一種衝擊式水輪機流量控制裝置及方法

2023-06-17 07:26:11 3

專利名稱：一種衝擊式水輪機流量控制裝置及方法
技術領域：
本發明屬於水力機械工程，特別是一種衝擊式水輪機流量控制裝置及方法。
背景技術：
衝擊式水輪機調速器的調節功能，與軸流轉漿式(含斜流式、貫流式)水輪機ー樣，需要進行雙重調節，即對噴嘴與外調節機構(折向器或分流器)進行同時調節，並保持預定的協聯關係，以實現對轉輪的流量控制，滿足對水輪機轉速與出力的自動調節。因此，對於上述形式水輪機的調速器，都不例外採用雙重調節方式。由於衝擊式水輪機一般均為中小型，單機容量大多都在30 MW以下，而這些機組又都併入電網運行，其單機容量佔電網裝機容量大多都在10%以下，機組運行的穩定性對電網影響較小，特別是衝擊式水輪機調節系統中的外調節機構(折向器或分流器)，對機組的調節帶來噪聲、振動(圖1、圖2外調節機構(折向器或分流器)I安裝在噴嘴3的端頭，受噴嘴3伸入轉輪室4的懸臂效應，外調節機構(折向器或分流器)I投入工作後給機組產生很大的振動及噪音)等實際問題，以及折向或分流的水流通過轉輪室的碰撞對轉輪的二次作用難以通過實驗及理論確定也是衝擊式機組雙重調節的理論問題.因此，許多新設計製造的中小型衝擊式水輪機為了減少上述問題對機組運行的影響，已明確外調節機構(折向器或分流器)僅擔負事故保護的功能，不參與水輪機的調節，也就不再與噴針開關保持協聯關係，只有在機組負荷有大的變化(機組轉速上升或下降到一定值)外調節機構(折向器或分流器)迅速(一般為2 3 s)遮擋水流或開啟，機組甩負荷時外調節機構(折向器或分流器)迅速遮擋水流。隨著這幾年國內國外高水頭衝擊機組的發展，單機容量已經達到187. 5MW，在有的電網中佔有的比重越來越大，這樣的調節帶來的問題將會越來越突出，主要的問題1、當這樣的機組容量在電網中佔有比重較大時，機組的性能極其不穩定，會引起電カ系統的不穩定引發事故.如雲南高橋電站安裝有三臺立式四噴嘴衝擊式水輪發電機組，單機容量30 MW，額定水頭550 m，額定轉速600 r / min。水輪機採用了進ロ轉輪，配有國產CJWJ — 4 / I 一 63型，微機(PIE)調速器；該調速器為四個噴針接力器和一個折向器接力器，用數控球閥作為電液轉換元件，調速器採用噴針開度位移傳感器作為電氣反饋元件，折向器位移僅有開度指示，無反饋元件，與噴針開度無協聯關係，因此也不參與調節，僅起事故保護作用。高橋電站以一回110 kV線路接入地區電網，地區電網以一回220 kV線路與省網相聯，高橋電站系併入省電網的末端併網運行，在電網及電站正常運行狀態下，尚未發現運行穩定性方面的問題.2004年9月中旬，高橋電站接入的地區網與省網相聯的220 kV聯絡線安排停電檢修。在斷開220kV聯絡線後，高橋電站作為主力電源與所接入的地區網處於孤立電網運行狀態。高橋電站當時三臺機組共帶80 MW負荷運行，而所在地區網的負荷僅有25麗左右，220 kV聯絡線斷開意味著高橋電站的負荷由80麗突然降至25麗，處於負荷大波動狀態，電網周波迅速上升至59. 7 Hz，三臺機甩負荷在2 s內關閉折向器至全關，地區電網突然失去主力電源，周波急降至47. 8 Hz，高橋三臺機同時迅速打開折向器，電網周波又急速上升；周波急速變化往復幾次，電網負荷相繼全部切除(低周減載)，地區電網崩潰，高橋三臺機轉速降至300 r / min全部解列，廠用電消失。省電網只得再合220kV聯絡線，恢復對地區電網供電，然後再陸續將高橋電站三臺機併入電網，歷時40 min，致使地區電網對重要負荷的供電中斷十幾分鐘,造成電網供電中斷事故；
2、由於外調節機構(折向器或分流器)遮擋水流的不徹底性，為了滿足機組轉速上升的要求，必須是噴針在一定時間內關閉。衝擊式水輪機是高水頭一般都是長引水式電站，滿足了噴針的關閉要求，往往引水系統壓カ上升又不滿足要求，又為了滿足壓カ上升要求，引水系統都設有一個較大的調壓井，工程投資費用較大。本專利就是通過ー種流量控制裝置從根本上解決衝擊式機組的調節帶來的噪聲、振動(外調節機構(折向器或分流器)安裝在噴嘴2的端頭，受噴嘴2伸入轉輪室4的懸臂效應，外調節機構(折向器或分流器)I投入工作後給機組產生很大的振動及噪音)等實際問題；以及折向或分流的水流通過轉輪室的碰撞對轉輪的二次作用難以通過實驗及理論確定的理論問題。實現衝擊式水輪機很好的雙重調節，提高機組及電力系統運行的穩定性。取消引水系統調壓井的設置或減小調壓井的尺寸，在電站設計中優化設計，減小引水隧洞及壓カ鋼管斷面尺寸；減小壓力鋼管外包混凝土、隧洞襯砌厚度及配筋；減小壓力鋼管及配水環管的設計厚度；減小水輪發電機組的轉動慣量。降低工程投資費用。

發明內容
本發明是提供一種衝擊式水輪機流量控制裝置及方法。本發明的目的是這樣實現的，一種衝擊式水輪機流量控制裝置及方法，其特徵是圖3、4所示，在水輪機轉輪5外圍安裝ー個筒形的流量控制裝置7，並通過支撐杆8與流量控制裝置7的下軌道15和上軌道20連接，將流量控制器7固定在廠房二期混凝土 9上，不與水輪機連接。流量控制裝置7由同心的內、外雙筒組成，詳見圖5、6、7、8、9、10、11、12，主要部件內筒11，外通12，上、下軌道15、20，流量調節孔接力器16，同步齒輪17。工作原理為通過調整流量控制裝置7上流量調節孔10的大小，代替現在機組中的外調節機構(折向器或分流器)的調節功能，來解決衝擊式水輪機存在的問題。本發明的優點
1、取消了衝擊式水輪機噴嘴頭上的外調節機構(折向器或分流器)由流量控制裝置代替，流量控制裝置固定在廠房二期混凝土上，解決了外調節機構(折向器或分流器)對機組產生的振動及噪音；流量控制裝置是環繞轉輪一周，能徹底切斷噴嘴射流對轉輪的正面作用；能實現衝擊式水輪機真正意義上的雙重調節；
2、實現真正意義上的雙重調節，能提高電力系統運行的穩定性；
3、流量控制裝置對轉輪流量控制性好，當機組需要緊急停機吋，能有效的控制機組轉速上升和壓カ上升。因此，在水電站設計中，可以取消引水系統調壓井設置或有效的減小調壓井的尺寸，能減小引水隧洞及壓カ鋼管斷面尺寸；減小壓力鋼管外包混凝土、隧洞襯砌厚度及配筋；減小壓カ鋼管及配水環管的設計厚度；減小水輪發電機組的轉動慣量。降低工程投資費用。


下面結合實施例附圖對本發明作進ー步說明 圖1:是本發明原結構示意圖2的A-A剖面 圖2:是本發明原結構示意圖1的B-B剖面 圖3:是本發明實施例結構示意圖4的C-C剖面 圖4:是本發明實施例結構示意圖3的D-D剖面 圖5:是本發明流量控制裝置7主視 圖6:是本發明流量控制裝置7俯視 圖7:是本發明流量控制裝置7圖6 E-E剖面 圖8:是本發明流量控制裝置7圖6 F-F剖面 圖9:是本發明流量控制裝置7圖6 G-G剖面 圖10:是本發明流量控制裝置7圖7中A放大 圖11:是本發明流量控制裝置7圖7中B放大 圖12:是本發明流量控制裝置7圖7中C放大圖。附圖標記如下1.外調節機構(折向器或分流器)、2.噴針、3.噴嘴、4.轉輪室、5.轉輪、6.水輪機、7.流量控制裝置、8.支撐杆、9. 二期混凝土、10.流量調節孔、11.內筒、12.外筒、13.內筒下滾輪、14.外筒下滾輪、15.下軌道、16.流量調節孔接力器、17.同步齒輪、18.夕卜筒齒條、19.內筒齒條、20.上軌道、21.外筒上滾輪、22.內筒上滾輪。
具體實施例方式 如圖3、4所示，在水輪機轉輪5外圍安裝ー個筒形的流量控制裝置7，並通過支撐杆8與流量控制裝置7的下軌道15和上軌道20連接，將流量控制器7固定在廠房二期混凝土9上。流量控制裝置7由圖5、6、7、8、9、10、11、12各部件組成，特點流量調控裝置7對每個噴嘴同時調控。當電站負荷突然減小，機組轉速升高，高水頭電站引水隧道、鋼管長度較長由於水擊壓カ升高限制，機組噴針2不能迅速關小，這時通過連接在下軌道15上的流量調節孔接力器16迅速驅動流量控制裝置7上的外筒12，外筒齒條18帶動安裝在下軌道15上的同步齒輪17轉動，同步齒輪17與內筒齒條19咬合使內筒11與外筒12相反方向轉動，使流量調節孔10 (流量調節孔在每個噴嘴的射流軸線上，大小同射流直徑的最大值或比最大值大一點，根據設計確定)減小切斷部分水流進入轉輪5，以控制機組轉速上升，然後將噴針2按照壓力上升的要求緩慢關小，機組轉速降到一定值，再反向操作流量調節孔接力器16開啟流量調節孔10，噴針2停止關小，機組轉速再次升高，再次操作流量調節孔接力器16減小流量調節孔10，噴針2再次按照壓力上升的要求緩慢關小，經過幾次往復，噴針2開度調整到機組負荷所要求的開度，機組轉速穩定在所要求的轉速，隨後再操作流量調節孔接カ器16將流量調節孔10恢復到最初狀態(最大);當電站機組甩負荷需要緊急停機吋，迅速操作流量調節孔接力器16將流量調節孔10全關閉，切斷水流進入轉輪5，控制機組轉速上升停機，隨後緩慢的關閉噴針2控制壓力上升，待噴針2完全關閉機組停穩後再操作流量調節孔接力器16將流量調節孔10恢復到最初狀態(最大);當電站負荷増加，同常規調節相同噴針2開度増大。上述詳細敘述了對流量調控裝置7採用ー個接カ器16實施流量調節的過程，如果對於大型機組也可以採用兩個接力器16對稱布置實施調節，ー個操作內筒11，ー個操作外筒12,操作方向互為相反。內筒、筒外齒條18、19和同步齒輪17沿下軌道15均勻安裝2個以上。實施過程同上。為了使流量調節孔接力器16操作快速敏捷，在接力器全行程內，在內外筒11、12上錯位開些孔洞(內外筒上的孔洞不能重合漏出轉輪)，以減小筒體質量(貫性)。
權利要求
1.一種衝擊式水輪機流量控制裝置及方法，其特徵是如圖3、4在水輪機轉輪5外圍安裝一個筒形的流量控制裝置7，並通過支撐杆8與流量控制裝置7的下軌道15和上軌道20連接，將流量控制器7固定在廠房二期混凝土 9上，不與水輪機連接，通過調整流量控制裝置7上流量調節孔10的大小，代替現在機組中的外調節機構(折向器或分流器)的調節功能，解決了外調節機構(折向器或分流器)對機組產生的振動及噪音；流量控制裝置是環繞轉輪一周，能徹底切斷噴嘴射流對轉輪的正面作用；能實現衝擊式水輪機真正意義上的雙重調節。
2.根據權利要求1所述的一種衝擊式水輪機流量控制裝置及方法，其特徵是流量控制裝置7由同心的內、外雙筒組成，詳見圖5、6、7、8、9、10、11、12，主要部件內筒11，外筒12，上、下軌道15、20，流量調節孔接力器16，同步齒輪17，特點流量調控裝置7對每個噴嘴同時調控.當電站負荷突然減小，機組轉速升高，高水頭電站引水隧道、鋼管長度較長由於水擊壓力升高限制，機組噴針2不能迅速關小，這時通過連接在下軌道15上的流量調節孔接力器16迅速驅動流量控制裝置7上的外筒12，外筒齒條18帶動安裝在下軌道15上的同步齒輪17轉動，同步齒輪17與內筒齒條19咬合使內筒11與外筒12相反方向轉動，使流量調節孔10 (流量調節孔在每個噴嘴的射流軸線上，大小同射流直徑的最大值或比最大值大一點，根據設計確定)減小切斷部分水流進入轉輪5，以控制機組轉速上升，然後將噴針2按照壓力上升的要求緩慢關小，機組轉速降到一定值，再反向操作流量調節孔接力器16開啟流量調節孔10，噴針2停止關小，機組轉速再次升高，再次操作流量調節孔接力器16減小流量調節孔10，噴針2再次按照壓力上升的要求緩慢關小，經過幾次往復，噴針2開度調整到機組負荷所要求的開度，機組轉速穩定在所要求的轉速，隨後再操作流量調節孔接力器16將流量調節孔10恢復到最初狀態(最大)；當電站機組甩負荷需要緊急停機時，迅速操作流量調節孔接力器16將流量調節孔10全關閉，切斷水流進入轉輪5，控制機組轉速上升停機，隨後緩慢的關閉噴針2控制壓力上升，待噴針2完全關閉機組停穩後再操作流量調節孔接力器16將流量調節孔10恢復到最初狀態(最大);當電站負荷增加，同常規調節相同噴針2開度增大。
3.根據權利要求1所述的一種衝擊式水輪機流量控制裝置及方法，其特徵是流量控制裝置7對於大型機組也可以採用兩個流量調節孔接力器16對稱布置，一個操作內筒11，一個操作外筒12,操作方向互為相反.內筒、筒外齒條18、19和同步齒輪17沿下軌道15均勻安裝2個以上。
4.根據權利要求1所述的一種衝擊式水輪機流量控制裝置及方法，其特徵是流量控制裝置7對轉輪流量控制性好，當機組需要緊急停機時，能有效的控制機組轉速上升和壓力上升.因此，在水電站設計中，可以取消引水系統調壓井設置或有效的減小調壓井的尺寸，能減小引水隧洞及壓力鋼管斷面尺寸；減小壓力鋼管外包混凝土、隧洞襯砌厚度及配筋；減小壓力鋼管及配水環管的設計厚度；減小水輪發電機組的轉動慣量；降低工程投資費用。
全文摘要
在水輪機轉輪5外圍安裝一個流量控制裝置7，並通過支撐杆8與流量控制裝置7的下軌道15和上軌道20連接，將流量控制器7固定在廠房二期混凝土9上，不與水輪機連接，通過調整流量控制裝置7上流量調節孔10的大小，代替現在機組中的外調節機構的調節功能，現衝擊式水輪機的雙重調節。流量控制裝置7對轉輪流量控制性好，當機組需要緊急停機時，能有效的控制機組轉速上升和壓力上升。因此，在水電站設計中，可以取消引水系統調壓井設置或有效的減小調壓井的尺寸，優化工程設計，降低工程投資費用。特點流量調控裝置7、內桶11、外桶12相互運動，對每個噴嘴同時調控流量。
文檔編號F03B15/20GK103016244SQ201310024758
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月24日 優先權日2013年1月24日
發明者王耀洲, 王文超, 江淘莎, 王考, 王文芳, 王 忠 申請人:王耀洲