2-1得到对应的年利用小时数为3600h。3.1水轮机选型方案初定水电站水轮机组台数和单机容量初选为以下四种方案:万案-一-二二三四台数2334容量(KW1600013000*2 台、6000*1 台106678000表3-1水轮机初选方案表3.2确定水轮机选型方案由于各方案效率相差不大，故只需进行各方案的经济比较即可，包括计 算综合投资和年效益。根据表2-1水头数据作下列的特征水头表3-2，查 资料得中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表3-3。由于水电站水头范 围 为77.581.5m，因此选择H240/D41 型水轮机。H最大水头max81.5H i最小水头min77.5加权平均水头Ha

8、v79. 65设计水头Hr79.65表3-2水电站特征水头表转轮型号推荐使 用水头(m)最优工况限制工况n10Qo00Q1nsHL260/D7450-80791.0892.70.1231.24789.42610.143HL240/D4170-105770.9592.00.091.12387.62390.106表3-3中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表水轮机额定出力为：(3-1)Pr=PG/ g式中 PG发电机单机容量，Kw;发电机效率，其值为95%。取最优单位转速为77r/mi n 与出力限制线交点的单位流量作为设计工况单位流量Qir ,对应的模型效率 皿为0.894 ，暂取效率 修正值 为

9、0.02 ，则设计工况原型水轮机效率 =m+ ， 故水轮机的转轮直径为：Pr9. 81Q1rH5(3-2)式中 PG发电机单机容量，Kw；发电机效率，其值为95%。按照我国规定的转轮直径系列值，转轮直径取值比计算值大， 故进一位作为转轮直径。将计算结果录入表 3-4第列中。(2) 效率r式中 mo 模型水轮机效率，查表3-3得0.92 ；Dm 模型水轮机转轮直径， m ；D1原型水轮机直径，m。效率修正值rmax - m0 ；限制工况原型水轮机的效率为r= m+ 将计算结果录入表 3-4第列中。(3) 设计流量Q设计工况点的单位流量Q1r为：1rP9. 81 tD2H；.5(3-4)式中Pr水

10、轮机额定出力，Kw；式中E0水电站不 计流量损失的总发电量，万Kw.h ;(4)D1 原型水轮机直径，m ;H r 设计水位,则设计流量Q为:m。(3-5)式中Q11r 设计工况点的单位流量，m3 / s ；D1 原型水轮机直径，m ;H r 设计水位,m。将计算结果录入表 3-4第列中。不能利用流量所发电量E损由设计流量可得保证流量Q为Q- Q*65%(3-6)式中 Q设计流量，将计算结果录入表 3-4第列中。2-1可得相应流浪组内数据，则每组不能利用流量所发电量E损 i = P*T*24(3-7)式中 P增加装机容量，Kw;T组内天数，天。随后，可得不能利用流量（累积）所发电量E损：(3-

11、8)式中i i=1,2,3n (n N+);jj=i+1。最后采用直线内插法即可求得所选机组不能利用流量（累积）所发电量E损，并将计算结果录入表3-4第列中。注意，当组内机组保证流量不一致时，选择小的保证流量作为不可利用临界流量。年发电量E已知，水电站不计流量损失的总发电量为E0 =11722.9 万Kw.h ， 则水电站年发电量E为：(3-9)E 一 Eo- E损E损不能利用流量所发电量,万Kw.h。将计算结果录入表 3-4第列中。(6) 年产生效益W按市场价格，每度电为0.35元。则水电站年产生效益 W为：W=E *0.35 (3-10)式中 E 年发电量。所得数据录入表3-4第列中。(7

12、 ) 综合投资Z以三台机组为基准，每1Kw装机容量需投资4000元。机组台数 增加一台，综合投资增加25%;机组台数减少一台，综合投资减 少25%。由此，则有：三台机组综合投资：Z=4000*3200 万=12800 万元；两台机组综合投资：Z=12800 万*75%=9600 万元；四台机组综合投资：Z=12800 万*125%=16000 万元；将所得数据录入表3-4第列中。(8 ) 收回投资年数N收回投资年数N为：N=Z/W (3-11)式中Z水电站综合投资，万元；W年产生效益，万元。将所得数据录入表3-4第？列中。(9)方案比较并选择通过比较，可以发现方案二的年产生效益最高，投资也不高

13、。而 且，采用两大一小的机组，水电站调节、调度更加灵活，故采用 方案二，水 电站装设两台13000Kw 的大机组和一台6000Kw 的小 机组，总装机容量为32000Kw。?方 案装机 容量(Kw)转 轮 直 径D1(m)效 率r设计流量Q(m3/s)保证流量Q(m3/s)不能利 用流量 所发电 量(万Kw.h )年发电 量E(万Kw.h )产生 效益 W(万元)综合 投资 Z (万 元)收回投 资年数 N (年)-一-160001.60.9423.5615.31472.2311249.73937.496002.44-二二130001.40.9419.1712.46138.4411584.54

14、054.6128003.16c60001.00.948.895.78三106671.30.9415.7510.24274.0811448.94007.1128003.19四80001.10.9411.847.69189.2611533.74036.8160003.96表3-4 水轮机经济比较表c第四章水轮机基本参数的计算4.1水轮机转轮直径的计算水轮机额定出力为：Pr = PG / g(4-1)式中 PG发电机单机容量，Kw;g发电机效率，其值为95%。取最优单位转速为77r/min 与出力限制线交点的单位流量作为设计工 况单位流量Qir，对应的模型效率 m为0.894，暂取效率修正值厶 为0

15、.02 ，则设计工况原型水轮机效率 =m+ ，故水轮机的转轮直径为：DiPr 9. 81Q1rH；.5(4-2)式中 PG发电机单机容量，Kw；发电机效率，其值为95%。代入数据计算可得，大机组D1=1.38m，小机组D1 =0.96m。按照我国规定的 转轮直径系列值，转轮直径取值比计算值大，故转轮直径取为大容量机组Di =1.4m，小容量机组 D1 =1.0m。4.2水轮机效率的计算rmax = 1-( 1-m0)(4-3)式中 mo模型水轮机效率，查表3-3得0.92 ；Di m 模型水轮机转轮直径， m ；D1原型水轮机直径， m。效率修正值= rmax - m0，限制工况原型水轮机效率

16、r = m+ 代入数据计算可得，大容量机 组r =0.94，小容量机组 r =0.94。4.3水轮机转速的计算由模型综合特性曲线上查得n110 =77r/min 。则水 轮机转 速为：cn110 J HavnD14-4)代入数据得，大机组n=490.9 r/min ，小机组 （P为磁极对数），故取大容量机组n =500 r/minn=687.2 r/min 。实际中转速，小容量机组 n=750 r/mi nn=3000/2P。4.4水轮机设计流量的计算设计工况点的单位流量Q1r为：Q11r9. 81 tD2H；.54-5)式中Pr 水轮机额定出力，心；T限制工况原型水轮机效率；D1 原型水轮机

17、直径， m ；H r设计水位,m。则设计流量Q为:(4-6)式中Qnr 设计工况点的单位流量，m3 / s ；D1 原型水轮机直径，m ；H r 设计水位,m。代入数据得，大 容量机组Qr =19.17m3 / s，小容量机组 Qr =8.89 m /4.5水轮机几何吸出高度的计算max、H r、H min三个水头分别计算水轮机为使水轮机尽可能不发生空化，取H的允许吸出高度，以其中的最小值作为最大允许吸出高度。为此，进行如下计算: 计算 H max、Hr、H min大容量机组（13000Kw）nD（maxmax :n11 minr :n11r500min : n11 max.HrnH-min所

18、对应的单位转速n 115001.477. 54( r / min).81.5* 1.478. 43( r / min)、79. 65500 * 1.4一79. 51 r / min).77. 5小容量机组（6000KW）max:n11 minnHmax7501.083. 08； r / min).81.5cn0n11 r750 J。84.04(r/min).79. 65(2)min:n11 maxn0.Hmin沪85.19( r / min)确定各水头水头所对应的出力限制工况点的单位流量Q11大容量机组（13000KW）Q11 max =1.12H min :取n11max与出力限制线交点处单

19、位流量,Hr : Q1 1 r =1.10H max :Q11 minQ11 min小容量机组（6000Kw）HminQ11 max =1.10Pr9.81 TD12H；ax513000/0. 959. 81 * 0. 94 * 1 . 4 281 . 51.5.03Q11 r =1.00maxQ11 minPr9. 81 t D12 H max5Q11 min6000/ 0. 959. 81 * 0. 94 * 1 . 0281 . 51. 50. 94（3）用（1 ）、（2）中计算的对应工况点从模型综合特性曲线上分别查出Hmax空化系数大机组（13000KW）小机组（6000Kw）H i1

20、 1 min0.1050.110Hr0.1000.100H厂1 max0.0900.090Hr、H min所对应的模型空化系数，分别为:表4-1水轮机空化系数表（4）分别用查到的空化系数计算Hmax、H r、 H min对应的吸出高度计算式：H s 10- E / 900（ M）查空化系数修正曲线得，=0.02 大容量机组(13000KW)H max : Hs =10-1773/900-(0.090+0.02)*81.5= -0.94(m)Hr : H s =10-1773/900-(0.100+0.02)*81.5= -1.53(m)H min : Hs =10-1773/900-(0.10

21、5+0.02)*81.5= -1.66(m) 小容量机组(6000KW)H max : H s =10-1773/900-(0.090+0.02)*81.5= -0.94(m)H r : H s =10-1773/900-(0.100+0.02)*81.5= -1.53(m)H min : Hs =10-1773/900-(0.110+0.02)*81.5= -2.05.(m)从三个吸出高度计算值中取最小值，再留一定的余量，取最大允许吸出高度大容量机组H s = -2m ;小容量机组 H s = -3m。4.6飞逸转速的计算由HL240/D41的模型飞逸特性曲线上查得在最大导叶开度下（aoM2

22、4）单位飞逸转速，故水轮机的飞逸转速为nR 大容量机组：nRn11Rn11RHmaxD1己 HmaxD1146. 7 *81.5146. 7 *1. 481. 51.0946. 0( r / min)1324. 4( r / min)机组 容量（Kw）转轮 直径（m）效率转速（r / min）设计流 量（m / s）吸出 高度（m）飞逸转速（r / min）130001.40.9450019.17-2946.060001.00.947508.89-31324.4 小容量机组：将选定方案（方案二）中两种机组的水轮机基本参数列于下表（表4-2 )中。表4-2水轮机基本参数表c第五章 水轮机运转综合

23、特性曲线的绘制5.1等效率线的绘制（1）在水轮机工作水头范围（H max H min ）内取若干个间隔均匀的水头（应包括H max、H r、H min ，一般去、取45个），分别计算出各水头对应的单位转速n “ i ，在模型综合特性曲线上以各值作水平线于模型的等效率线相交于一系列点，将各点的M换算成 T，同时计算出各点的出力P，作效率特性曲线f （ P ）。大容量机组（13000KW）如图5-1所示；小容量机组（6000KW）如图5-2所示。大容呆机组（13000KwJ 率特性曲线P|KwJ图5-1大容量机组（13000KW）等效率特性曲线图小容呈机纽（6000KW）等效率特性曲线图5-2小容

24、量机组（6000KW）等效率特性曲线图（2） 在曲线f （ P ）上，以某效率值作水平线与各f （ P ）曲线相交，找出各点的H , P值。（3）作PH坐标，并在其中绘出计算中选取的水头值的水平线，将（2）中所得的各交点按其H,P值点到PH坐标中，连接各点即得到某值的等效率线。大容量机组（13000KW）等效率线如图 5-3所示；小容量机组（6000KW）等效率线如图5-4所示。大容量机组（13000KW）等效率线壬75554 DOO60008(X)01000012D001000160DDP(Kw图5-3大容量机组(13000KW)等效率线图5-4小容量机组（6000KW）等效率线5.2出力限

25、制线线的绘制出力限制线表示水轮机在不同水头下可以发出或允许发出的最大出力，受发电机的额定容量限制。实际的出力限制线以设计水头H r为界分为两部分。在H min与H r之间的出力限制线一般由模型综合特性曲线的5%出力限制线换算而得到，通常在模型水轮机的出力限制线上取若干点，根据各点的效率、单位流量经相似计算求出对应的水头H与出力P，将这些点绘到PH坐标中并连成光滑曲线即Hmin H r范围的出力限制线。 为了计算简便，本例仅择两个水头（ Hmin、H r ）分别计算出其最大允许出力，然后过两点连 一直线，以此作为H=Hr时，水轮机出力由发电机的出力来限制，即P=Pr。大容量机组（13000KW）出力限制线如图 5-5所示；小容量机组（6000KW）出力限制线如图 5-6所示。大容歆机组（13000KW）出力限制线图5-5大容量机组（13000KW）出力限制线P（Kw）图5-6小容量机组（6000KW）