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沙田水轮机改造开题报告.doc

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毕业设计(论文)开题报告题目: 沙田水电站水轮机转轮的改造研究课 题 类 别: 设计 □ 论文■学 生 姓 名: 于 洋学 号: 200881250131班 级: 热动 0801 班专业(全称): 热能与动力工程指 导 教 师: 戴 曙 光2012 年 03 月一、本课题设计(研究)的目的:水电站水轮机转轮改造的目的是增容增效和保证运行稳定。沙田水电站位于湖南汝城沤水江畔,为湖南省第一座实现综合自动化改造、第一座大直径管道的高水头引水式电站。沙田水电站装机容量 3*18 MW,年发电量 3.2597 亿KW·h,最大水头 149.3 m,最小水头 130 m,额定水头 137.m。沙田水电站水轮机型号为HL160-LJ-140,水轮机转轮直径为 1.4m,额定转速为 600r/min;水轮发电机型号为 SF18-10/300,额定容量 18 MW,额定转速 600r/min。转速沙田水电站投产以来,相继发生水轮机振动、转轮叶片大量裂纹且频繁出现、转轮空蚀及磨损严重、下导轴瓦松动、加上长期补焊整型,其叶片型线、叶片厚度和叶片开口值等均远远偏离设计值,导致三台机组水轮机效率和机组出力大幅度下降,稳定性也很差,已严重威胁机组的安全稳定运行。这些问题的产生跟制造的质量有关,更重要的原因很有可能就是因为水轮机的设计选型不当。从以上问题可以看出沙田水电站的改造是很有必要的,能很明确的看出沙田水电站水轮机装轮改造的目的在于扩大机组的容量,调高机组的效率和稳定性。通过改造使沙田水电站充分利用已有的优势资源,最大程度的发挥其电力补偿等作用。二、设计(研究)现状和发展趋势(文献综述):能源是社会主义经济建设的战略重点之一。自新中国成立以来,我国建设了一大批中小型水电站,在经济发展过程中,这些中小型水电站起到至关重要的作用。目前,我国经济处于高速发展阶段,火力发电因环境污染较为严重,发展受到限制;核电技术还跟不上步伐; 风力、水力发力成为开发的重点。但水轮发电机组和附属设备现已陆续进入退役期或技术改造期,因此,为使其继续发挥作用和创造更好的经济效益,我们必须通过采用新技术、新材料、 新工艺等手段对水轮发电机进行增容改造 [1]。水力发电是一次能源与二次能源同时完成,又是成本低、效率高、无污染,可以再生的清洁能源。由于水轮发电机组在电力系统运行中具有开停机组方便灵活、机组增减负荷迅速、开机时间一般不超过三分钟,因此水轮发电机组在电力系统运行中往往是发挥其调频、调峰的优势,起到稳定电力系统,确保电网安全的重要作用。对已发电的水电站机组进行增容改造以进一步发挥水电机组的优势和经济效益是增加企业在电力市场竞争力的重要途径 [2]。1、我国水电站主要存在的问题从我国水电事业的发展现状来看,大批水电站存在的主要问题及产生的严重后果主要是长期以来水轮机转轮的设计制造与使用条件相脱节,主要表现在下面几个方面:水轮机转轮效率低;水轮机与水轮发电机选型不合理;水轮机运行可靠性差;自然条件的变化。结合上面所说可以就看出80年代以前建设的一大批电站,由于机电设备落后,技术老化,机组设计水平低,制造工艺差,技术参数低。以及部件老化机组出力受阻和自然条件的变化,已不能充分利用已开发的水力资源,从而造成水力资源的再度浪费。再加上电网调峰的迫切需要,如何提高已开发的水力资源的经济效益和社会效益成为许多老水电厂面临的重大课题。从经济的角度分析,开发新电站投资大、周期长,而进行水轮机转轮的增容改造由于不需要再建大坝等水工建筑物,故投资很少,见效很快,经济效益很高。一般认为,对老电站的增容改造其投资要比新建电站低 2/3 以上。所以针对现在的需求,在研究水电站增容增效时大多都是对水轮机的转轮进行研究进行改造 [3]。针对水电站水轮机转轮的改造,目的就在于增容增效和保证稳定运行。通过对转轮的改造达到社会的需求,在解决问题的同时减小投入,达到最大收益。2、国内外水轮机转轮改造分析目前国内外机组增容一般采用两种方式:一是对原有水轮发电机组进行设备改造,一般情况下以不对电站挡水建筑物及机坑土建部分进行改造为前提,通过选择更加适合的新的水轮机转轮型号来提高水轮发电机组的出力;二是增加水电站的机组台数,来达到电站扩容的目的。由于新建一座水电站需要新建大量土建工程和增加必要的发变电设备,新建水电站的投入资金会很大,而且周期也很长。而对现有水电站水轮机转轮进行改造与新建电站相比可以用较低的费用达到增容的效果。现有的水轮机转轮改造可以分为两个大的方向。第一个就是在该水电站的经济条件以及技术条件允许的情况下,针对具体的水电站具体的情况重新设计出一个新的水轮机转轮型号。这种方式就对水电站的要求就会要高一些,因为选用这种改造方式的话所要的时间长,对于水电站的生产是会有影响的。同时耗资会比较大,如果要从新设计出一个新的转轮型号再将其生产出来这是一对一的工作相信中间的工序大家都很清楚,这样是很耗费财力的。但是这样的设计更能够保证改造后的水轮机转轮能更好的适应水电站各方面的条件,这样对水电站提高效率和稳定性肯定是个很好的办法。另一个方向就是在现有的新的转轮的型号中选择一种。经过这么长时间的发展,我们的生产技术水平等各方面都有了很大的提高,水轮机转轮的型号也跟着有了更新,新研发出来的水轮机转轮各方面的性能都有所提高,更能适应现在的水电站的运行要求。这种方式能在一定程度上提高水电站的效率和运行的稳定性,但是毕竟每个水电站的具体的情况都有所不同,所以选用的新的转轮的型号或多或少会有些方面不能融合水电站。这种方式的优点在于跟前一种方式比较改造所需要的周期比较短,耗资也比较少。对于条件不够的水电站采取这种方式可能会更好。上面讲了两个大的方向,这两个改造的方向都还是应该要遵循水轮机转轮改造的基本原则。水轮机转轮改造的基本原则是宜选择高新性能转轮, 适当增加机组容量, 达到增容增效和运行稳定的目的。所选择的水轮机转轮应满足以下要求: 按原水轮机流道尺寸, 预埋部件保持不变; 转轮直径基本不变。现有的水轮机转轮的改造方案是:降低转轮最优单位转速,采用进水边角倾角叶片,增加叶片数量,加厚叶片出水边,增加叶片包角等 [4]。这些方式都是通过对水轮机转轮本身结构进行设计改造,也就是说要去设计一个新的水轮机型号,这些基本都是设计方面的问题。也就是我面上面讲的第一方向,针对具体的水电站以及该水电站的具体情况设计出一个新的水轮机转轮。因为如果从这个方向下手对我们的要求是很高的,针对我们现在所学的以及各方面的约束,我们本课题所要研究的重点放在根据水电站的情况在已经设计出来的新的水轮机型号中选择出一个最适合的型号。3、水轮机转轮改造案例现在我国有很多的老的中小型水电站都需要针对水电站的具体情况对水电站进行改造,那么水轮机的转轮是水轮机的核心部分也是大家在改造时考虑的最多的一个部分。现在国内外也有部分水电站的水轮机转轮的改造比较成功的。例如山美水电站水轮机的转轮由X75c 替换了 A296,改造的情况是:只更换转轮, 保持转轮直径、流道尺寸、水轮机安装高程不变;机组转速不变, 最高、最低水头不变。设计水头由 44m 提高至 48m , 设计流量由77.74 m3/s 提高至 81.06 m3/s, 水轮机出力由 30.87 MW 提高至 35 MW, 最高出力可达36.18 MW。复核最大出力 36.18 MW 的飞逸转速, 最大飞逸转速不大于 353 r/ min , 机组所有旋转部件均能安全承受此飞逸转速下运行 10 min , 不产生有害变化;水轮机平均效率不低于 91 % , 在额定水头 48.0 m、发额定出力 30870 kW 时, 水轮机效率不低于 93.23 %。在全部运行范围内, 原型水轮机最高效率保证值不低于 94.1 % , 模型水轮机最高效率保证值不低于 93.1 %;发电机暂不改造, 发电机额定出力 30 MW 不变。电站改造机组于2008 年 4 月投入运行 , 在相同水头、同一开度下, 机组的有功负荷提高了 5 %。经运行试验, 水头在 44 m 时, 发电机出力达到额定 30 MW, 甩满负荷时, 最大转速上升率小于 40 % , 满足规定值; 最大水压上升率为 46.19 % , 蜗壳绝对水压 68 m 水柱, 满足规定值。经调保计算, 在最大水头机组甩 110 %额定出力情况下, 蜗壳最大绝对水压 89 m 水柱, 小于设计值 100 m 水柱, 符合要求。当水头达到 48 m 时, 水轮机出力可达到 35 MW。受发电机未增容改造限制, 在发电机定、转子线圈及轴承温度等运行参数满足规范要求的条件下, 发电机带 32 MW 有功负荷超出力运行, 各项技术指标均满足规范要求。机组运行稳定, 噪声低, 上支架处水平、垂直振动 0.02 ~ 0.03 mm , 水轮机轴颈处摆度 0.26mm , 优于国家标准。其它运行参数均符合国标要求。机组运行一年多后停机检查, 转轮叶片表面光滑, 完好如初, 没有出现空蚀、裂纹等不良现象 [5]。以上情况表明山美水电站机组转轮改造取得成功。虽然上面有很成功的例子,但是就整体来说这个方向的发展还不是很成熟,因为在改造后出现问题的还是比较多的。所以这个还是值得我们好好的去研究的。4、改造原则:我觉得以后的水轮机转轮的改造还是应该针对具体电站进行专门设计与制造的水轮机选型方法,保证让每一个电站都可以选出适合自己电站条件的最优水轮机型式,从而达到最佳运行效果,取得最大经济效益。虽然说这样的方式对于我们的要求很高,但是随着现在技术的进步我相信这在以后会不是难题。通过采用先进的计算机数值模拟技术对水轮机转轮进行增容改造,具有低投入、高产出、见效快的特点。在改善运行性能的同时减少了运行及维修费用、减少了机组的停机时间,使电厂费用降低并尽快受益。在追求增容增效的同时,水轮机转轮改造过程中我们还要遵循水轮机转轮改造的基本原则。选用的水轮机转轮应满足以下要求: 按原水轮机流道尺寸, 预埋部件保持不变, 转轮直径基本不变。三、设计(研究)的重点与难点,拟采用的途径(研究手段):水轮机转轮的改造是有两种方式但是根据我们具体所学知识等各方面的限制,我们本次沙田水电站水轮机的转轮改造研究就是根据水电站现有机组的具体情况,在转轮的直径以及转速不发生改变的基础上选择现有的转轮型号来增加机组的容量、提高机组的效率和稳定性。也就是说转轮改造的基本原则是机组的其他部分都不变动就只换一个更加合适的转轮。从这个水轮机的核心部分入手来达到研究的目的。研究方案如下:1、根据水电站的具体情况,在更新的型谱中选择出比较适合沙田水电站的转轮型号,同时查找出适合型号的模型综合特性曲线图。2、根据转轮直径以及转速不变的这条基本原则,把直径和转速作为已知条件,通过最高、最低水头、和计算公式得出最高和最低的单位转速。3、用算出的最低和最高单位转速在模型特性曲线中估计出效率区,选择出 2-3 个大部分在高效区的转轮型号。4、确定 2-3 个转轮型号后绘制出运行特性曲线。5、通过运行特性曲线以及其他条件算出平均效率、出力等参数。6、将得出的参数先之间进行比较同时与原来老型号的参数进行比较,选出最优的型号。四、设计(研究)进度计划:第四、五周:收集相关资料(2 周) ;第六、七周:阅读的相关文献写好开题报告和完成外文翻译(2 周) ;第八、九周:提出水轮机转轮改造的主要原则(2 周) ;第十、十一周:水轮机转轮选型计算(2 周) ;第十二、十三周:提出水轮机转轮改造方案(2 周) ;第十四、十五周:毕业论文的撰写(2 周) ;第十六、十七周:答辩及毕业论文的修改(2 周) 。五、参考文献:[1] 曾宪刚。浅析我国水轮发电机现状及其增容改造技术[J]。机电信息,2010,30:41。[2] 胡一栋。龙羊水电站机组增容可行性分析研究[D]。天津大学硕士学位论文,2003。[3] 凌振瀛。水轮机增容改造的问题探讨[J]。浙江水利水电专科学校学报,2001,13:54-56。[4] 汪丽川。岩滩电厂 2 号水轮机转轮改造技术[J]。广西电力,2009,5:62-68。[5] 苏静文。山美水电站水轮机转轮改造[J]。水利科技,2009,3:64-71。[6] 谢智树。水府庙电站水轮机转轮改造简析[J]。湖南水利水电,2007,3:73-74。[7] 张丰秋。东方红水电站水轮机转轮改造[J]。小水电,2002,4:32-33。[8] 任柏青。小型水电站老式机组的增容改造[J]。浙江水利科技,1999,2:18-19。[9] 彭程,钱钢粮。21 世纪中国水电发展前景展望[J]。水力发电,2006,32(2):6-10。[10] 宋恩来。东北地区水电站扩机和设备增容取得成效[J]。东北水利水电,1998,3:3-5。[11] 刘大恺。水轮机原理(第三版)[M]。中国水利水电出版社,1997。[12] 中国水电发电工程编审委员会 中国水力发电工程(运行管理卷)中国电力出版社,2002。[13] 中国水电发电工程编审委员会 中国水力发电工程(机电卷)中国电力出版社,2002。.[14] 曹盛阳。沙田水电站 1 号水轮机增容改造情况介绍[J]。水电站机电技术,2005,28:34-35。
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