水轮发电机组选型设计 - 毕业设计 精品

第1章 水轮发电机组选型设计

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第1章 水轮发电机组选型设计

1.1、机组台数及型号选择

1.1.1、水轮机型式的选择

已知参数

Hmax?25.6, Hmin?22.8, Hav?23.3, N?200MW 保证出力：Nb?35MW，利用小时数：2225h 取设计水头Hr?Hav?23.3

按我国水轮机的型谱推荐的设计水头与比转速的关系，

混流式水轮机的比转速ns:

ns?20002000?20??20?394（m?kW） H23.3轴流式水轮机的比转速ns: 23002300??477(m?kW) ns?H23.3根据原始资料，适合此水头范围的水轮机类型有轴流式和混流式。 轴流式和混流式水轮机优点：

（1）混流式结构紧凑，运行可靠，效率高，能适应很宽的水头范围，是目前应用最广泛的水轮机之一。

（2）轴流式水轮机ns较高，具有较大的过流能力，轴流转桨式水轮机可在协联方式下运行，在水头、负荷变化时可实现高效率运行

根据表本电站水头变化范围H?22.8~25.6m查《水电站机电设计手册—水力机械》 选择适合的水轮机有HL260/A244、JK503和ZZ500。三个水轮机参数如下： 转轮型号 推荐使用水头 H(m) 35~60 26 18~30 模型转轮直径 n10? 最优工况 Q103??0% Q10 3?限制工况 ?0%?D1HL260/A244 JK503 ZZ500 cm 35 35 46 r/min 80 135 128 m/s 1.08 903 0.98 m/s 模型试验水头 H(m) 3 10 3 单位飞逸转速 n1R? 水推力系数K 0.34~0.41 0.87 0.87 (r/min) 158.7 340 352 91.7 90.8 89.5 1.2786.5 0.15 5 1800 87 0.63 1.65 86.7 0.585 1.1.2、拟订机组台数并确定单机容量 因为设计电站是无调节电站，所以工作容量等于保证出力Nb?35MW

35?77.8MW 选用混流式机组的单机容量不得超过

0.4535?100MW 选用轴流式机组的单机容量不得超过

0.35确定机组台数4台和5台 方案列表如下：

水轮机组选型及台数汇总表 4 5 台数 HL260/A244 JK503 ZZ500 HL260/A244 JK503 ZZ500 转轮型号 50 50 50 40 40 40 单机容量（MW) 1

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水电站主辅机设备选型设计

1.2、水轮机方案比较

1.2.1、方案Ⅱ、4?50MW HL260/A244

1、计算转轮直径

水轮机的额定出力为：

取最优单位转速n110?G?80r/min与出力限制线的交点的单位流量为设计工况点单

Pr?NG?50000?51020kW 98%（m3/s）位流量，则Q110?1.29,对应的模型效率?m?0.875，暂取效率修正值

???2%，则设计工况原型水轮机效率???m????0.875?0.02?0.895。

故水轮机转轮直径为：

D1?Pr?1.59.81Q110Hr?51020 ?6.33（m）1.59.81?1.29?23.3?0.895我国规定的转轮直径系列，计算值处于标准值6.0~6.5m m之间，考虑到取6.0m偏小，难于保证设计水头下发生额定出力；若取6.5m又太大，不经济。本机组属于大型水轮机，故取非标准值D1?6.4m。 2、转速n的计算

由HL260/A244转轮技术资料提供查得n110?80r/min

n110Hav80?23.3??60.34r/min D16.4转速计算值介于同步转速60r/min~62.5r/min之间， 当取60r/min时，运行区域如下图：

n?当取62.5r/min时，运行区域如下图：

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根据HL260/A244模型转轮综合特性曲线，取62.5r/min时水轮机的实际运行范围刚好，取60r/min时有些偏离高效率中心区域，故取水轮机的转速n?62.5r/min。

3、效率 ?r的计算：

?rmax?1?(1??m0)5

D1m0.35?1?(1?0.917)5?0.954 D16.4效率修正值：????rmax??m0?0.954?0.917?0.037

4、平均效率?的计算

与出力限制线的交点的效率?mHmin?0.876 8r/min）Hmin：取Hmin下n11max?83.（真机的效率?Hmin??mHmin????0.876?0.037?0.913

Hmax、Hr、Hav是以发电机出力为限制，采用逼近法找到单位流量和相应的效率。逼近法见下表： 流量(m3/s) 出力(kW) 模型效率(%) 真机效率(%) 水头(m) 25.6 25.6 25.6 25.6 25.6 25.6 水头(m) 23.3 23.3 23.3 23.3

1.2 1 1.1 1.05 1.03 1.035 流量(m3/s) 1.2 1.22 1.21 1.205 89 90.9 91.2 91.7 91.4 91.5 模型效率(%) 90 89.6 89.8 89.9 92.7 94.6 94.9 95.4 95.1 95.2 真机效率(%) 93.7 93.3 93.5 93.6 57896 49236 54331 52135 50981 51282 出力(kW) 50814 51440 51128 50971 3

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水电站主辅机设备选型设计

由逼近法表格知：

Hmax：?Hmax?0.951

Hr、Hav：?Hr??Hav?0.936

则平均效率为：

???????0.913?0.951?0.936?0.936??HminHmaxHavHr??0.934

445、转轮直径D1的校核

用?r?0.912对原先计算的D1进行校核

D1?Pr?1.59.81Q110Hr?51020 ?6.19（m）9.81?1.29?23.31.5?0.936转轮直径D1?6.（仍合适。 4m）6、水轮机设计流量Qr的计算

设计工况点的单位流量Q11r为

P510203Q11r???1.206（m/s） 21.521.59.81?0.936?6.4?23.39.81?TD1HrHr?1.206?6.42?23.3?238(m3/s)

7、几何吸出高度 Hs的计算

Qr?Q11rD1为使水轮机尽可能不发生空化，取Hmax、Hr、Hmin三个水头分别计算水轮机的允许吸出高度，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。 （1）、计算Hmax、Hr、Hmin所对应的单位转速n11

nD162.5?6.4 Hmax： n11min???79.（1r/min）Hmax25.6Hr： n11r?2nD162.5?6.4 ??82.（9r/min）Hr23.3nD162.5?6.4 ??83.（8r/min）Hmin： n11max?Hmin22.8（2）、确定各水头所对应的出力限制工况点的单位流量Q11

Hmin：取n11max与出力限制线交点处的单位流量Q11max?1.27(m3/s)

Hr ：由逼近法表格知Q11r?1.205m3/s

Hmax：由逼近法表格知Q11r?1.03m3/s （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Hmin、Hr、Hmax所对应的模型空化系数，分别是0.15、0.139、0.11 （4）根据水位—流量关系曲线

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水位 (m)28027827627427227026826626405000100001500020000流量(m/s) 2查教材推荐设计尾水位的水轮机过流量 电站装机 水轮机的过流量选用值 1台或2台 1台水轮机50%的额定流量 3台或4台 1台水轮机的额定流量 5台以上 1.5~2台水轮机额定流量 本方案装机4台，流量Q?Qr?238(m3/s)对应的水位E=263.5m。 （5）分别用查到的空化系数计算Hmin、Hr、Hmax对应的吸出高度

计算式： Hs?10?E/900?(?M???)H

查空化系数修正曲线

水轮机水头为23.3m时，???0.058

Hmin： Hs?10?263.5/900?(0.15?0.058)?22.8?4.96(m) Hr： Hs?10?263.5/900?(0.139?0.058)?23.3?5.12(m)

Hmax：Hs?10?263.5/900?(0.11?0.058)?25.6?5.41(m)

从三个吸出高度计算值中取最小值4.96m，再留一定的余量，取允许最大吸出高度Hs?4m。

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水电站主辅机设备选型设计

8、水轮机安装高程

b0?b0?D1?0.315?6.4?2.016

bo2.016 ???w?HS??263.5?4??268.5(m)

229、飞逸转速nR的计算

n11R由HL260/A244模型水轮机飞逸特性曲线查得，在最大导叶开度下单位飞逸转速

故水轮机的飞逸转速为 ?158.7r/min，Hmax25.6 nR?n11R?158.7??12(5r/min )D16.4F10、计算轴向水推力t

据HL260转轮技术资料提供的数据，转轮轴向水推力系数Kt?0.34~0.41，转轮直径较小、止漏环间隙较大时取大值。本电站转轮直径较大，故取Kt?0.38。 水轮机转轮轴向水推力为：

Ft?9.81Kt103?4D12Hmax?9.81?0.38?103?4?6.42?25.6?3070028N

1.2.2、方案Ⅱ、4?50MW JK503

1、计算转轮直径

水轮机的额定出力为：

?G8m3/s）取最优单位转速n110?135r/min,取限制工况的单位流量Q110?1.（,对

应的空化系数??0.64空化曲线作为限制，对应的模型效率?m?0.87，暂取效率修正值???2%，则设计工况原型水轮机效率???m????0.87?0.02?0.89。

故水轮机转轮直径为：

PrD1??1.59.81Q110Hr?Pr?NG?50000?51020kW 98Q020?5.37（m）

9.81?1.8?23.31.5?0.89我国规定的转轮直径系列，计算值处于标准值5.0~5.5m之间，考虑到取5.0m偏小，难于保证设计水头下发生额定出力；若取5.5m又太大，不经济。本机组属于大型水轮机，故取非标准值D1?5.4m。 2、转速n的计算

由JK503转轮技术资料提供查得n110?135r/min

n110Hav135?23.3??120.7r/min D15.4转速计算值介于同步转速115.4r/min~125r/min之间。 则机组运行区域如下图：

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根据JK503模型转轮综合特性曲线，取125r/min时水轮机的实际运行范围刚好，取115.4r/min偏离了高效率中心区域，故取水轮机的转速n?125r/min 3、效率 ?r的计算：

?rmax?1?(1??m0)(0.3?0.75D1mHm0.35101010)?1?(1?0.908)?(0.3?0.7?5)?0.938D1Hr5.423.3 效率修正值：????rmax??m0?0.938?0.908?0.030

4、平均效率?的计算

(1)、计算Hmax、Hr、Hmin所对应的单位转速n11

nD1125?5.4 Hmax： n11min???133.（4r/min）Hmax25.6Hr： n11r?nD1125?5.4 ??139.（8r/min）Hr23.3nD1125?5.4 ??141.（4r/min）Hmin： n11max?Hmin22.84r/min）(2)、Hmin：取Hmin下n11max?141.（与空化系数??0.64空化曲线的交点的效率

?mHmin?0.872真机的效率?Hmin??mHmin????0.872?0.03?0.902

Hmax、Hr、Hav是以发电机出力为限制，采用逼近法找到单位流量和相应的效率。逼近法见下表：

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水电站主辅机设备选型设计

水头(m) 25.6 25.6 25.6 水头(m) 流量(m3/s) 1.7 1.5 1.52 流量(m3/s) 模型效率(%) 87.6 88.6 88.5 模型效率(%) 88.2 87.8 87.6 87.6 真机效率(%) 90.6 91.6 91.5 真机效率(%) 91.2 90.8 90.6 90.6 出力(kW) 57068 50910 51532 出力(kW) 46947 49662 51010 51593 23.3 1.6 23.3 1.7 23.3 1.75 23.3 1.77 由逼近法表格知： Hmax：?Hmax?0.916

Hr、Hav：?Hr??Hav?0.905

则平均效率为：

???????0.902?0.916?0.905?0.905??HminHmaxHavHr??0.907

445、转轮直径D1的校核

用?r?0.90对原先计算的D1进行校核

D1?Pr?1.59.81Q110Hr?51020 ?5.33（m）9.81?1.8?23.31.5?0.905转轮直径D1?5.（仍合适。 4m）6、水轮机设计流量Qr的计算

设计工况点的单位流量Q11r为

P510203Q11r???1.752（m/s） 21.521.59.81?0.905?5.4?23.39.81?TD1HrHr?1.752?5.42?23.3?247(m3/s)

7、几何吸出高度 Hs的计算

Qr?Q11rD1为使水轮机尽可能不发生空化，取Hmax、Hr、Hmin三个水头分别计算水轮机的允许吸出高度，以其中的最小值作为最大允许吸出高度。 确定各水头所对应的空化系数

Hmin：n11max与空化系数??0.64空化曲线作为限制，??0.64

Hr ：由逼近法表格知Q11r?1.75m3/s，对应空化系数??0.61

2Hmax：由逼近法表格知Q11r?1.5m3/s，对应空化系数??0.44

查教材推荐设计尾水位的水轮机过流量，本方案装机4台Q?Qr?247(m3/s) 根据水位—流量关系曲线查得流量Qr?247(m3/s)对应的水位E?264.2m。 分别用查到的空化系数计算Hmin、Hr、Hmax对应的吸出高度

计算式： Hs?10?E/900?(?M???)H

查空化系数修正曲水轮机水头为23.3m时，???0.058 Hmin： Hs?10?264.2/900?(0.64?0.058)?22.8??6.21(m) Hr： Hs?10?264.2/900?(0.61?0.058)?23.3??5.86(m) Hmax：Hs?10?264.2/900?(0.44?0.058)?25.6??3.04(m)

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