水轮机稳定性探讨.docx
- 文档编号:13146446
- 上传时间:2023-06-11
- 格式:DOCX
- 页数:30
- 大小:70.59KB
水轮机稳定性探讨.docx
《水轮机稳定性探讨.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《水轮机稳定性探讨.docx(30页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
水轮机稳定性探讨
毕业设计(论文)
题目水轮机稳定性探讨
学生姓名郑航
学号2011309543
专业发电厂及电力系统
班级20113095
指导教师陈红梅
评阅教师陈红梅
完成日期2013年12月25日
论文/设计/报告原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文/设计/报告是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了论文/设计/报告中特别加以标注引用的内容外,本论文/设计/报告不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
年月日
论文/设计/报告版权使用授权书
本论文/设计/报告作者完全了解学校有关保障、使用学位论文/设计/报告的规定,同意学校保留并向有关论文/设计/报告管理部门或机构送交论文/设计/报告的复印件和电子版,允许论文/设计/报告被查阅和借阅。
本人授权省级优秀论文/设计/报告评选机构将本论文/设计/报告的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文/设计/报告。
本论文/设计/报告属于
1、保密□,在_________年解密后适用本授权书。
2、不保密□。
(请在以上相应方框内打“√”)
作者签名:
年月日
导师签名:
年月日
三峡电力职业学院
毕业设计(论文)课题任务书
(2013----2014学年)
课题名称
《水轮机稳定性探讨》
学生姓名
郑航
专业
发电厂及电力系统
班号
20113095
指导教师
陈红梅
指导人数
2
课题概述:
在水电站运行过程中,水轮机是其重要的设备之一,如何保证水轮机的稳定是保证水电站正常运行的主要保障,但在实际运行当中,水轮机的稳定性还需要对机组运行的稳定性和叶片的裂纹问题进行研究,以减少水轮机安全运行的隐患。
本课题通过对影响水轮机稳定性的因素进行分析研究,提出了提高机组运行稳定性的对策建议。
一、设计任务
水轮机稳定性探讨
二、设计目的
1.通过设计,加深对《水轮发电机组》知识理解、巩固和提高学过的理论与专业知识,并予以适当的深化。
2.通过本次设计,培养学生综合学生应用所学知识,解决具体问题的能力。
3.学会在接到项目时如何搜集和查阅资料、进行方案论证与设计、总结设计成果,撰写学术论文等,为今后工作打下良好基础。
三、完成成果
1.开题报告一份
2.设计论文一份
3.长江干流图一份
4.结论一份
四、设计完成时间:
2014.3.30之前完成设计及论文撰写
参考资料及文献(包括指定给学生阅读的外文资料):
[1]
[2]关于水轮机稳定性问题探讨
[3]向家坝巨型混流式水轮机运行稳定性研究
[4]水轮机稳定运行的分析研究
[5]隔河岩电站1号水轮机水力稳定性的若干问题研究
[6]老江底水电站水轮机水力稳定性分析
[7]公伯峡水电站水轮机稳定性的优化措施
[8]三峡水电厂21号水轮机稳定性试验
设计(论文)成果要求:
1、开题报告:
2500字
2、说明书:
1000字
3、图纸:
A4号
4、实习报告:
5000字
5、论文:
>=6000字
6、其它:
按要求提供论文及论文全文电子文档
进度计划安排
起止日期
要求完成的内容及质量
1、2013年春季学期
(2013.6.15-2013.6.22)
下达毕业设计(论文)任务书
学习毕业设计(论文)要求及有关规定
阅读指定的参考资料及文献。
完成开题报告。
2、2013.6.23-2013.10.10
阅读指定的参考资料及文献,撰写论文
3、2013年秋季学期
(2013.10.10-2013.12.10)
提交毕业设计(论文)成果(包括纸质文本和电子文本)。
完成毕业设计,全部成果交指导教师批阅。
4、2014年春季学期
(2013.2.28-2014.3.10)
5、2013年秋季学期
(2014.3.10-2014.3.20)
6、2013年秋季学期
(2014.3.20-2014.3.30)
指导老师按规范要求对毕业设计(论文)进行形式审查。
评阅教师批阅毕业设计(论文)成果
毕业答辩
审核(系主任)
批准(院长)
毕业设计(论文)开题报告
题目水轮机稳定性探讨
学生姓名郑航
学号2011309543
专业发电厂及电力系统
班级20113095
指导教师陈红梅
完成日期2013年12月25日
一、课题名称、来源、目的和意义
1、论文名称
水轮机稳定性探讨
2、论文来源
三峡电力职业学院
3、目的和意义
随着发电机组单相容量的提高,机组尺寸的逐步增大,比转速的不断提高,相对刚度的减弱,人们对于大型水轮机的运行稳定性日益重视,同时,随着技术的高速发展,机组运行的自动化程度越来越高,无人值班,少人值守,远程控制的水电厂日益增多,对机组运行稳定性的要求亦日趋严格。
在水轮机稳定性探讨中,我们有成功的经验,也有失败的教训,经验和教训都将丰富系统工程的理论,也给后人提供了一个典型的案例。
在水电站运行过程中,水轮机是其重要的设备之一,如何保证水轮机的稳定是保证水电站正常运行的主要保障,但在实际运行当中,水轮机的稳定性还需要对机组运行的稳定性和叶片的裂纹问题进行研究,以减少水轮机安全运行的隐患。
通过设计,我加深了对《水轮机发电机组》知识理解、巩固和提高学过的理论与专业知识,并予以适当的深化。
二、国内现状
目前,国内特大型混流式水轮机发电机组发展迅速。
举世瞩目的三峡水电站单机容量达700MW的机组现已投产发电,这是我国水电机组发展史上一个新的里程碑。
溪洛渡、向家坝、拉西瓦、小湾、龙滩等一批水电站的700MW级特大型混流式机组也陆续投入使用。
水电作为可再生能源在世界能源中占有越来越重要的位置,虽然近年来我国水电开发进程明显加快,但总体来看,我国水能资源利用率还比较低,开发利用潜力很大,继续加强水电建设、合理利用水能资源是保障我国能源供应的重要措施。
三、研究内容
近些年来,由世界一些著名水轮机生产厂家制造的一些国内外大型混流式水轮发电机组,虽然都是采用现代水力仿真手段设计优质的材料和先进的加工工艺制造而成,但大多都出现了不同程度的压力脉动和振动,并在运行初期都出现了转轮裂纹,特别是在高水头区域运行时,机组的振动明显增大。
这些问题的出现,使机组的安全稳定运行受到严重威胁,并给电站带来了明显的效益损失。
水轮机是水力发电厂的心脏,它将谁的能量转化为机械能,其运行稳定性直接关系到整个水电厂的经济型、安全性和可靠性。
在水轮发电机组运行中,影响其稳定性的因素很多,也很复杂,它与一般旋转机械不同,往往是流体、机械、电磁等诸多因素的综合作用。
比如电磁方面的因素,由于发电机电磁设计不良引起的磁力不平衡以及定、转子圆度误差较大,空气间隙不均匀等因素的影响,会造成机组运行不稳定。
再比如机械方面的因素,对于大型水轮发电机组,由于受到运输条件等的限制,水轮机转轮、发电机定子采取分辨运输,现场组焊;发电机转子采取分零部件运输,现场组装。
因此,可能会造成水轮机转轮,发电机转子磁极、及转子支架的重量偏差,引起重量不平衡,当机组旋转运行时,就会产生不平衡力,进而引起重量不平衡,当机组旋转运行时,就会产生不平衡力,进而引起机组振动。
但对于中小型机组,水轮机转轮,发电机定子,转子一般可以再制造厂加工好后整体运输,因而该因素的影响可大大减少。
然而最重要的是水力方面的因素。
包括:
尾水管引起的压力脉动,当机组在最优工况运行时,转轮出口水流应是近法向流出,此时,转轮出口水流不发生旋转,当水轮机偏离最优工况运行时,由于转轮出口处的旋转水流以及脱流漩涡和气蚀等的影响,在尾水管内常引起水压的脉动;水轮机转轮的压力脉动,其中包括卡门涡街引起的振动,转轮进口引起的压力脉动等;还有固定导叶尾部的紊流引起的振动,当流水中放置了物体时,只要其水流不是层流,在物体尾部就会产生具有尾涡的紊流;蜗壳鼻端与转轮叶片相互作用引起的振动,对于高水头魂流式水轮机,其蜗壳鼻端需要一定的厚度,起隔流作用,将压力钢管末端的水流和流到蜗壳末端的水流分开,由于高水头水轮机蜗壳内流速较大,水流在我可内的摩擦损失亦较大,致使上述两股不同能量的水流在蜗壳鼻端后面相遇时,引起强烈尾涡;流到的非对称性引起的振动,由于加工手段和精度的问题,造成蜗壳、导叶、转轮叶片的不均匀或不对称,以及转轮偏车产生的密封间隙不均匀等,除了会引起水压的脉动外,还会引起转轮的横向或纵向振动;轴流式机组的狭缝射流,在轴流式水轮机中,由于转轮叶片的工作面和背面存在着压力差,在轮叶外援和转轮室之间的狭窄缝隙中,形成一股射流,其速度很高,压力很低,在转轮旋转过程中,形成对转轮室壁的周期性压力脉动,从而产生振动,导致疲劳破坏;轴流机组的叶片扭矩及变形,当运行工况偏离最优区时,定浆式机组转轮叶片冲角会发生变化,或当转桨式机组协联关系不正确时,转轮叶片不再具有无撞击进口,水流对叶片就会产生冲击;气蚀引起的振动,水轮机长期运行气蚀严重时,转轮叶片冲角变化较大,使叶片产生强烈的脱流漩涡,一方面恶化气蚀现象,另一方面引起转动部分及尾水管的振动;其他原因,如不合理的运行方式,尤其是偏离额定水头较远带负荷运行。
随着机组尺寸和容量的增大、比转速的提高,大型混流式机组水力稳定性问题俞显突出。
针对岩滩、五强溪等机组出现的水力稳定性问题,有关制造厂及研究机构开展了尾水管压力脉动引起的水力稳定性预测研究、混流式水轮机部分负荷下水力稳定性试验研究以及高水头大负荷转轮前中频压力脉动等测试和消除方法研究等等,积极预防或减轻水力振动的发生,提高水轮机的运行稳定性。
针对现阶段对施工期混凝土拱坝坝体变形变化规律的研究,由于施工期混凝土所释放的水化热较多,确定了用坝体浇筑高程表征对坝体变形的影响。
由于1992年巴基斯坦塔贝拉电站440MW机组和2009年俄罗斯萨阳舒申斯客电站640MW机组相继出现了重大事故,三峡机组采用了诸多技术设施,无论是额定水头为80.8m的14台左岸电站水轮机,还是额定水头为85m的12台右岸电站水轮机,迄今运行良好。
但三峡机组在电网实际运行中,由于国家调度体制上的原因,不能充分发挥“最大容量”的设计能力,未能实现“保证安全运行”并“多发电量”的效果。
三峡、大古力、伊泰普等水电站都规定在60%额定出力以上的区域运行,实际上伊泰普水电站几乎是在80%额定出力以上的区域运行,机组运行负荷没有大起大落的变化。
由于模型试验时的压力脉动与原型机运行时并无确定的相似关系,所以在试运行中考察真机的稳定运行性能,并在长期运行中坚持按分区运行的要求进行调度是十分必要的。
影响水轮机运行稳定性的因素很多,它包括电磁、机械、水力等诸多因素,其中水力稳定性是关键因素,如叶道涡、卡门涡、尾水管涡带、空化等。
对水轮机稳定性具体要求:
不产生高部分负荷压力脉动;尾水管压力脉动满足要求;导叶后、转轮前区域(无叶区)压力脉动满足要求;在水轮机长期连续安全稳定运行范围内,不允许存在初生叶道涡流和叶片出水边可见门涡;叶片进口边负压面初生空化线和正压面初生空化线不能进入水轮机长期连续安全稳定运行范围内。
四、课题研究计划
阶段
任务
时间
论文准备
收集并阅读水轮机稳定性的文献资料
2013.6.15-2013.6.22
论文撰写
论文撰写
2013.6.23-2013.12.25
论文答辩
论文答辩
2013.12.25-2014.3.30
五、参考文献
[1]《关于水轮机稳定性问题探讨》张锴
[2《水轮机稳定运行的分析研究》岳高峰水利部产品质量标准研究所
[3]《水轮发电机组的安装与检修》盛国林
目录
摘要……………………………………………………………………………………1
前言……………………………………………………………………………………2
1水轮发电机组综述…………………………………………………………………3
1.1水轮机概述………………………………………………………………………3
1.2反击式水轮机……………………………………………………………………3
1.3冲击式水轮机……………………………………………………………………4
2水轮机运行稳定性综述…………………………………………………………4
2.1水轮机运行稳定性现状…………………………………………………………5
2.2水轮机运行稳定性研究方法……………………………………………………6
3水轮机稳定性评估………………………………………………………………7
3.1水轮机尾水管水压脉动机理……………………………………………………7
3.2水轮机水轮机振动分析…………………………………………………………9
4水轮机运行的稳定性……………………………………………………………10
3.1电气方面…………………………………………………………………………11
3.2机械方面…………………………………………………………………………12
3.3水力方面…………………………………………………………………………12
5提高水轮机稳定性………………………………………………………………13
5.1水轮机Hmax/Hmin的变化范围…………………………………………………13
5.2水力设计的科学性和合理性……………………………………………………13
5.3水轮机转轮的结构设计…………………………………………………………14
5.4水轮机制造质量…………………………………………………………………14
5.5制造工艺和检修质量……………………………………………………………14
5.6尾水管涡带引起的振动…………………………………………………………15
结论……………………………………………………………………………………17
致谢……………………………………………………………………………………18
参考文献………………………………………………………………………………19
水轮机稳定性探讨
学生:
郑航
指导教师:
陈红梅
教学单位:
三峡电力职业学院
摘要:
全世界能源陷入了紧张的危机,我国也不例外,能源的紧缺导致了煤荒、电荒的发生。
目前我国电能来源以水电站占据大部分,在水电站运行过程中,水轮机是其重要的设备之一,如何保证水轮机的稳定是保证水电站正常运行的主要保障,但在实际运行当中,水轮机的稳定性还需要对机组运行的稳定性和导叶的裂纹问题进行研究,以减少水轮机安全运行的隐患。
为此,就水电站机组运行稳定性的问题进行了研究,提出了优设计、加强制造和检修质量的控制、消除尾水管涡带引起的振动等行之有效的措施。
本文重点分析了水轮机能量、空化和稳定性,并把水力稳定放在首位,同时展望我国水轮的发展方向。
水轮机的水力不稳定问题具有一定的普遍性。
原因是多方面的.表现形式也多种多样。
因为它直接关系到机组运行的可靠性、电厂的企业效益、电网的安全和整体效益以及社会效益等多方面因素,所以不容忽视。
从目前国内外存在的问题分析其原因。
电站建设条件苛刻客观存在,如运行水头变幅太大、运行工况不佳等,但与水轮机的设计、制造技术也密不可分。
近些年来.由世界一些著名水轮机生产厂家制造的一些国内外大型混流式水轮发电机组。
虽然都是采用现代水力仿真手段设计、优质的材料和先进的加工工艺制造而成,但大多都出现了不同程度的压力脉动和振动。
并在运行初期都出现了转轮裂纹。
如国外的大古力III、古里II等,尤其是塔贝拉电站14台机组均出现了不同程度的振动和裂纹。
我国的岩滩、五强溪以及刚运行不久的二滩、李家峡、小浪底、大朝山等电站转轮叶片也均出现了裂纹。
特别是在高水头区域运行时,机组的振动明显增大。
这些问题的出现,使机组的安全稳定运行受到严重威胁,并给电站带来了明显的效益损失。
关键词:
水轮机、稳定运行、振动
前言
在非设计工况下,水轮机过流部件的压力脉动和由匪力脉动诱发的振动及振动区域的大小程度,以及由电磁和机械的原因引起的振动程度、功率摆动的程度、水轮机的噪声等。
因此,水轮机稳定性应广义理解为水轮发电机组的稳定性。
由此可见,水轮机运行的稳定性也是水轮机的一项很重要的性能。
在水电站设计中,必须把水轮机的稳定性与其能量指标、空蚀性能一并作为选择水轮机的三大要素加以综合参考。
近年来有不少大型水轮机投入运行,如二滩电站550MW机组、李家峡电站400MW机组、岩滩与小浪底电蛄300MW机组等。
但是.不少大型水电机组在运行稳定性方面出现不少问题,机组振动较大、叶片裂纹、甚至引起厂房振动,影响机组与电站安全运行。
尤其是,有些大型水电站机组运行方式欠佳。
机组经常处于空载调压和空转备用进行状态,负荷变化频繁,甚至带较小负荷运行,致使机组长期处予不合理的工况下运行,造成水轮机破坏严重。
因此,针对目前电网调度实际情况,饕求水轮机具有较宽的稳定运行范围。
在水电站设计工作中,也必须采取相应措施,以优化水轮机运行稳定性。
对于我国大部分的水电站来讲,混流式水轮发电机是各水电站的重要设备,混流式水轮机以其简单、高效、制造工艺成熟等诸多优点成为各水电站低成本、高效益稳定运行的重要保障。
混流式发电机以其强大的优势占据着水电站机组的主导位置,但混流式水轮机还存着自身无法克服的弱点。
混流式水轮机机组的振动和叶片的裂纹已成为威胁机组安全的重要隐患,严重阻碍了水电站的经济效益的发挥。
所以对混流式水轮机运行的稳定性进行研究已刻不容缓。
1水轮发电机组综述
1.1水轮机概述
水轮机是一种将河流中蕴藏的水能转换成旋转机械能的原动力。
水流流过水轮机时,通过主轴带动发电机将旋转机械能转化成电能。
根据转轮转换水流能量方式的不同,水轮机分成两大类:
反击式水轮机和冲击式水轮机。
反击式水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机;冲击式水轮机分为水斗式水轮机、斜击式水轮机和双击式水轮机。
水轮机类型及应用水头范围
类型
形式
适应水头(m)
反击式水轮机
混流式(HL)
混流式
20-700
混流可逆式
80-600
轴流式(ZL)
轴流转桨式(ZD)
3-80
轴流定桨式(ZZ)
3-50
斜流式(XL)
斜流式
40-200
斜流可逆式
40-120
贯流式(GL)
贯流转桨式(GZ)
1-25
贯流定桨式(GD)
冲击式水轮机
水斗式(CJ)
40-1700
斜击式(XJ)
20-300
双击式(SJ)
5-100
1.2反击式水轮机
1.2.1混流式水轮机
混流式水轮机水流从四周沿径向进入转轮,然后近似以轴向流出转轮。
结构简单、运行稳定且效率高,是应用最广泛的一种水轮机。
1.2.2轴流式水轮机
轴流式水轮机水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动,而在转轮区内水流保持轴向流动。
根据其转轮叶片在运行中能否转动,又可分为轴流定桨式和轴流转桨式两种。
轴流定桨式水轮机的转轮叶片是固定的,因而结构简单,造价较低,适用于出力较小以及水头变化幅度较小的水电站。
轴流转桨式水轮机的转轮叶片可以根据运行工况的改变而转动,从而扩大了高效率区的范围,提高了运行的稳定性。
1.2.3斜流式水轮机
斜流式水轮机水流在转轮区内沿着与主轴成某一角度的方向流动,其转轮叶片大多做成可转的形式。
1.2.4贯流式水轮机
贯流式水轮机是一种流到近似为直筒状的卧轴式水轮机,它不设饮水蜗壳,叶片可做成固定的和可转动的两种。
根据发电装置形式的不同,全贯流式和半贯流式两类。
1.3冲击式水轮机
冲击式水轮机的转轮始终处于大气中,来自压力钢管的高压水流在进入水轮机之前已转变成高速自由射流,该射流冲击转轮的部分叶片,并在轮叶的约束下发生流速大小和方向的急剧改变,从而将其动能大部分传递给轮叶。
1.3.1水斗式水轮机
水斗式水轮机亦称切机式水轮机。
从喷嘴出来的高速自由射流沿转轮周围切线方向垂直冲击轮叶。
1.3.2斜击式水轮机
斜击式水轮机,水流从转轮的一侧进入转轮叶再从另一侧流出轮叶,与水斗式相比,其流量较大,但效率较低。
1.3.3双击式水轮机
从喷嘴出来的射流先后两次冲击在转轮叶片上。
这种水轮机的结构简单、制作方便,但效率低、转轮叶片强度差。
2水轮机运行稳定性综述
水轮机的主要特性有三个:
即能量特性,抗空蚀特性和水力稳定性。
这三个特性是水轮机性能评估,投标、采购、验收和维护运行最主要的三个指标,是科研人员研究最深入最广泛的课题,也是水轮机用户最关注的指标参数。
这三个特性指标是水轮机内在表现特征,是研究水轮机稳定性的关键出发点。
2.1水轮机运行稳定性现状
早在上世纪50~80年代就出现了不少大型水轮机水力稳定性很差的问题,引起水轮机稳定性差主要的原因是这些水轮机的尺寸巨大,相对刚度低,运行水位条件恶劣等,随着水轮机的使用年代越来越久远,不稳定性问题呈现出的危害性也越来越明显。
这在国内和国外的许多案例中都能得到充分体现。
在国外,出现水轮机水力不稳定问题比较典型的事例是巴基斯坦的塔贝拉水电站。
塔贝拉水电站是巴基斯坦最大的水电站,总装机容量3510MW。
第二电厂装有4台440MW水轮机,其运行水头变化幅度是大型混流式水轮机之最。
其中有两台水轮机在投产不到半年的时间,因水力不稳定问题,出现共振损坏,被迫停机修复一年,修复32项后在补气系统的支持下正常运行。
具体情况如下:
第二电厂的14号水轮机在1992年5月开始运行,13号水轮机在1992年7月开始运行,两个水轮机分别在运行4194h和2670h后,因事故被迫停机。
事后据电厂人员分析,初期水库水位较低,电站水头也较低,约为100m,在这种情况下水轮机运行正常。
此后,由于水库水位上升,在水位达到457.2m时,电站水头随之增高,水轮机运行振动开始增大,运行部门检测到噪声、振动不正常,但是加拿大制造及安装商认为这是大水轮机运行过程中的正常现象,没有做出任何处理。
随后,现场人员发现尾水管进入孔的廊道内,出现尾水管椎管壁漏水现象。
两台水轮机相继停机。
经检查发现:
在尾水管椎管段,靠进口处沿水平方向有数条裂纹,每条长度不到1m,总长度约为3~4m;座环和低环的52个连接螺栓松动;经超声波探伤,靠近上冠的转轮叶片进口边有裂纹。
这次事故事后分析主要原因有:
电站运行水头变幅很大,水轮机的尾水管在高水头工作时候产生涡带,并且在部分负荷区涡带有扩大趋势;在高水位部分负荷运行区里,转轮进水边冲角的增大使得水流在叶片负压侧形成涡流,在叶片上诱发了振动;尾水椎管的选材也存在问题,用的是抗疲劳强度差的奥氏体钢板。
表1中举了几个国内外比较典型的出现水轮机稳定性问题的水电站:
表1国内外出现水轮机稳定性问题的水电站
电站名称
国家
总装机容量(MW)
稳定性问题的具体表现
古里水电站
委内瑞拉
10300
振动、空蚀严重
大古力水电站
美国
6809
振动、空蚀严重,发生定、转子碰撞事故
菩彦-舒申斯克水电站
俄罗斯
6400
发生厂房破坏,机毁人亡重大事故
大朝山水电站
中国云南
1350
卡门涡产生蜂鸣,叶片出现裂纹
小浪底水电站
中国河南
1800
异常噪声,大轴抖动
刘家岭水电站
中国甘肃
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 水轮机 稳定性 探讨
![提示](https://static.bingdoc.com/images/bang_tan.gif)