【文章內(nèi)容簡介】 AA 2)( 21 ??? 式中： A ─── 運(yùn)轉(zhuǎn)曲線上，兩相鄰等效率線之間的面積（水輪機(jī)工作范圍內(nèi)）。 1? 、 2? ──運(yùn)轉(zhuǎn)曲線上，兩相鄰等效率線的效率值。 二、重新估算平均年發(fā)電量 E ，年平均功率 P 和裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù) yh 原水能設(shè)計(jì)時(shí)，出力系數(shù) ? 取 ??? 原? 式中： 原? ──原水能設(shè)計(jì)估算的水輪 機(jī)效率 QHP ?? 則： fa?? ?原 平均年發(fā)電量 為 : 原原 EE ??? 年平均出力為 : 8760EP? 裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù) 為 : yy PEh /? 三、機(jī)組 主要設(shè)備的投資概算 (本設(shè)計(jì)略 ) 第二章 進(jìn)水閥與調(diào)速器設(shè)備的選擇設(shè)計(jì) 第一節(jié) 進(jìn)水閥的選擇 一、進(jìn)水閥的設(shè)置條件 水輪機(jī)進(jìn)水閥在一些水電站起著上述的重要作用，但是，進(jìn)水閥造價(jià)昂貴，而且增大水電站的土建和安裝工作量，因而在設(shè)置進(jìn)水閥時(shí)，一般應(yīng)符合下列條件： （ 1）聯(lián)合供水方式的電站，應(yīng)在每臺水輪機(jī)前設(shè)置進(jìn)水閥。 （ 2）單元供水方式的電站（一臺機(jī)組一根壓力管道），當(dāng)水頭高于 120m或引水管道較長時(shí)，為了保護(hù)機(jī)組和運(yùn)行方便，可考慮在每臺水輪機(jī)前設(shè)置進(jìn)水閥。 （ 3）當(dāng)最大水頭低于 120m且引水管較短 時(shí)，一般不設(shè)置進(jìn)水閥，但應(yīng)在引水管進(jìn)水口設(shè)置快速閘門。如需設(shè)置水輪機(jī)進(jìn)水閥，應(yīng)經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)的論證。 12 二、進(jìn)水閥的型式 電站常用的進(jìn)水閥有蝴蝶閥、閘閥和球閥等。各種閥門的結(jié)構(gòu)型式和代號見表 2— 1。在這些閥門中，以蝴蝶閥使用最為廣泛。 1．進(jìn)水閥的型式選擇 通常，當(dāng)水頭在 200m以下的水電站，多選擇蝴蝶閥；當(dāng)水頭在 200m以上的水電站，多選擇球閥；而閘閥適用于高水頭、小管徑的水電站，對于 700～ 800m以下，管徑在 1000mm以下均可采用。 表 2－ 1 閥門類型、閥軸布置方式和操 作機(jī)構(gòu)型式規(guī)定 進(jìn)水閥門類型 代號 閥軸布置方式 代號 操作機(jī)構(gòu)型式 代號 鐵餅型蝴蝶閥 DF 臥軸 W 油壓操作 Y 平板型蝴蝶閥 PDF 立軸 L 水壓操作 C 球形閥 QF 電動(dòng)操作 D 手動(dòng)操作 S 2．進(jìn)水閥的直徑選擇 由于 閘閥及球閥的有效過水面積 沒有 減少，全開阻力系數(shù) 幾乎 為零， 設(shè)計(jì)時(shí)，可取 蝸殼進(jìn)口斷面直徑相同來選擇主閥即可 。 而 蝶閥由于活門的存在，使閥門的有效過水面積減少，在選擇蝶閥時(shí)應(yīng)考慮不同水頭的蝶閥有效過水面積減少的影響。設(shè) a 為有效過水面積系數(shù)， 則有 204DFa ?? 式中 a ――閥門 有效過水面積系數(shù) ； 0F ――閥門有效過水面積， 2m ； D ――閥門的直徑， m 。 在選擇蝶閥時(shí)，應(yīng)使它的有效斷面積大于或等于蝸殼進(jìn)口 (指流過總流量處的蝸殼進(jìn)口斷面 )的斷面積。則 閥門直徑 fD 可按下式計(jì)算 ?0DDf ? 3 m a x0 67 H??? 式中 fD ――蝴蝶閥 直徑 ， m ； 0D ―― 蝸殼進(jìn)口 斷面 直徑 ， m ； ? ――與水頭有關(guān)的系數(shù)； maxH ――電站最大 靜水頭， m 。 ? 與 a 均與閥門相對厚度 Db/ 和水頭的大小有關(guān) 系，它們關(guān)系列于表 22中，也可以從圖 21中對應(yīng)的曲線查得。根據(jù)閥門計(jì)算 D 值，在表 23中選擇蝶閥標(biāo)準(zhǔn)直徑。 圖 21 H 與 b/D、α、β的關(guān)系曲線 13 表 22 蝴蝶閥活門相對厚 度 b/D和α、β系數(shù)同水頭 H 關(guān)系 水頭 H(m) 相對厚度 b/D 系 數(shù) α β 25 50 100 150 200 250 表 23 主閥直徑系列 閥型 閥門直徑系列 （ cm） 蝶閥 球閥 可根據(jù)蝸殼進(jìn)口斷面尺寸來確定進(jìn)水閥的直徑，然后確定進(jìn)水閥的類型和操作方式。 3．進(jìn)水閥的承壓能力選擇 在選擇不同型式的進(jìn)水閥時(shí)，應(yīng)充分考慮進(jìn)水閥的承壓能力，要能夠承受水電站工作水頭及其在緊急關(guān)機(jī)時(shí)，引水管中產(chǎn)生的水錘壓力上升值。 注：進(jìn)水閥采用液壓操作時(shí)，需考慮選用專用的進(jìn)水閥油壓裝置。 第二節(jié) 調(diào)節(jié)保證計(jì)算 一、調(diào)節(jié)保證計(jì)算的任務(wù) 電站在運(yùn)行過程中，常會(huì)由于各種事故，機(jī)組突然與系統(tǒng)解列，從而造成甩負(fù)荷。在甩負(fù)荷時(shí)，由于導(dǎo)葉迅 速關(guān)閉，水輪機(jī)的流量會(huì)急劇變化，因此在水輪機(jī)過水系統(tǒng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生水擊，調(diào)節(jié)保證計(jì)算就是計(jì)算出上述過程中最大的轉(zhuǎn)速上升及最大的壓力上升值。 根據(jù)水電站有壓過水系統(tǒng)和機(jī)組特性．選擇合理的調(diào)節(jié)時(shí)間和規(guī)律，使水擊壓力和轉(zhuǎn)速變化率都保證在允許的范圍之內(nèi)；根據(jù)給定機(jī)組的飛輪轉(zhuǎn)矩 GD2和調(diào)節(jié)時(shí)間 sT ，計(jì)算轉(zhuǎn)速變化是否在允許范圍之內(nèi)，或者在給定的轉(zhuǎn)速變化和調(diào)節(jié)時(shí)間的情況下，計(jì)算必需的GD2。 計(jì)算內(nèi)容包括：丟棄全負(fù)荷或部分負(fù)荷時(shí)的機(jī)組轉(zhuǎn)速的最大升高值；壓力水管和蝸殼的最大壓力升高值；壓力 水管和尾水管的最大壓力降低值。增加全負(fù)荷或部分負(fù)荷時(shí)的機(jī)組轉(zhuǎn)速最大降低值；壓力水管內(nèi)的最大壓力降低值。 二、調(diào)節(jié)保證計(jì)算 公式與 標(biāo)準(zhǔn) 所謂調(diào)節(jié)保證計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)，就是指水擊壓力變化和機(jī)組轉(zhuǎn)速變化不超過技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的允許值，因?yàn)榧夹g(shù)規(guī)范是在一定時(shí)期和一定技術(shù)水平及經(jīng)濟(jì)條件下制定的，因而在應(yīng)用時(shí)要結(jié)合具體情況具體考慮。 （一）計(jì)算公式 最大水擊壓力上升率為 ： oHHH 0m axm ax ??? 式中 maxH ――甩負(fù)荷過程中最大水擊壓力（水柱高）， m。 oH ――甩負(fù)荷前的水電站靜水頭， m。 最大轉(zhuǎn)速上升率為 ： 00maxmax n nn ??? 14 式中 maxn ――機(jī)組甩負(fù)荷過程中產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)速， r/min。 oH ――機(jī)組額定轉(zhuǎn)速， r/min。 因?yàn)閴毫ψ兓c轉(zhuǎn)速變化是一對相互矛盾的兩個(gè)方面，調(diào)保計(jì)算的目的就是如何解決這個(gè)矛盾，而且使其在技術(shù)上經(jīng)濟(jì)上合理。 調(diào)節(jié)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn) 如下 ： （二）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn) 壓力變化計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)： 壓力 上升標(biāo)準(zhǔn)： 過水系統(tǒng)末端 (蝸殼末端 )壓力相對升高的允許值 主要根據(jù)經(jīng)濟(jì)技術(shù)要求制定 ， 目前一般采用下列允許值： 當(dāng) H0＞ 100m 時(shí) ~ ax ?? 當(dāng) H0＝ 40～ 100m 時(shí) ~ ax ?? 當(dāng) H0＜ 40m 時(shí) ~ ax ?? 當(dāng)設(shè)置調(diào)壓閥時(shí) ?? 壓力降低標(biāo)準(zhǔn)： 在壓力過水系統(tǒng)內(nèi)任何位置都不允許產(chǎn)生負(fù)壓，而且應(yīng)保證有 2～ 3m的 余壓，作為防止水柱脫離的安全度。尾水管進(jìn)口處允許最大真空度為 8～ 9 OmH2 ，其原因也是防止水柱分離。 轉(zhuǎn)速變化計(jì)算標(biāo)準(zhǔn) 目前對機(jī)組速率上升值戶的允許值尚沒有一個(gè)明確的規(guī)定，爭論較多，這是正常 現(xiàn) 象，因?yàn)殡S著科學(xué)技術(shù)及制造工藝水平的提高， A的允許值也應(yīng)隨著變化。 1)當(dāng)機(jī)組容量占系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎剌^大且擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù)時(shí)， β max＜ ： 2)當(dāng)機(jī)組容量占系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎夭淮蠡驌?dān)負(fù)基荷遠(yuǎn)行時(shí)， β max＜ ： 3)當(dāng)機(jī)組為獨(dú)立運(yùn)行時(shí) ， β max ＜ 4)當(dāng)機(jī)組為 沖擊式水輪機(jī)時(shí)， β max＜ 根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組的現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造水平及電力系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，及對實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的一系列機(jī)組飛逸事故及過速工況的詳細(xì)研究，可以認(rèn)為目前將機(jī)組速率上升允許值 β max 提高到 60％ ～ 70％ 也 是經(jīng)濟(jì)合理的。 調(diào)節(jié)保證計(jì)算一般應(yīng)對兩個(gè)工況進(jìn)行，即計(jì)算設(shè)計(jì)水頭和最大水頭甩全負(fù)荷的壓力上升和速率上升，并取其大者。 三 、調(diào)節(jié)保證計(jì)算 步驟 （一）基本資料 由電站基本資料和前章節(jié)計(jì)算已知，水庫水位、尾水位、電站裝機(jī)容量、電站特征水頭、水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)及電站和電力系統(tǒng)特征。若機(jī)組的 GD2未提供，可按下 式進(jìn)行計(jì)算。 ti lDKGD ? 式中 iD ――定子鐵芯內(nèi)徑， m； tl ――定子鐵芯長度， m。 2K ――經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可查下表。 表 24 GD2的經(jīng)驗(yàn)系數(shù) K2估算表 額定轉(zhuǎn)速（ r/min） 2K 備注 rn 100 轉(zhuǎn)速取下限 100≤rn ≤ 100 rn ＞ 100 4~ 15 （二）計(jì)算步驟 水頭損失的計(jì)算 由進(jìn)水口至水輪機(jī)中心，以其中機(jī)組管道最長來計(jì)算，各管段列表計(jì)算局部損失和沿程失系數(shù) S 值。得出下列關(guān)系式： 2221 QS 單總 ＋QSh ?? 式中 1S ――總管的損失系數(shù)， s2/m5 2S ――單管的損失系數(shù)， s2/m5 表 25 管路阻力系數(shù)計(jì)算表 管段 管徑 (m) 管長 (m) 管路局部阻力系數(shù) 沿程阻力系數(shù) S 值 進(jìn)水口攔污柵 進(jìn)口喇叭 漸 闊 管 彎管 。 。 。 12 。 各管段的 ?LV 計(jì)算 列表計(jì)算各管段的 ?LV 。 表 26 各管段 LV計(jì)算表 序號 名稱 流量 maxQ (m3/s) 長度 iL (m) 流速 iV (m/s) 波速 ia (m/s) iiVL iiaL 1 進(jìn)水口到隧洞末端 2 壓力鋼總管段 3 壓力鋼支管段 4 蝸殼段 5 尾水管直錐段 6 尾水管彎肘段 7 尾水管擴(kuò)散段 （ 1） 進(jìn)水口到隧洞末端、壓力鋼總管和支管段計(jì)算：由已知隧洞洞徑、壓力管徑和流量進(jìn)行計(jì)算。 （ 2） 蝸殼段 ? CCVL 計(jì)算 按蝸殼進(jìn)口 平均流速 計(jì)算，由前取的 進(jìn)口斷面平均流速 CV 和蝸殼中心線長度 CL （ CL 按四個(gè)限象計(jì)算），由于 蝸殼并不是全部串聯(lián)在管路中。則，蝸殼 ? CVCL 按 倍估算。 （ 3） 尾水管段 ? BBVL 計(jì)算 A、 直錐段 ? 11 BBVL 計(jì)算 ： 16 直錐段平均面積： )(8 24231 DDFB ?? ? 平均流速：B11 F單QVB ? 直錐段 幾何長度： 3B1L h＝ 則 ? ?? 1111 BBBB VLVL B、 肘管段 ? 22 BB VL 計(jì)算： 肘管段平均面積： 28 65242 hBDFB ?? ? 平均流速：B22 F單QVB ? 彎肘段幾何尺寸長度 2BL ，可按 42 DLB ? 來估算。 則 ? ?? 2222 BBBB VLVL C、擴(kuò)散段 ? 33 BBVL 計(jì)算 平均面積： 2 )( 5563 BhhFB ??? 平均流速：B32 F單QVB ? 擴(kuò)散段的 幾何長度 按 23 LLB ? 估算 則 ? ?? 3333 BBBB VLVL 故 尾水管段 ? BBVL 為： ? ??? ???333333 BBBBBBBB VLVLVLVL 壓力上升值 計(jì)算 （ 1） 平均 水錘波傳播速度 cpa 只按進(jìn)水口至機(jī)組中心線長度考慮。對于地下埋的鋼筋混凝土管 a ＝ 1400m/s，對于露天鋼筋混凝土管a ＝ 1300m/s，而鋼管 a ＝ 1000m/s?？筛鶕?jù)各管段的實(shí)際情況取值。由下公式計(jì)算平均 水錘波傳 播速度 cpa iiTcpaLaLaLLa???? ??2211 (m/s) 17 （ 2）壓力引水系統(tǒng)平均流速 cpV 可按下式計(jì)算： ??? LLVVcp (m/s) 式中 ???? ??? BBCCTT VLVLVLLV ，BCT LLLL ???? ???。 （ 3）水流慣性時(shí)間常數(shù) wT 在對應(yīng)水頭 iH 下的流量 ，按式 2221 QS 單總 ＋QSh ?? 計(jì)算出損失值 h? 。 則水流慣性時(shí)間常數(shù)為： 0gHLVTw ?? (s) 式中 h0 ??? iHH 。 (4)管道特性系數(shù)計(jì)算 02gHVa cpcp?? swTT?? cpTr a LT ?? 2 按 sT 取一系列值來計(jì)算，可按 4～ 10s 取值。對應(yīng) 的管道特性系數(shù) ? 值。 (5)壓力上升值計(jì)算 若 閥門（導(dǎo)葉）的關(guān)閉時(shí)間 sT ≤ rT ，則發(fā)生直接水錘，電站中應(yīng)當(dāng)避免。 若 閥門（導(dǎo)葉）的關(guān)閉時(shí)間 sT ＞ rT ，則發(fā)生間接水錘，由 ? 、 0?? 在圖 22 上查，可判斷發(fā)生的是第一相水 擊還是末相水擊。 若為第一相水擊，則壓力上升值 max? 計(jì)算公式為： ????? 21 1011 ???或近似式????? ??? 01 1 2 若為第末相水擊，則壓力上升值 max? 計(jì)算公式為： 18 )4(2 2 ????