水轮机选型设计报告书

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144.4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16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；（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-Ah（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?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=AQH（2-2）式中AA=9.81*a *8 =8.2, a =95%,8 =88%（a为发电机效率,8为水轮机效率）；Q 水轮机通过流量，m3 / 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（J列中第一组流量的装机容量为七=AQH=1271Kw。其后流量组的装机容量P（Kw）按下 式计算：P. =+Pj + Pi （2-3）式中ii=2,3,4n（nN+）；jj=i-1。将计算所得P值录入表2-1第U中。（3）发电量E和累积发电量 E发电量E （万Kw.h）按下列公式计算：E=PT*24/10000 （2-4）式中P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(J列。累积发电量 E (万Kw.h)按下式结算： E =七+E j (2-5)式中ii=1, 2,3,4n(nN+)；jj=i+1 o将所得数据录入表2-1第尊U。(4) 年利用小时数T年利用小时T数按下式计算：T= E /P*10000 (2-6)式中 E 累积发电量，万Kw.h。P装机容量，Kwo所得数据录入表2-1第OU。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。序号流量分组Q（m3/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AP152195.2152195.211855.81772.52.580.836836.92650.2表2-1水能计算表七数时小用利年2.2相关曲线的绘制根据表2-1所得数据作出下列曲线:装机容量一年利用小时数关系曲线10000900080007000600050004000300020001000500010000150002000025000300003500040000装机容量（Kw）图2-1装机容量-年利用小时数关系曲线频率-流量关系曲线频)%(图2-2频率-流量关系曲线第三章 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:方案一四台数2334容量(Kw)1600013000*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。最大水头 max81.5最小水头 min77.5加权平均水头H av79. 65设计水头H r79.65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n10Q，10n0b0Q，nnsbHL260/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（1）转轮直径D 1水轮机额定出力为：(3-1)Pr=PG/ P式中 g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Q11r，对应的模型效率气为0.894，暂取效率 修正值门为0.02，则设计工况原型水轮机效率n = n + n， m故水轮机的转轮直径为：di = ；9.81Q、1.叫（3-2）V11r rP式中 g发电机单机容量，Kw ；Gn g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nrnrmax=1- （ 1-nm0） tT （3-3）式中n n模型水轮机效率，查表3-3得0.92 ； m0D1m模型水轮机转轮直径，m；D1 原型水轮机直径，m。效率修正值=n- n章rmax m0限制工况原型水轮机的效率为n r = nm+ n 。将计算结果录入表3-4第列中。（3）设计流量Qr设计工况点的单位流量Q 为：11r(3-4)Q= _Pr11r 9.81nTD2Hi.5式中Pr水轮机额定出力，Kw ；门T 限制工况原型水轮机效率；D1 原型水轮机直径，m；H r 设计水位，m。则设计流量Qr为：Qr = Q11rD厂35）式中Q 设计工况点的单位流量，m3/s ； 11rD1 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。（4）不能利用流量所发电量E损由设计流量可得保证流量Qe为Qe = Qr*65% （3-6）式中Q设计流量，m3/s。r将计算结果录入表3-4第列中。查表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iE 损.=AP*T*24（3-7）式中?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E损=E 损i + E 损j （3-8）式中ii=1,2,3n （nN+）；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。（5 ）年发电量E已知，水电站不计流量损失的总发电量为Eo=11722.9 万Kw.h , 则水电站年发电量E为：E =E0-E损（3-9）式中Eo 水电站不计流量损失的总发电量，万Kw.h ；E 不能利用流量所发电量，万Kw.h。 损将计算结果录入表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）综合投资Z以三台机组为基准，每IKw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。 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 r(m3/s)保证流量Qe(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）一160001.60.9423.5615.31472.2311249.73937.496002.44二130001.40.9419.1712.46138.4411584.54054.6128003.1660001.00.948.895.78三106671.30.9415.7510.24274.0811448.94007.1128003.19四80001.10.9411.847.69189.2611533.74036.8160003.96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：95%。（4-1）Pg/ P式中 g发电机单机容量，Kw ；g发电机效率，其值为取最优单位转速为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Q11r,对应的模型效率气为0.894，暂取效率修正值 n为0.02， 则设计工况原型水轮机效率n = n +n，故水轮机的转轮直径为： mD 一 八P“i y9.81Qii Hi.sn （4-2）P式中 G发电机单机容量，Kw ；Gn g发电机效率，其值为95%。代入数据计算可得，大机组D 1 =1.38m，小机组D 1 =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D1 =1.4m，小容量机组D=1.0m。4.2水轮机效率的计算nrmax=1- （ 1- n m0）伊（4-3）式中n n模型水轮机效率，查表3-3得0.92 ； m0D1m模型水轮机转轮直径，m；D1 原型水轮机直径，m。效率修正值 n =nrmax-n m0，限制工况原型水轮机效率nr=nm+ n。代入数据计算可得，大容量机组nr =0.94，小容量机组 =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：（4-4）n 矿110 * avD1代入数据得，大机组n =490.9 r/min（P为磁极对数），故取大容量机组n =500 r/min小机组n=687.2 r/min。实际中转速n=3000/2P，小容量机组n=750 r/min。4.4水轮机设计流量的计算设计工况点的单位流量Q11r为：（4-5）Q11r=9.81n D2H1.5T 1 r式中P r水轮机额定出力，Kw ；门T 限制工况原型水轮机效率；D1 原型水轮机直径，m；H r 设计水位，m。则设计流量Qr为：Qr = Q11r D ；、H r （4-6）式中Q设计工况点的单位流量，m3/s ；11rD1 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=19.17 m3 / s，小容量机组%=8.89 m3 / s。4.5水轮机几何吸出高度的计算为使水轮机尽可能不发生空化，取Hmax、Hr、H min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n匕进行如下计算：（1）计算H max、Hr、h min所对应的单位转速n大容量机组（13000KW）HnD 500 * 1.4H : n . : 1=77. 54(r / min) maxHnD 500 * 1.4H r : n , 1 - = ,- = 78. 43(r / min)rHminn11 maxnD1.HV - min500 * 1.477. 5=79. 51(r / min)小容量机组（6000Kw）maxn11 minn11rmin11 maxnDEmaxnD750nD1min750 * 1.0=83. 08(r / min)81. 5* . = 84. 04(r / min) *79. 65750 * 1.0,=85. 19(r / min)v77. 5(2).:取 min.Qn11max与出力限制线交点处单位流量，Q11 max =1.1211 r =1-10maxQ11 minQ11 min9. 81 门 D 2H 1.5T 1 max13000 / 0.959.81 * 0.94 * 1. 4281 .51.51. 03确定各水头水头所对应的出力限制工况点的单位流量Q 11大容量机组（13000Kw）小容量机组（ 6000Kw）H:Q11 max =1.10minHr：Q11r =1.00PHQ=rmax：11 min981 n D 2H 1.5T 1max=0. 946000 / 0. 95Q =（3）11 min 9. 81 * 0. 94 * 1. 0281 . 51.5空化系数大机组（13000Kw）小机组（6000Kw）Hmin0.1050.110Hr0.1000.100Hmax0.0900.090max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HH min所对应的模型空化系数，分别为：H、 r 、表4-1水轮机空化系数表(4)分别用查到的空化系数计算H、maxH心对应的吸出高度计算式：H10 - E / 900(b M + AC )查空化系数修正曲线得，E =0.02。HmaxHr Hmin:HHs：H大容量机组(13000KW)s =10-1773/900-(0.090+0.02)*81.5= -0.94(m) =10-1773/900-(0.100+0.02)*81.5= -1.53(m)s =10-1773/900-(0.105+0.02)*81.5= -1.66(m)HmaxHrHmin：HHs：H小容量机组(6000Kw)s =10-1773/900-(0.090+0.02)*81.5= -0.94(m) =10-1773/900-(0.100+0.02)*81.5= -1.53(m)s =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3应=24)单位飞逸转速，故水轮机的飞逸转速为 大容量机组.n = nma = 146. 7 * *、= 946. 0(r / min)J1R 11RD1. 41.，.-H . 一 - J81.5，.、 小容量机组：nR =七讯= 146. 7* = 1324.4(r/ min )将选定方案(方案一)中两种机组的水轮机基本参数列于下表(表4-2)中。机组容量(Kw)转轮直径(m)效率转速(r / min )设计流量 (m3 / s )吸出高度(m)飞逸转速 (r / min )130001.40.9450019.17-2946.060001.00.947508.89-31324.4表4-2水轮机基本参数表