高 磊
( 黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,哈爾濱150080)
水輪機(jī)是水電站發(fā)電運(yùn)行的重要設(shè)備,它將水能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能。水輪機(jī)機(jī)組特性的好壞將直接決定水電站的發(fā)電量,因此是影響水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及效益優(yōu)越的重要因素。
以往我們根據(jù)電站的水文水能等基礎(chǔ)資料進(jìn)行水輪機(jī)的選型工作,并根據(jù)工程樞紐的總體布置以及水輪機(jī)的綜合特性、制造材料及加工工藝等條件,按照運(yùn)行高效、經(jīng)濟(jì)合理等設(shè)計(jì)院原則進(jìn)行方案比選。這部分工作大多是由設(shè)計(jì)者人工進(jìn)行計(jì)算的,不但耗時(shí)長,而且精度往往也不夠高,并且無法保證選取的是最優(yōu)工況及方案。而對選定方案中所需要繪制的真機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線,更是由于曲線的繪制主要是依據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線進(jìn)行大量的查表、計(jì)算、繪制等工作,顯得繁重枯燥,并且難以保證繪制的精度和質(zhì)量。
如果能夠通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來進(jìn)行這部分繁重的計(jì)算工作,便可以將設(shè)計(jì)者解放出來,將更多的精力投放到方案優(yōu)化上面,有效的提高設(shè)計(jì)效率以及工程質(zhì)量。
本文將結(jié)合平時(shí)工作中所應(yīng)用的選型計(jì)算輔助軟件來談一下水輪機(jī)選型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
本文所選用的選型計(jì)算輔助軟件適用于混流式、軸流式、貫流式、沖擊式水輪機(jī)選型計(jì)算,其主要內(nèi)容有: 水輪機(jī)選型;真機(jī)參數(shù)計(jì)算; 模型數(shù)據(jù)庫查詢; 真機(jī)特性曲線繪制;自動(dòng)生成機(jī)組安裝布置圖等。
輔助設(shè)計(jì)軟件根據(jù)輸入的水頭、裝機(jī)容量或引用流量等基本參數(shù),從轉(zhuǎn)輪模型庫中自動(dòng)選出合適的轉(zhuǎn)輪,并計(jì)算出轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)速等參數(shù),還能對選定的轉(zhuǎn)輪繪制運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線、計(jì)算真機(jī)性能參數(shù)、繪制安裝布置圖等。
1) 設(shè)計(jì)水頭Hr( m) 。
2) 最高水頭Hmax( m) 。
3) 最低水頭Hmin( m) 。
4) 單機(jī)額定出力Wr 或根據(jù)電站最大流量Qmax 選型確定裝機(jī)容量和臺數(shù)。
5) 各水頭下加權(quán)因子( 計(jì)算加權(quán)平均效率用) 。
1) 選用的水輪機(jī)應(yīng)高效。除了要選擇高效率的轉(zhuǎn)輪型號,還要根據(jù)模型綜合特性曲線及真機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線選擇工況范圍最優(yōu)的轉(zhuǎn)輪,以保證水輪機(jī)的高效運(yùn)行。
2) 選定的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑應(yīng)盡可能小。轉(zhuǎn)輪直徑越小,機(jī)組獲得的轉(zhuǎn)速越高,因而可以減小機(jī)組尺寸,降低機(jī)組投資。
3) 選定的水輪機(jī)汽蝕性能應(yīng)盡可能良好,以保證運(yùn)行穩(wěn)定( 壓力脈動(dòng)小) 。
1) 根據(jù)電站最高水頭Hmax( m) ≤模型轉(zhuǎn)輪最大使用水頭原則,從轉(zhuǎn)輪模型庫中篩選出相應(yīng)轉(zhuǎn)輪型號,分別計(jì)算出轉(zhuǎn)輪直徑D1和轉(zhuǎn)速n,取與轉(zhuǎn)速n 相近的發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速,計(jì)算工況參數(shù)( 單元轉(zhuǎn)速n10、單元流量q10、效率ηM等) ,繪制模型綜合曲線和真機(jī)工作特性曲線。
2) 因真機(jī)和模型工況有差別,從模型綜合曲線上插值求得的模型單元轉(zhuǎn)速n10、單元流量q10、效率ηM等在換算成真機(jī)工況參數(shù)時(shí)應(yīng)進(jìn)行修正。
3) 由于反擊型水輪機(jī)和沖擊型水輪機(jī)的單元工作量計(jì)算公式不同,因此在選型計(jì)算時(shí)必須指明是選反擊型水輪機(jī)還是選沖擊型水輪機(jī)。
首先在水輪機(jī)選型計(jì)算基本參數(shù)界輸入電站各項(xiàng)基本參數(shù),見圖1。
輸入各項(xiàng)基本參數(shù)以后,在“選型計(jì)算條件設(shè)置”中設(shè)定好條件后,點(diǎn)選“水輪機(jī)選型計(jì)算”,軟件會自動(dòng)篩選出一系列合適的轉(zhuǎn)輪型號及其參數(shù),篩選結(jié)果見圖2。
圖1 選型計(jì)算參數(shù)示意圖
圖2 生成選型數(shù)據(jù)庫示意圖
對70 ~100 m的中低水頭來說,海選出來的模型數(shù)據(jù)庫往往會有很多符合條件的轉(zhuǎn)輪,因此需對轉(zhuǎn)輪的選取做精簡。因?yàn)檗D(zhuǎn)輪直徑D1與單位流量q1的平方根成反比,因此模型適用的水頭段越高,其轉(zhuǎn)輪對應(yīng)的q1越小,從而導(dǎo)致適用于高水頭段的轉(zhuǎn)輪用于低水頭時(shí),計(jì)算出的轉(zhuǎn)輪直徑D1偏大,設(shè)備投資也會因此增大。如果在“選型計(jì)算條件設(shè)置”除去適用水頭段過高的轉(zhuǎn)輪在進(jìn)行計(jì)算,生成的數(shù)據(jù)庫就會精簡很多,更方便比較方案。但對高水頭或沖擊式轉(zhuǎn)輪的選型而言,就沒必要再設(shè)置按水頭段選型了,因?yàn)楦咚^段轉(zhuǎn)輪模型本來就不多。
選型計(jì)算時(shí),額定工況點(diǎn)在模型曲線上的位置是需要重點(diǎn)考慮的因素,一般情況下要求額定工況點(diǎn)要在模型最優(yōu)工況點(diǎn)的右側(cè)偏下位置較為合理,見圖3。
圖3 模型曲線比較示意圖
除了比較模型曲線外,有時(shí)還需要比較額定工況點(diǎn)在運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線上的位置,見圖4。
圖4 運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線比較圖
經(jīng)過以上一系列參數(shù)的設(shè)置,并通過分別對模型曲線以及運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的比較,優(yōu)選出來的轉(zhuǎn)輪即可具備優(yōu)秀的特性參數(shù)。
對于選定的轉(zhuǎn)輪還可以通過輔助軟件進(jìn)行真機(jī)參數(shù)的計(jì)算,軟件通過關(guān)聯(lián)AutoCAD 自動(dòng)繪制出的真機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線見圖5。
圖5 生成的運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線圖
通過由輔助設(shè)計(jì)軟件繪制出的選定機(jī)型的真機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線,我們可以進(jìn)一步得出真機(jī)的各項(xiàng)有關(guān)參數(shù),來確保所選機(jī)型的合理性以及先進(jìn)性。
通過選型輔助設(shè)計(jì)軟件的一系列計(jì)算以及比選,設(shè)計(jì)者可以用最基本的參數(shù)調(diào)整以及篩選數(shù)據(jù),最大限度的對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,而不是再將大部分精力投入到冗繁的重復(fù)計(jì)算中。輔助設(shè)計(jì)軟件自動(dòng)生成的選型方案比較表、中英文設(shè)計(jì)說明書以及自動(dòng)繪制的模型綜合特性曲線、運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線、安裝布置圖等設(shè)計(jì)成果,也最大程度上節(jié)約了計(jì)算時(shí)間,提高了設(shè)計(jì)效率,優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案,加深了設(shè)計(jì)精度。
因此在設(shè)計(jì)過程中,我們期望可以有更多更好的輔助設(shè)計(jì)軟件的出現(xiàn),來進(jìn)一步為設(shè)計(jì)工作提供更大力度的支持與幫助,讓我們的設(shè)計(jì)成果更加完善。
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