6_水轮机特性与特性曲线2

1、第六章第六章 水轮机选型水轮机选型 水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影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。 根据根据H、N的范围选择水轮机的范围选择水轮机是水电站主要是水电站主要设计任务之一，目标是使水电站设计任务之一，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。 一、选型的一般原则一、选型的一般原则电站的水轮机选型是复杂的电站的水轮机选型是复杂的系统工程系统工程，对工程，对工程的的综合效益综合效益有重大影响有重大影响主要的技术经济因素：主要的技术经济因素：工

2、程的综合利用：发电、航运、防洪、灌溉、养殖、旅游工程的综合利用：发电、航运、防洪、灌溉、养殖、旅游机组：效率、空化、稳定性、尺寸、价格机组：效率、空化、稳定性、尺寸、价格土建：工程造价、施工难度、工期土建：工程造价、施工难度、工期制造：设计、毛坯、加工制造：设计、毛坯、加工运输：运输：安装：安装：（一）水轮机选型的原始资料 1 1）水电站的水头和流量：）水电站的水头和流量：H Hmaxmax、H Hminmin：运行范围内的最大与最小水头；：运行范围内的最大与最小水头；设计水头设计水头H Hd d：最高效率点的净水头；：最高效率点的净水头；额定水头额定水头H Hr r：能发出额定功率的最小净水

3、头；：能发出额定功率的最小净水头；加权平均水头加权平均水头H Hw w，加权平均值；，加权平均值；最大流量最大流量q qVmaxVmax：流经电站的流量的最大值；：流经电站的流量的最大值；额定流量额定流量q qVrVr：额定水头、转速，功率时的流量。：额定水头、转速，功率时的流量。2）上下游水位标高（海拔高程）。）上下游水位标高（海拔高程）。3）水电站的装机容量，机组台数，及初步选择）水电站的装机容量，机组台数，及初步选择的水轮机转轮型号、参数、直径和转速。的水轮机转轮型号、参数、直径和转速。4）调节保证要求值。）调节保证要求值。5）水电站的水质资料，如河流含砂量及砂粒大）水电站的水质资料，如

4、河流含砂量及砂粒大小等。小等。6）水轮机输水管道尺寸及布置情况。）水轮机输水管道尺寸及布置情况。7）水电站允许的最大挖深值。）水电站允许的最大挖深值。8）运输及安装条件。）运输及安装条件。系统的负荷分配系统的负荷分配9）水电站的运行情况，如水电站在电力系统中担任峰荷或基荷的情况，是否要作调相机运行等。二、水轮发电机标准同步转速二、水轮发电机标准同步转速磁极对数磁极对数345789101214同步转速同步转速n1000750600428.6375333.3300250214.3磁极对数磁极对数161820222426283032同步转速同步转速n187.5166.7150136.4125115.

5、4107.110093.8磁极对数磁极对数3436384042444850同步转速同步转速n88.283.3797571.468.262.560第二节第二节 水轮机选择水轮机选择一、水轮机选型设计的内容一、水轮机选型设计的内容v 确定机组台数及单机容量确定机组台数及单机容量v 选择水轮机型式（型号）及装置方式选择水轮机型式（型号）及装置方式v 确定水轮机参数确定水轮机参数D1、n、Hs、Za；Z0、d0v 绘制水轮机运转特性曲线绘制水轮机运转特性曲线1. 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，估算水轮机的重量和价格。的重量和价格。v 调速器及油压装置选择调速

6、器及油压装置选择v 根据选定的水轮机根据选定的水轮机型式和参数型式和参数，结合水轮机在，结合水轮机在结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向厂家提出厂家提出制造任务书制造任务书，最终双方，最终双方共同共同商定机组商定机组的技术条件，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。 二、水轮机选型设计的基本要求二、水轮机选型设计的基本要求v 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，在额定水头下能保证发出额定出力，额定水头以下的机组受阻容量小，水电定出力，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

7、。v 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，运行稳定，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。v 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。v 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、合作信誉好的制造厂商。的制造厂商。v 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。n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、产品目录、模型综合

8、特性曲线。录、模型综合特性曲线。n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、水库的调节性能、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。n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、年运行费等。运行费等。n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，水电站

9、的作用及运行方式等。方式等。三、所需要的有关资料三、所需要的有关资料四、机组台数及单机容量的选择四、机组台数及单机容量的选择 已知总装机容量已知总装机容量(=Z0N单单)，N单单不同，不同，D1、n 、Hs、均不同。均不同。 1、机组台数与机电设备制造的关系、机组台数与机电设备制造的关系 N总总一定，一定，Z0多多N单单尺寸（尺寸（D1）小）小制造运输容制造运输容易易造价高造价高(单位千瓦耗材多、制造量大单位千瓦耗材多、制造量大)。 所以一般选用较大的所以一般选用较大的N单单。 2、机组台数与电站投资的关系、机组台数与电站投资的关系 Z0多多单位千瓦投资单位千瓦投资阀门、调速、管道、辐设、阀门

10、、调速、管道、辐设、电气等增加电气等增加厂房尺寸增加。厂房尺寸增加。 N单单D1尾水管高度低尾水管高度低开挖少开挖少投资少投资少3 3、机组台数与运行效率的关系、机组台数与运行效率的关系 Z Z0 0平均效率平均效率(1) (1) 担任基荷时：出力变化小，流量变化稳定，担任基荷时：出力变化小，流量变化稳定，可用较少的台数，使水轮机可以在较长时间内可用较少的台数，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。以最优工况运行，其平均效率也比较高。(2) (2) 担任峰荷时：出力变化幅度大，应该选用较担任峰荷时：出力变化幅度大，应该选用较多的台数，以增加其运行灵活性，提高整体运多的台数

11、，以增加其运行灵活性，提高整体运行效率。行效率。(3) (3) 对于轴流定浆和混流式水轮机，可以选用较多对于轴流定浆和混流式水轮机，可以选用较多的台数，而对于轴流转浆式水轮机因其调节性能的台数，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。好，可以选用较少的机组。 4 4、机组台数与电站运行维护工作的关系、机组台数与电站运行维护工作的关系v台数多，运行灵活，事故影响小，但同时增加了台数多，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。v总之总之，一般应采用较大

12、的，一般应采用较大的N N单单，较少的台数，但，较少的台数，但一般至少应选一般至少应选2 2台，少数情况下可选台，少数情况下可选1 1台。中大台。中大型电站一般选型电站一般选4646台，根据机组的制造水平和装台，根据机组的制造水平和装机容量也可以选用更多的台数，如葛洲坝共机容量也可以选用更多的台数，如葛洲坝共2121台，装机台，装机2715MW2715MW，三峡，三峡2626700700共装机共装机18200MW18200MW。 五、水轮机型号及主要参数的确定五、水轮机型号及主要参数的确定 依据：依据：N单单，特征水头，特征水头(Hmax、Hmin、Hav、Hr) 1、 根据水轮机系列型谱选择

13、根据水轮机系列型谱选择 型号的选择主要取决于水头。各种水轮机都有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，直接查系列型谱，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。2 2、专题研究法、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，为了获得最优设计效果，根据水电站的具体参数，进行专门

14、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 3、查系列范围图法、查系列范围图法 根据水电站的水头范围和单机出力，在系列范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，以及对应的转轮直径、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，一转速及吸出高度。当有两种机型可供选择时，一般选用较大的直径。般选用较大的直径。ZZ440系列水轮机应用范围系列水轮机应用范围4 4、采用套用机组、采用套用机组 根据目前国内设计、施工和运行的电站资根据目前国内设计、施工和运行的电站资料，在特征水头相近、料，在特征水头相近、N N单单适当，经

15、济技术指标相近适当，经济技术指标相近时，优先套用已经生产过的机组，这样可以节省设时，优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。计时间、尽早供货、提前发电。 5 5、直接查产品样本、直接查产品样本 直接查设备厂家的产品样本，适用于小型电直接查设备厂家的产品样本，适用于小型电站。站。6 6、统计分析法、统计分析法 对大量已建水电站的参数进行统计，得出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，再根据本电站的水轮机各参数之间的统计关系，再根据本电站的参数选择。参数选择。六、反击式水轮机主要参数的确定六、反击式水轮机主要参数的确定 确定了水轮机的型号后，再

16、计算水轮机的主确定了水轮机的型号后，再计算水轮机的主要参数：要参数： 转轮直径转轮直径D1，转速，转速n、吸出高、吸出高Hs。 D1、n应该满足：在应该满足：在Hr下，发出下，发出Nr；在；在Hav时，时，最高。最高。 吸出高吸出高Hs应满足：防止水轮机汽蚀，开挖深应满足：防止水轮机汽蚀，开挖深度合理。度合理。 七、 按综合特性曲线选择水轮机按综合特性曲线选择水轮机1、D1的确定的确定rrrHHDQN21181. 92/31181.9rrHQND Nr(水轮机额定出力水轮机额定出力) Nr= Nf /f 用用 H=Hr计算。计算。：原型水轮机在限制工况下的效率，在：原型水轮机在限制工况下的效率

17、，在D1未确定时未确定时 一般先取一般先取=M+ (=23%)，求得，求得D1后再修正。后再修正。(4) Q1 在在N= Nr时，取限制工况下的时，取限制工况下的Q1，并查出限制工，并查出限制工况的况的M 混流水轮机由混流水轮机由5%出力限制线得到，出力限制线得到，轴流轴流式由汽式由汽蚀条件得到，或限制蚀条件得到，或限制HS反推反推z，以防止开挖过，以防止开挖过多。多。 = z为水轮机装置的汽蚀系数。为水轮机装置的汽蚀系数。HHsz900102、的修正计算的修正计算 查查综合特性曲线综合特性曲线得出得出Mmax，换算得出，换算得出max。 =max-Mmax-1-2 1=1%2%(表示工艺水平

18、表示工艺水平)，2=1%3%(表示异表示异形部件，即原型水轮机和模型水轮机的蜗壳和形部件，即原型水轮机和模型水轮机的蜗壳和尾水管不一样尾水管不一样)如如=M+，与假定出入太大，与假定出入太大，应重新计算。应重新计算。 3 3、转速的选择、转速的选择 n n1 1 用最优单位转速用最优单位转速n n1010 ， n n1010=n n 10M10M+ +n n1 1,水头水头H=HH=Ha a。 转速转速n n随工况而变，要选发电机转速相近而随工况而变，要选发电机转速相近而偏大的标准同步转速。偏大的标准同步转速。11011DHnnDHnna4 4、工作范围的验算、工作范围的验算 求出水轮机的参数

19、求出水轮机的参数D D1 1、n n后，在模型综合特性曲后，在模型综合特性曲线上绘出水轮机的相似工作范围，检验是否包括线上绘出水轮机的相似工作范围，检验是否包括了高效率区，以验证了高效率区，以验证D D1 1、n n的合理性。的合理性。 方法方法：根据：根据N Nr r、D D1 1、H Hr r求出求出Q Q 1max1max，由，由H Hmaxmax、H Hminmin、D D1 1、n n求出：求出：n n 1min1min和和n n 1max1max，在综合特性曲线上以，在综合特性曲线上以Q Q 1max1max、n n 1min1min和和n n 1max1max作直线，此范围即为水轮机作直线，此范围即为水轮机的相似工作范围的相似工作范围 检查正确性检查正确性HmaxHmin5 5、H HS S的计算的计算 计算公式：计算公式： 水轮机方案确定后，根据水轮机运行条件、水水轮机方案确定后，根据水轮机运行条件、水电站的开挖情况等进行技术经济比较后确定。电站的开挖情况等进行技术经济比较后确定。 rsHkH900106 6、飞逸转速计算、飞逸转速计算单位飞逸转速HDnnR