汽轮机选型（精选3篇）
汽轮机选型 篇1
1 水轮机组的分类
水利发电机组系统由水轮机组和发电机组构成, 是利用水的势能转化为电能的主要设备。目前, 绝大多数水轮机组都是用来带动交流发电机组。水轮机组根据工作原理分为反击式和冲击式两大类。目前, 世界上单机容量最大的冲击式机组为挪威的悉·西马电站, 其单机容量为315m W, 水头885m, 转速为300转/min。反击式机组则由水流冲击的反作用力使转轮旋转而工作的, 目前世界上单机容量最大的反击式机组为中国的向家坝电站, 其单机容量为800m W。冲击式机组一般水压保持恒定, 主要是动能的转换。反击式机组水压和动能均能变化, 主要是压力能的转化。冲击式机组根据水流方向又分为, 切击式 (水斗式) 和斜击式 (由瑞士工程师德里亚于1956年发明, 故又称德里亚水轮机) 两大类, 两者射流的倾角不同。反击式机组可分为混流式 (由美国工程师弗朗西斯于1849年发明, 故又称弗朗西斯水轮机) 、轴流式和贯流式。斜击式、轴流式和贯流式根据结构有定桨和转桨式 (由奥地利工程师卡普兰在1920年发明的, 故又称卡普兰水轮机) 。
常用水轮机组特点归结如下:
水斗式:适用于高山丘陵水量不大的高水头地区, 水头一般在200m以上;
斜击式:高水头小流量中小型机组, 水头一般在40m~120m之间;
混流式:最常见机组, 在水头和负荷大时比轴流转桨效率低;
轴流式:适用于平原河道上, 水头低于40m, 定桨式桨叶固定在转轮体上, 适用于水头变化不大的水电站, 转桨式水轮机的桨叶在轮体上可以调节, 适用于水头及负荷变化较大的水电站;
灯泡贯流式:适用于3m~20m低水头大流量地区, 发电机装在水密的灯泡体内, 故称灯泡贯流式, 转轮既可以设计成定桨式, 也可以设计成转桨式。
2 水轮机调速器的主要任务和组成部分
2.1 水轮机调速器的主要任务
电网系统负荷的不断变化, 致使电网系统频率会不断变化。水轮机调速器的主要任务是通过调节水轮发电机组的输出功率, 维持水轮机组在额定转速。根据异步交流电机原理:转速n=60f/P式中f-频率、P-磁极对数。据此, 转速n与电源频率f成正比, 调节机组转速即是调节机组输出频率。
2.2 水轮机调速器的组成部分
水轮机调速器系统主要包括以下几个部分:电气控制部分、机械液压执行机构、位移反馈检测机构、液压油源部分。
电气控制部分含有主逻辑控制器、显示屏、测频、电气综合放大等主要元件。主逻辑控制器一般选取可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller-PLC) 、可编程计算机控制器 (programmable computer controller-PCC) 、工业个人计算机 (Industrial Personal Computer-IPC) 这3类。PCC和IPC是控制器和显示屏的集合体, 一般不用单独配置显示屏, PLC一般配触摸式显示屏。电气综合放大和测频元件一般为各厂家自主研发生产。
机械液压执行机构部分含有电液转换、液压放大和液压保护等元件。电液转换机构的作用是将通过电气综合放大后的输出动作指令的电信号转换为可控的液压信号。液压放大元件解决压力油源提供的额定压力所产生的操作功不足的问题。液压保护元件要求能在完全断电或紧急情况下能保护水轮机组的安全。
位移反馈检测机构含有位置检测器件及连接机构。一般分为旋转电位器式、直线式、光编码器式检测装置。
液压有源部分为整个机械液压执行机构提供额定压力等级的油源。一般分为2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa、16MPa几个标准压力等级。
3 水轮机调速器的命名和分类
对于调速器执行部分的分类, 目前我国还没有统一的标准, 一般都是各调速器厂家根据自身特点自行命名, 总结有以下特点和方法。
1) 汉语拼音缩写、操作功率组合
GYT-1000可理解为操作功为1 000k W水轮机组的高油压型调速器的缩写。
2) 汉语拼音缩写、操作功、油压等级组合
YT-1000-2.5可理解为操作功为1 000k W水轮机组的2.5MPa油压等级调速器。
3) 机组形式、编号组合
GLT-K可理解为贯流式调速器K型。
4) 汉语拼音缩写、主配压阀直径组合
BWT-80可理解为步进电机式微机调速器主配压阀直径为80mm的调速器。
4 水轮机调速器的选取法则
法则一:水轮机组特点决定调速器型号
水斗式:由于其自身结构特点, 在控制顺序和流程上要求比较严格, 因此要求选取针对性较强的冲击式专用调速器, 一般型号为CJ-2/2-4.0等理解为冲击式两喷嘴两折向器压力等级为4.0MPa的调速器。
斜击式:可根据操作功选取高油压调速器 (GYT) 、常规油压调速器 (YT) 、全数字式 (SLT) 、步进式 (BWT) 等可供选择。
混流式:目前常用步进式调速器 (BWT) 、电动阀式调速器 (DFT) 等型号调速器选择。
轴流式:轴流式控制精度要求较高可选择步进式调速器 (BW (S) T) 、比例伺服调速器 (PW (S) T) 、电动阀调速器 (DKT) 等型号的调速器。
灯泡贯流式:灯泡贯流式机组由于水头低、流量大的特点对调速器的调节精度提出更高要求。可选取专门针对此机组设计的调速器或控制精度高的调速器如GLT/PWST等系列。
法则二:操作功决定调速器型号
调速器额定操作功与水轮发电机组功率匹配是选型的关键, 主配压阀活塞直径在80mm以上的称为大型调速器;操作功在10 000N·m~30 000N·m之间的称为中型调速器;操作功在10000N·m以下的称为小型调速器, 其中调速功在3 000N·M以下的又称为特小型调速器。
如:GYT-7500型理解为高油压 (一般为16MPa) 操作功为7500N·m的机组。
参考文献
[1]魏守平著.现代水轮机调节技术[M].武汉:华中科技大学出版社, 2002.
[2]高杜生, 张玲霞著.可靠性理论与工程应用[M].北京:国防工业出版社, 2002.
[3]孙青, 庄弈琪, 王锡吉, 等著.电子器件可靠性工程[M].北京:电子工业出版社, 2002.
[4]叶鲁卿著.水力发电过程控制理论[M].武汉:华中科技大学出版社, 2002.
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[6]水轮机调节技术的发展及展望[D].河南:中国水电控制设备论文集, 2004.
大型汽轮机组地脚螺栓选型设计 篇2
大型汽轮机组地脚螺栓主要包括轴承箱、汽缸、主汽阀、再热阀等设备用地脚螺栓。地脚螺栓按型式可分为穿梁和直埋式两种。穿梁是指基础开通孔、埋通管, 在基础一次灌浆、设备就位后进行地脚螺栓安装;直埋是指在基础施工时就将地脚螺栓埋入基础中。汽轮机地脚螺栓结构主要由螺栓本体、紧定板及安装用附件组成。汽轮机设备通过地脚螺栓按一定的条件固定安装在基础中, 因此地脚螺栓的选型、结构设计在汽轮机中尤为重要。
1 从汽轮机轴系找中方面进行地脚螺栓的选型设计
轴承箱、汽缸处的地脚螺栓应优选穿梁式。轴承箱、汽缸为汽轮机组本体设备, 这些设备通过可调垫铁安装在一次灌浆基础上, 按汽轮机轴系找中要求调整后, 基础梁厚可能比名义值变化5~15 mm。此部位如采用穿梁式结构, 将在基础一次灌浆、所有设备就位后安装地脚螺栓。地脚螺栓可在基础埋入的套管中上下窜动, 通过调整两端余量来抵消基础厚度的变化。若采用直埋式结构, 在设计时就必须预先考虑轴系找中带来的二次灌浆基础梁厚的变化。某30万k W汽轮机组前轴承箱采用直埋式地脚螺栓, 地脚螺栓在一次灌浆中便埋入基础中, 地脚螺栓露出基础长度已为定值, 按轴系找中安装设备后, 前轴承箱二次灌浆基础梁厚由原来名义尺寸75 mm增加到85 mm。这样原地脚螺栓高出螺母按基础名义厚度核算仅剩余2 mm。而直埋式地脚螺栓只能靠基础上部露出长度进行调节, 最终给设备安装带来很大困难。基于上述经验, 轴承箱、汽缸处的地脚螺栓建议采用穿梁式。如采用直埋式, 在设计时应考虑在有限空间中适当加高基础外部露出高度。
2 从汽轮机设备结构角度进行地脚螺栓的选型设计
如地脚螺栓上部直接为汽轮机设备时, 则必须采用穿梁结构。某些大型汽轮机轴承箱底板面积大, 为保证基架不出现变形, 不仅在基架四周布置地脚螺栓, 在中心也布置一定数量的地脚螺栓, 此部位地脚螺栓就必须采用穿梁形式。基架就位在垫铁上后, 先安装地脚螺栓, 根据地脚螺栓的安装要求, 将地脚螺栓上部锁住, 注意地脚螺栓顶部不能超过基架上表面。而后在安装轴承箱、进行轴系找中时, 可通过地脚螺栓底部余量来平衡基础梁厚的实际变化。某百万汽轮机中箱与其底板结构如图1所示, 在轴系找中调整垫铁高度时, 因轴承箱已安装就位, 地脚螺栓上部没有空间调节, 只能靠基础下部露出地脚螺栓长度来调整, 故不能采用直埋结构。为满足设备安装要求, 此种情况下地脚螺栓在设计时必须采用穿梁式结构。
3 从汽轮机基础特点进行地脚螺栓的选型设计
某些汽轮机组设备的地脚螺栓位于基础的承重柱位置, 此部位地脚螺栓则必须采用直埋式。有些汽轮机组基础梁底为斜面, 如采用穿梁式地脚螺栓结构, 基础梁需开安装孔或锪平梁底, 安装孔或锪面需要满足紧定板尺寸及安装空间要求。有些汽轮机组基础梁底虽为平面, 但基础梁厚甚至超过5 m, 若采用穿梁式地脚螺栓, 因螺栓太长, 两端螺纹加工精度难以保证, 同时也加大了成本, 故此种基础结构建议采用直埋式地脚螺栓。
4 从其它综合角度进行地脚螺栓的选型设计
某汽轮机组主汽阀地脚螺栓结构如图2所示, 地脚螺栓套筒与主汽阀底板直接相连。主汽阀底板在一次灌浆时就已埋入基础中, 主汽阀安装后对套筒内部无法进行灌浆, 为增强地脚螺栓强度, 最好采用直埋式结构, 从地脚螺栓下部进行加固。30万k W机组再热主汽调节阀通过3个浮动支承固定在阀门支架上, 支架下部无可调垫铁, 故不能对套筒内部进行灌浆, 此种情况建议采用直埋式地脚螺栓, 且因为再热主汽调节阀为浮动支承则无需设置套筒。
直埋式地脚螺栓因在一次灌浆时需要埋入, 为使汽轮机设备顺利安装, 地脚螺栓安装的位置度和垂直度必须严格要求。直埋式地脚螺栓一般在上部设有一段套筒, 为防止一次灌浆时套筒内进入混凝土, 套筒两端需封堵, 这样汽轮机设备在安装时, 地脚螺栓有一个空间实现位置偏差的微调。汽轮机设备安装固定好后, 进行基础的二次灌浆和套筒内部灌浆。穿梁式地脚螺栓一般在设备就位、基础灌浆后安装, 基础中埋入的套筒内部空间可以实现位置偏差的微调。有些机组因周期紧张, 最好优先采用穿梁式地脚螺栓。如采用直埋式, 就必须留有地脚螺栓设计、加工及供货周期, 才能进行基础浇灌, 这样可能会延误机组正常投运时间。
5 结论
大型汽轮机组在地脚螺栓选型设计时, 一定要充分考虑到项目的基础特点、设备结构等因素, 为汽轮机组的顺利安装及稳定运行做好前期工作。
摘要：针对安装、设备结构、基础条件等环境因素的影响, 介绍了大型汽轮机组地脚螺栓在选型、结构设计时应注意的要点。
汽轮机选型 篇3
国外开发水轮机选型设计软件比较早,已取得一定成果, 如TURBNPRO Version3,它可以根据输入电站参数选择合适的水轮机类型和尺寸,并且得到所选水轮机的模型综合特性曲线和运转综合特性曲线[1]。这些软件是按照国外的标准开发的,与我国标准不符,且价格昂贵,国内的水轮机制造和设计研究单位大多负担不起。国内也有一些高校和水轮机制造厂开发此类软件,由于国内企业各自为政,少有交流,这些产品往往没有很强的 通用性。 高校也研 究开发了 一些软件,如基于VB[1]、CAD[2]、MATLAB[3]等平台的水轮机选型设计软件。这些软件大多功能简单,不能满足工程需要,没有很好的通用性, 很难在国内企业推广。
本文介绍一种基于Labwindows/CVI的混流式 水轮机选 型计算软件,软件紧密结合工程设计实际,以水轮机型谱、水电站机电设计手册和水力发电厂机电设计规范为主要依据编写程序,并结合设计工作人员多年设计经验和统计资料。经工程实例验证了软件选型结果的正确性。本软件不仅将设计工作人员从枯燥复杂的工作中解放出来,而且提高了设计工作的速度和精度,具有很高的推广价值。
1水轮机选型设计计算方法与流程
水轮机选型设计主要包括模型选择、转轮直径计算、额定转速计算、效率修正计算、安装高程计算、绘制运行范围、绘制运转综合特性曲线等内容,水轮机选型计算流程如图1所示, 具体计算方法如下。
1.1模型选择
根据水头范围初选型号,再根据最优比转速值选择水轮机型谱推荐的型号[4]。比转速计算:
1.2转轮直径的计算
转轮直径的计算公式[4]:
Q11和模型效率ηM是根据模型最优单位转速n110从功率限制线上读取的,为了保证读数的精确度,采用三次样条插值的方法从功率限制线上读取Q11和ηM,原型效率η由ηM加上一个修正值确定。
计算出的转轮直径应根据标准转轮直径序列进行圆整,程序自动推荐选取一个略大于计算值的标准值,也可根据需要手动输入一个转轮直径值。
1.3额定转速计算
额定转速的计算[4]:
式中:n11r原型水轮机设计单位转速;Ha为平均水头;n110 M为模型最优单位转速 (水轮机型 谱中查取);Δn11为单位转 速修正值,当 Δn11<0.03 n110,M时可忽略。
计算的额定转速需要按照发电机同步转速序列进行圆整, 为了满足不同国家电网的需求,软件设有50 Hz和60 Hz 2个同步转速序列可供用户选择。
1.4效率修正值Δη计算
效率修正值计算公式如下(混流式):
式中:ηMmax为模型水轮机在最优工况下的效率。
1.5额定工况下参数计算
计算公式:
式中:H为原型水轮机水头,额定工况取额定水头Hr。
水轮机额定工况点参数计算过程如下:
(1)利用式(5)计算额定水头Hr对应的额定工况下的单位转速n11r。
(2)查水轮机模型综合特性曲线,读取功率限制线与n11r相交处的单位流量Q11及模型效率ηM,借鉴式(6)、(7)计算原型水轮机流量Q、效率ηT。
(3)将上一步读取 的单位流 量Q11及模型效 率ηM代入式 (2)计算水轮机转轮直径D1。将计算的直径与经圆整实际选取的直径值进行比较,若计算值与实际值差距较大,则重新选取Q11、ηM进行第2步计算,直到计算值近似等于选取的转轮直径。试取的这一点即为额定工况点,从而确定额定工况点的模型参数:包括单位流量、模型效率、空化系数、导叶开度等;得到额定工况点的原型参数:包括额定流量、额定效率、额定出力等。其中,重新选取的Q11、ηM须从模型综合特性曲线中 利用样条插值的方法获取,其具体原理见文章的第2部分。
额定工况点选取流程图如图2所示。
1.6安装高程计算
立轴混流式水轮机:
卧式机组:
式中:Hs为吸出高度[5](混流式水轮机分别计算额定水头和最大水头下的吸出高度取较小值计算安装高程,轴流式水轮机机分别计算额定水头和最小水头下的吸出高度取较小值计算安装高程);Kσ为空化安全系数,根据水力发电厂机电设计规范DL/T 5186-2004的相关规定,清水条件下运行的水轮机Kσ= 1.1~1.6,多泥沙水流条件下运行的水轮机Kσ=1.3~1.8;▽w为设计尾水 位,根据水力 发电厂机 电设计规 范DL/T 51862004中的规定取值。
1.7绘制水轮机运转综合特性曲线
水轮机运转特性曲线等效率线的绘制分2部完成:
(1)水轮机模型综合特性曲线的读取。水轮机运转特性曲线是按模型综合特性曲线经过相似换算得到的,绘制运转特性曲线之前,须先读入模型综合特性曲线并存储于模型库中。
(2)水轮机运转等效率线的绘制。先读取水轮机模型数据库里对应的模型综合特性曲线,通过相似换算、效率修正转换成运转特性曲线,并以表格形式保存,再利用此表格数据绘制运转特性曲线。在模型综合特性曲线中,模型等效率曲线上的任一点与运转综合特性曲线等效率线相应点经公式换算后有一一对应关系,不必做辅助线即可绘出等效率线[6]。
2插值原理
插值是当函数不存在或是表达式比较复杂时采取的一种用一个简单的函数近似拟合已知函数或曲线的方法。本文先对模型综合特性曲线进行离散化,保存入模型数据库。由于综合特性曲线不仅仅是单位流量Q11和单位转速n11的单值函数, 还包含了效率η、空化系数σ、导叶开度a0等参数。如额定工况参数计算时需要读取对应单位转速单位流量下的效率值,计算吸出高度时需要读取相应工况点的空化系数值等。因此,需要软件自动拟合出单位流量和效率的关系曲线,单位流量和空化系数的关系曲线等。软件设计的主要插值方法为牛顿插值和三次样条插值法。
牛顿插值的原理如下:设x0,x1,x2,…,xn为一组互 不相同的点,y=f(x)在这些点 的值已知。则f(x)关于节点x0, x1,x2,…,xn的牛顿插值多项式为:
式中:f(x0,x1),f(x0,x1,x2),…,f(x0,x1,…,xn)为差商[7]。
三次样条插值的原理如下:设a=x0<x1<x2<…<xn= b,若函数s(x)满足:1s(x)在每一个[xi-1,xi](i=1,2,…,n) 上是次数至多为3次的多项式;2s(x)在区间[a,b]上二阶导数连续;3对于给定 的函数值yi=f(xi)(i=1,2,…,n),若s (x)满足插值条件s(xi)=yi(i=1,2,…,n)。则称s(x)为f(x) 的三次样条插值函数。
为了方便计算,本文牛顿差值采用两点差值,构造三次样条插值的方法采用三弯矩法[8]。三次样条插值的计算量比两点插值大很多,会降低程序运行速度。因此程序中使用牛顿插值能够达到精度要求的地方均采用牛顿插值方法进行插值计算。
模型综合特性曲线的读取一直是水轮机选型设计的一个重点也是难点,本文利用以上插值的办法很好的克服了这一难题,也解决了人工在模型综合特性曲线图上选点时精度不够的问题。
3基于Labwindows/CVI水轮机选型计算实现
软件采用基本参数手动输入,计算过程中其他参数均可调整基本设计。输入参数为装机容量P、最大水头Hmax、加权平均水头HPJ、额定水头Hr、最小水头Hmin、机组台数等。输入界面如图3所示(程序人机界面设计采用菜单式设计),软件菜单如图4所示。为了方便对已建电站进行资料统计,软件设有资料库菜单,保存和打 开已建电 站的参数,模型资料、设计资料、规程规范等。
水轮机选型设计基本依据是水轮机型谱和模型综合特性曲线。本文研究主要包括模型数据库和程序编制2部分内容。 软件设计结构图如图5所示。模型数据库包含了水轮机型谱数据和水轮机模型综合特性曲线2部分内容,利用GetData软件将水轮机模型综 合特性曲 线离散化 并保存入 模型数据 库。 选型计算过程中可调用模型数据库中的相关数据,最终根据模型综合特性曲线经过相似换算绘制出运转特性曲线。运转等效率线绘制的效果图如图6所示。
4实例验证
本文选择了一个已建电站和一个正在施工的电站作为工程案例进行软件验证,验证情况良好。2个电站分别为石门皂市金家沟水电站和厄瓜多尔Quijos水电站,其基本情况如下。
金家沟水电站位于湖南省常德市石门县皂市镇,系皂市水电站的保安自备电站,装机1台15 MW立轴混流式水轮发电机组,地面式厂房。该电站于2009年建成发电,目前运行情况良好。水轮机模型型号为HLA616。在选择水 轮机安装 高程时,由于该电站是利用皂市水电站施工导流洞引水发电,而引水道(导流洞)出口中心高程为74.3m,因此取安装高程为74.3 m,与导流洞出口中心高程相同。
Quijos水电站位于厄瓜多 尔共和国 首都基多Quito东南方约80km处,距Papallacta镇17km。电站为引水式,地面式厂房,通过隧洞和压力钢管将河水引至厂房。装设3台16.74 MW立轴混流式水轮发电机组,总装机容量50.22 MW。电站目前正在施工,水轮机模型型号为HLA542。
表1给出的是金家沟电站的手动选型和软件自动选型对比结果。表2给出Quijos电站手动选型和软件自动选型对比结果。
从表1和表2中的数据对比中不难得出,计算机选型计算的结果与经验丰富的设计人员手动选型计算的结果相近,误差在允许范围内。与手动选型相比,软件自动选型更能满足精度要求,且设计效率大大提高,具有很高的市场推广价值。
5结语
开发设计水轮机选型计算软件的主要优势如下。
(1)总结设计工作人员多年水电站设计经验和统计资料, 计算精度高,且能够满足不同用户的不同需要。
(2)建立了较为准确的模型库。利用适当插值算法拟合出相关参数关系曲线,代替了复杂的人工试代过程,同时保证了取值的精度,提高了选型计算的速度。