CN103016244A

CN103016244A - 一种冲击式水轮机流量控制装置及方法

Info

Publication number: CN103016244A
Application number: CN2013100247584A
Authority: CN
Inventors: 王耀洲; 王文超; 江淘莎; 王考; 王文芳; 王�忠
Original assignee: 王耀洲
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2013-04-03

Abstract

在水轮机转轮5外围安装一个流量控制装置7，并通过支撑杆8与流量控制装置7的下轨道15和上轨道20连接，将流量控制器7固定在厂房二期混凝土9上，不与水轮机连接，通过调整流量控制装置7上流量调节孔10的大小，代替现在机组中的外调节机构的调节功能，现冲击式水轮机的双重调节。流量控制装置7对转轮流量控制性好，当机组需要紧急停机时，能有效的控制机组转速上升和压力上升。因此，在水电站设计中，可以取消引水系统调压井设置或有效的减小调压井的尺寸，优化工程设计，降低工程投资费用。特点：流量调控装置7、内桶11、外桶12相互运动，对每个喷嘴同时调控流量。

Description

一种冲击式水轮机流量控制装置及方法

技术领域

本发明属于水力机械工程，特别是一种冲击式水轮机流量控制装置及方法。

背景技术

冲击式水轮机调速器的调节功能，与轴流转浆式(含斜流式、贯流式)水轮机一样，需要进行双重调节，即对喷嘴与外调节机构（折向器或分流器）进行同时调节，并保持预定的协联关系，以实现对转轮的流量控制，满足对水轮机转速与出力的自动调节。因此，对于上述形式水轮机的调速器，都不例外采用双重调节方式。由于冲击式水轮机一般均为中小型，单机容量大多都在30 MW 以下，而这些机组又都并入电网运行，其单机容量占电网装机容量大多都在10％以下，机组运行的稳定性对电网影响较小,特别是冲击式水轮机调节系统中的外调节机构（折向器或分流器），对机组的调节带来噪声、振动（图1、图2外调节机构（折向器或分流器）1安装在喷嘴3的端头，受喷嘴3伸入转轮室4的悬臂效应，外调节机构（折向器或分流器）1投入工作后给机组产生很大的振动及噪音）等实际问题，以及折向或分流的水流通过转轮室的碰撞对转轮的二次作用难以通过实验及理论确定也是冲击式机组双重调节的理论问题．因此，许多新设计制造的中小型冲击式水轮机为了减少上述问题对机组运行的影响，已明确外调节机构（折向器或分流器）仅担负事故保护的功能，不参与水轮机的调节，也就不再与喷针开关保持协联关系,只有在机组负荷有大的变化（机组转速上升或下降到一定值）外调节机构（折向器或分流器）迅速(一般为2～3 s)遮挡水流或开启，机组甩负荷时外调节机构（折向器或分流器）迅速遮挡水流。随着这几年国内国外高水头冲击机组的发展，单机容量已经达到187.5MW，在有的电网中占有的比重越来越大，这样的调节带来的问题将会越来越突出，主要的问题：

1、当这样的机组容量在电网中占有比重较大时，机组的性能极其不稳定，会引起电力系统的不稳定引发事故. 如云南高桥电站安装有三台立式四喷嘴冲击式水轮发电机组，单机容量30 MW，额定水头550 m，额定转速600 r／min。水轮机采用了进口转轮，配有国产CJWJ一4／1—63型，微机(PIE)调速器；该调速器为四个喷针接力器和一个折向器接力器，用数控球阀作为电液转换元件，调速器采用喷针开度位移传感器作为电气反馈元件，折向器位移仅有开度指示，无反馈元件，与喷针开度无协联关系，因此也不参与调节，仅起事故保护作用。高桥电站以一回110 kV线路接入地区电网，地区电网以一回220 kV线路与省网相联，高桥电站系并入省电网的末端并网运行，在电网及电站正常运行状态下，尚未发现运行稳定性方面的问题．2004年9月中旬，高桥电站接入的地区网与省网相联的220 kV联络线安排停电检修。在断开220kV联络线后，高桥电站作为主力电源与所接入的地区网处于孤立电网运行状态。高桥电站当时三台机组共带80 MW负荷运行，而所在地区网的负荷仅有25 MW左右，220 kV联络线断开意味着高桥电站的负荷由80 MW突然降至25 MW，处于负荷大波动状态，电网周波迅速上升至59．7 Hz，三台机甩负荷在2 s内关闭折向器至全关，地区电网突然失去主力电源，周波急降至47．8 Hz，高桥三台机同时迅速打开折向器，电网周波又急速上升；周波急速变化往复几次，电网负荷相继全部切除(低周减载)，地区电网崩溃，高桥三台机转速降至300 r／min全部解列，厂用电消失。省电网只得再合220 kV联络线，恢复对地区电网供电，然后再陆续将高桥电站三台机并入电网，历时40 min，致使地区电网对重要负荷的供电中断十几分钟，造成电网供电中断事故；

2、由于外调节机构（折向器或分流器）遮挡水流的不彻底性，为了满足机组转速上升的要求，必须是喷针在一定时间内关闭。冲击式水轮机是高水头一般都是长引水式电站，满足了喷针的关闭要求，往往引水系统压力上升又不满足要求，又为了满足压力上升要求，引水系统都设有一个较大的调压井，工程投资费用较大。

本专利就是通过一种流量控制装置从根本上解决冲击式机组的调节带来的噪声、振动（外调节机构（折向器或分流器）安装在喷嘴2的端头，受喷嘴2伸入转轮室4的悬臂效应，外调节机构（折向器或分流器）1投入工作后给机组产生很大的振动及噪音）等实际问题；以及折向或分流的水流通过转轮室的碰撞对转轮的二次作用难以通过实验及理论确定的理论问题。实现冲击式水轮机很好的双重调节，提高机组及电力系统运行的稳定性。取消引水系统调压井的设置或减小调压井的尺寸，在电站设计中优化设计,减小引水隧洞及压力钢管断面尺寸;减小压力钢管外包混凝土、隧洞衬砌厚度及配筋；减小压力钢管及配水环管的设计厚度；减小水轮发电机组的转动惯量。降低工程投资费用。

发明内容

本发明是提供一种冲击式水轮机流量控制装置及方法。

本发明的目的是这样实现的，一种冲击式水轮机流量控制装置及方法，其特征是：图3、4所示,在水轮机转轮5外围安装一个筒形的流量控制装置7，并通过支撑杆8与流量控制装置7的下轨道15和上轨道20连接,将流量控制器7固定在厂房二期混凝土9上,不与水轮机连接。流量控制装置7由同心的内、外双筒组成，详见图5、6、7、8、9、10、11、12，主要部件内筒11，外通12，上、下轨道15、20，流量调节孔接力器16，同步齿轮17。工作原理为：通过调整流量控制装置7上流量调节孔10的大小,代替现在机组中的外调节机构（折向器或分流器）的调节功能,来解决冲击式水轮机存在的问题。

本发明的优点：

1、取消了冲击式水轮机喷嘴头上的外调节机构（折向器或分流器）由流量控制装置代替，流量控制装置固定在厂房二期混凝土上，解决了外调节机构（折向器或分流器）对机组产生的振动及噪音；流量控制装置是环绕转轮一周，能彻底切断喷嘴射流对转轮的正面作用；能实现冲击式水轮机真正意义上的双重调节；

2、实现真正意义上的双重调节，能提高电力系统运行的稳定性；

3、流量控制装置对转轮流量控制性好，当机组需要紧急停机时，能有效的控制机组转速上升和压力上升。因此，在水电站设计中，可以取消引水系统调压井设置或有效的减小调压井的尺寸，能减小引水隧洞及压力钢管断面尺寸;减小压力钢管外包混凝土、隧洞衬砌厚度及配筋；减小压力钢管及配水环管的设计厚度；减小水轮发电机组的转动惯量。降低工程投资费用。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：

图1:是本发明原结构示意图2的A-A剖面图；

图2:是本发明原结构示意图1的B-B剖面图；

图3:是本发明实施例结构示意图4的C-C剖面图；

图4:是本发明实施例结构示意图3的D-D剖面图；

图5:是本发明流量控制装置7主视图；

图6:是本发明流量控制装置7俯视图；

图7:是本发明流量控制装置7图6 E-E剖面图；

图8:是本发明流量控制装置7图6 F-F剖面图；

图9:是本发明流量控制装置7图6 G-G剖面图；

图10:是本发明流量控制装置7图7 中A放大图；

图11:是本发明流量控制装置7图7中B放大图；

图12:是本发明流量控制装置7图7中C放大图。

附图标记如下：

1．外调节机构（折向器或分流器）、2. 喷针、3. 喷嘴、4. 转轮室、5. 转轮、6. 水轮机、7. 流量控制装置、8. 支撑杆、9. 二期混凝土、10. 流量调节孔、11. 内筒、12. 外筒、13. 内筒下滚轮、14. 外筒下滚轮、15. 下轨道、16. 流量调节孔接力器、17. 同步齿轮、18. 外筒齿条、19. 内筒齿条、20. 上轨道、21. 外筒上滚轮、22. 内筒上滚轮。

具体实施方式

如图3、4所示,在水轮机转轮5外围安装一个筒形的流量控制装置7，并通过支撑杆8与流量控制装置7的下轨道15和上轨道20连接,将流量控制器7固定在厂房二期混凝土9上。流量控制装置7由图5、6、7、8、9、10、11、12各部件组成，特点：流量调控装置7对每个喷嘴同时调控。当电站负荷突然减小，机组转速升高，高水头电站引水隧道、钢管长度较长由于水击压力升高限制，机组喷针2不能迅速关小，这时通过连接在下轨道15上的流量调节孔接力器16迅速驱动流量控制装置7上的外筒12，外筒齿条18带动安装在下轨道15上的同步齿轮17转动，同步齿轮17与内筒齿条19咬合使内筒11与外筒12相反方向转动，使流量调节孔10(流量调节孔在每个喷嘴的射流轴线上,大小同射流直径的最大值或比最大值大一点,根据设计确定)减小切断部分水流进入转轮5，以控制机组转速上升，然后将喷针2按照压力上升的要求缓慢关小,机组转速降到一定值，再反向操作流量调节孔接力器16开启流量调节孔10，喷针2停止关小，机组转速再次升高，再次操作流量调节孔接力器16减小流量调节孔10，喷针2再次按照压力上升的要求缓慢关小,经过几次往复，喷针2开度调整到机组负荷所要求的开度，机组转速稳定在所要求的转速，随后再操作流量调节孔接力器16将流量调节孔10恢复到最初状态（最大）；当电站机组甩负荷需要紧急停机时，迅速操作流量调节孔接力器16将流量调节孔10全关闭，切断水流进入转轮5，控制机组转速上升停机，随后缓慢的关闭喷针2控制压力上升，待喷针2完全关闭机组停稳后再操作流量调节孔接力器16将流量调节孔10恢复到最初状态（最大）；当电站负荷增加，同常规调节相同喷针2开度增大。

上述详细叙述了对流量调控装置7采用一个接力器16实施流量调节的过程，如果对于大型机组也可以采用两个接力器16对称布置实施调节，一个操作内筒11，一个操作外筒12，操作方向互为相反。内筒、筒外齿条18、19和同步齿轮17沿下轨道15均匀安装2个以上。实施过程同上。

为了使流量调节孔接力器16操作快速敏捷，在接力器全行程内，在内外筒11、12上错位开些孔洞（内外筒上的孔洞不能重合漏出转轮），以减小筒体质量（贯性）。

Claims

1.一种冲击式水轮机流量控制装置及方法，其特征是：如图3、4在水轮机转轮5外围安装一个筒形的流量控制装置7，并通过支撑杆8与流量控制装置7的下轨道15和上轨道20连接,将流量控制器7固定在厂房二期混凝土9上,不与水轮机连接, 通过调整流量控制装置7上流量调节孔10的大小，代替现在机组中的外调节机构（折向器或分流器）的调节功能,解决了外调节机构（折向器或分流器）对机组产生的振动及噪音；流量控制装置是环绕转轮一周，能彻底切断喷嘴射流对转轮的正面作用；能实现冲击式水轮机真正意义上的双重调节。

2.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机流量控制装置及方法，其特征是：流量控制装置7由同心的内、外双筒组成，详见图5、6、7、8、9、10、11、12，主要部件内筒11，外筒12，上、下轨道15、20，流量调节孔接力器16，同步齿轮17，特点：流量调控装置7对每个喷嘴同时调控．当电站负荷突然减小，机组转速升高，高水头电站引水隧道、钢管长度较长由于水击压力升高限制，机组喷针2不能迅速关小，这时通过连接在下轨道15上的流量调节孔接力器16迅速驱动流量控制装置7上的外筒12，外筒齿条18带动安装在下轨道15上的同步齿轮17转动，同步齿轮17与内筒齿条19咬合使内筒11与外筒12相反方向转动，使流量调节孔10(流量调节孔在每个喷嘴的射流轴线上,大小同射流直径的最大值或比最大值大一点,根据设计确定)减小切断部分水流进入转轮5，以控制机组转速上升，然后将喷针2按照压力上升的要求缓慢关小,机组转速降到一定值，再反向操作流量调节孔接力器16开启流量调节孔10，喷针2停止关小，机组转速再次升高，再次操作流量调节孔接力器16减小流量调节孔10，喷针2再次按照压力上升的要求缓慢关小,经过几次往复，喷针2开度调整到机组负荷所要求的开度，机组转速稳定在所要求的转速，随后再操作流量调节孔接力器16将流量调节孔10恢复到最初状态（最大）；当电站机组甩负荷需要紧急停机时，迅速操作流量调节孔接力器16将流量调节孔10全关闭，切断水流进入转轮5，控制机组转速上升停机，随后缓慢的关闭喷针2控制压力上升，待喷针2完全关闭机组停稳后再操作流量调节孔接力器16将流量调节孔10恢复到最初状态（最大）；当电站负荷增加，同常规调节相同喷针2开度增大。

3.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机流量控制装置及方法，其特征是：流量控制装置7对于大型机组也可以采用两个流量调节孔接力器16对称布置，一个操作内筒11，一个操作外筒12，操作方向互为相反．内筒、筒外齿条18、19和同步齿轮17沿下轨道15均匀安装2个以上。

4. 根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机流量控制装置及方法，其特征是：流量控制装置7对转轮流量控制性好，当机组需要紧急停机时，能有效的控制机组转速上升和压力上升．因此，在水电站设计中，可以取消引水系统调压井设置或有效的减小调压井的尺寸，能减小引水隧洞及压力钢管断面尺寸;减小压力钢管外包混凝土、隧洞衬砌厚度及配筋；减小压力钢管及配水环管的设计厚度；减小水轮发电机组的转动惯量；降低工程投资费用。