毕业论文水力机组辅助设备呢选型系统设计与实现.doc

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1、 水力机组辅助设备选型系统设计及实现水力机组辅助设备选型系统设计与实现摘要水力机组辅助设备课程设计是为了使学生系统地掌握所学知识，提高综合分析和应用能力。传统的水力机组辅助设备选型课程设计，一般由教师给出一个题目，并提供有关数据作为课程设计任务交给学生，学生用手工进行计算完成任务。这样的教学方式，可以帮助学生系统地掌握所学知识，并培养一定的实际应用能力。但是，现今计算机已应用到了各个领域，从水力机组辅助设备选型的设计制造，到水力机组辅助设备的运行监视。显然，不能用计算机解决问题的工程技术人员，是不能适应当前及今后的发展要求的。 传统的水力机组辅助设备选型教学方式，对培养学生的实用能力，已显得非

2、常欠缺。因此开发出一套软件用于水力机组辅助设备选型课程设计，对培养学生的实用能力，提高计算效率来说有着不可获取的必要性。以后的水力机组辅助设备选型课程设计趋势也必将朝着数字化方向发展。关键词：水力机组辅助设备；课程设计；软件DESIGN AND REALIZATION OF THE AUXILIARY EQUIPMENT SELECTION SYSTEM FOR HYDROPOWER UNITABSTRACTDesign of hydraulic turbine auxiliary equipment course is to enable students to master the kno

3、wledge, Improve the comprehensive analysis and application ability. The course of hydroelectric unit auxiliary equipment selection of traditional design, In general by the teacher give a topic, and provide relevant data to the students as curriculum design task, students complete a task by hand. Thi

4、s way of teaching, can help students to master the knowledge, and cultivate practical ability. However, the computer has been applied to various fields, making the design and selection of hydroelectric unit auxiliary equipment, to monitor operation of hydroelectric unit auxiliary equipment. Clearly,

5、 engineering and technical personnel can not solve the problem by computer, is unable to meet the current and future development requirement. The traditional teaching mode selection of hydroelectric unit auxiliary equipment, for the cultivation of students practical ability, has become very short. T

6、herefore, to develop a set of software for the selection course of hydroelectric unit auxiliary equipment design, for the cultivation of students practical ability, improve the computational efficiency is of necessity is not available. Selection course of hydroelectric unit auxiliary equipment desig

7、n trend of the future will also toward digital direction.Key words: hydraulic unit auxiliary equipment; curriculum design; software目 录1 绪论.11.1选题背景，研究目的和意义.11.2水力机组辅助设备发展现状.11.3本文主要研究的内容.22水力机组辅助设备设计过程.42.1设计要求.42.2技术条件与参数.42.3设计内容.42.3.1油系统.42.3.2气系统.42.3.3水系统.42.4设计要求.42.5水电站油系统设计计算.5 2.5.1油系统作用.5

8、 2.5.2用油量计算.5 2.5.3油系统设备的选择.72.6水电站气系统设计.9 2.6.1供气对象和供气类型.9 2.6.2用气量计算.9 2.6.3气系统设备.122.7水电站水系统设计.12 2.7.1水源的确定.12 2.7.2水温,水质,水压.13 2.7.3供水方式.13 2.7.4设备的配备方式.13 2.7.5水量的计算.142.8水力机组辅助设备课程设计的意义.163软件开发总述.173.1软件概述.173.1.1软件简述.173.1.2软件特点.173.1.3软件界面.17 3.2软件系统中数据结构.20 3.3软件界面与程序代码.20 3.3.1开始界面.20 3.3

9、.2油系统计算界面.22 3.3.3选型系统界面.30 3.3.4气系统相关计算界面.30 3.3.5水系统相关计算界面.34 3.4本章小结.364程序测试运行和结果分析.37 4.1测试数据.37 4.2测试运行.37 4.2.1油系统的相关计算测试.37 4.2.2气系统的相关计算测试.38 4.2.3水系统的相关计算测试.39 4.2.4测试结束.404.3结果分析.405结论.41参考文献.42致谢.441 绪论1.1 选题背景、研究目的和意义水力机组辅助设备选型设计是水电站设计的一个重要方面。以往水力机组辅助设备选型都是靠人工计算，速度慢，不能很好地满足水电站设计的要求。本课题拟设

10、计开发的水力机组辅助设备选型软件能大大提高水力机组辅助设备选型设计的速度和精度，使水电站设计人员能用更多的时间投入到更高层次的技术经济比较中。这样就能选出更适合水电站的水力机组辅助设备，提高水电站的设计质量。但是，现今计算机已应用到了各个领域，以后的水力机组辅助设备选型课程设计趋势也必将朝着数字化方向发展。而目前在水力机组辅助设备选型课程设计这一块无论国内还是国外都尚未出现这样一种用于指导计算的软件1。因此开发出一套软件用于指导水力机组辅助设备选型课程设计，对培养学生的实用能力，提高计算效率来说有着不可获取的必要性提高做事效率，降低消耗，能使一件事情事半功倍2。本课题的目的旨在开发一套操作人性

11、化、界面友好的软件用于指导学生完成水力机组辅助设备选型课程设计。本软件对培养学生的实用能力，提高计算效率有了很大的帮助 。同时本软件针对课程设计中常见重点、难点进行解释说明，操作者在使用本软件进行计算的过程中能够熟悉和了解水力机组辅助设备选型课程设计的基本方法，使操作者对水力机组辅助设备选型课程设计内容有一定的学习和思考。此外本软件还可调用相关数据表格，使得学生无需再查阅大量书本资料和表格。1.2水力机组辅助设备选型设计技术发展现状水力机组辅助设备选型设计软件的研究国外起步较早，现在已经发展较为成熟。早期阶段主要进行水力机组辅助设备的数据库管理系统方面的研究。这一阶段主要是进行软件开发的基础准

12、备工作。现阶段的研究已经进入面向水电站建设的实用的水轮机计算机辅助设计软件的开发与研究。目前已经开发了一些较为综合的设计软件。但是这些软件大都是以国外的标准开发的，与我国的标准不统一，这样就造成了在使用上的困难。而且价格通常比较高，国内的水电站建造者大都负担不起。随着计算机技术和网络技术的发展，水力机组辅助设备设计系统将逐渐发展成为以数据库为基础并具有网络功能的应用软件系统。我国从事这方面的研究工作起步较晚，发展速度也比较慢。近年来虽取得了一些研究成果，但是同国外相比仍然有较大的差距。近几年来，随着我国软件行业的发展和专业的融合，跨专业的协作也逐渐增多，一些从事软件开发的专业人员加入了这方面研

13、究的队伍，从而增强了研究的实力。国内近几年在水轮机选型及辅助设计领域做了许多工作，在水力机组辅助设备方面，许多单位用计算机对水力机组辅助设备的设计进行了编程尝试2。华中理工大学在 AutoCAD3 R13 基础上使用了 Lisp 语言编制了水力机组辅助设备部分的相关计算的软件。清华大学在 1993 年使用 VB3.0 开发了水力机组辅助设备选型程序，其功能比较完善，但这些软件是在 DOS 或 WINDOWS3.0 环境下开发的，存在的问题是人机界面比较生硬、使用复杂难懂、维护困难和安全性差并且软件没有对可行方案进行优化选择，缺乏技术经济评估。在确定水轮机辅助设备设计工况点4，多采用线性插值，精

14、度不高。通过对使用该两套软件的单位调查表明，用户反映比较差，基本处于停滞或未使用的境地。故本系统的开发研究将具有重大的意义和实用价值。1.3 本文主要研究的内容本文首先阐述了传统水力机组辅助设备选型课程设计的基本方法，并对目前水力机组辅助设备选型设计过程中主要存在的问题、有待改进的地方和其发展方向进行分析。现在比较广泛的存在于水力机组辅助设备选型课程设计的一个问题是，设计时间过长，由于水力机组辅助设备选型课程设计具有多样化等特点，在设计过程中需要假定一定的参数，用传统设计方法一次得出计算结果并不一定符合要求，导致误差偏大，有时需要反复假设参数就导致设计过程产生大量冗余结果。这样无形中就加大了设

15、计者的工作强度同时反复计算容易产生计算误差影响计算结果，并且也不利于多种参数下设计结果的分析比较。本文在当前已有的水力机组辅助设备选型设计基础上，融入数字化计算、数字化分析、数字化知道等设计思想，总结提出了水力机组辅助设备选型设计的基本框架，它以当前仍在广泛采用的水力机组辅助设备选型设计流程为基础，具有高效、易用、快速等特点。接下来，本文讨论了水力机组辅助设备选型课程设计软件的系统设计以及具体实现方法， 并对实际开发过程中所遇到的种种问题进行分析总结，提出了一种设计软件的开发流程。由于水力机组辅助设备选型设计具有多种可能的型式，在软件的过程中，需要在相关理论的基础上用各种不同的可能组合对计算结

16、果进行测试与校核。最后，对本文所做的工作进行了全面的总结。2水力机组辅助设备设计过程2.1设计要求(1)运行时具有较高的经济实用性；(2)不同工况时均具有较高的可靠性；(3)使用起来简单快捷；2.2 技术条件与参数2.2.1电站主要参数最大水头： 设计水头： 平均水头：最小水头： 装机容量：2.2.2机组技术参数水轮机型号：HL220LJ200 发电机型号：SF-20-20/425额定出力： 额定转速：调速器型号：SKWT-100 油压装置型号：YS-12.2.3其他资料配电装置采用油断路器，主接线为扩大单元接线。无调相任务。2.3设计内容2.3.1油系统：用油量计算。贮油设备及油处理设备的选

17、择，油系统图及操作程序。2.3.2气系统：水电站用气系统分为高压用气系统和低压用气系统。2.3.3水系统：技术供水，用水量计算，水源，供水方式及设备配置，检修排水，排水方式确定排水泵选择，集水井设计，系统图。2.4设计要求(1)设计指导教师应在接受该任务之后编写完设计指导书，在设计开始时下发给学生。特别要注意结合课程的教学和行业的技术发展。(2)每一个学生独立完成计算说明书一份，油、水系统图，计算所用方法正确，系统设计合理，所绘的油、水系统图要符合生产实际的要求。2.5水电站油系统的设计计算2.5.1油系统的作用水电站的油系统，分为透平油系统和绝缘油系统两部分，一般水电站，这两个系统均分开设置

18、。油系统的设计任务是，根据电站的规模、特点，对所服务的用油设备进行油量计算，选配油处理及化验设备，拟制系统原理图并进行设备布置和管网计算，最后绘制施工图，油系统的设计应满足电站用油设备经济安全运行的需要。2.5.2用油量的计算(1)水轮机调速设备用油 水轮机调速系统用油量包括油压装置用油、导水机构接力器用油及管道的充油量。油压装置用油量5，其中Vc为油罐容积，Ve为油箱内油体积;Vc=0.35，Ve=1.3 则Vy=0.35+1.3=1.65()导水机构接力器用油量6 (两个) 取油压装置额定压力为2.5Mpa，采用标准导水机构并用两个单缸接力器操作时，每个接力器的直径可近似按下式计算： 其中

19、导叶数查得7 z=16，再由已知得：=0.032，可取0.2。 当油压装置的额定油压为4.0MPa，则接力器直径为：故导叶接力器直径选取230mm。由于 ，由于转轮直径小于5m，则所以 。(2)机组润滑油系统充油量机组润滑油系统用油包括推力轴承和导轴承的用油量。其用油量可按下式进行估算，即 ，式中是轴承损耗单位kW所需油量 ，式中是推力轴承损耗:，知A=3.5，得出F=210t，查任务书可得：所以： 用经验公式计算导轴承损耗， ，取15%。 则综上可得，机组润滑油系统用油量： (3)主阀接力器充油量 由于应用水头小于200m，所以进水阀选择胡蝶阀。由于没有HL220-LJ-200，出力为20M

20、W的水轮机型号，故取 HL250-LJ-200。由查表可得：，为阀门直径。胡蝶阀直径： ，在系列直径取2.8m，取接力器油量， (4)管道充油量 (5)水力机组系统用油量的计算1运行用油量V1 对于透平油系统指一台机组润滑油量、调速器的充油量及进水阀接力器的充油量和管道充油量之和，即 2事故备用油量V2 以最大的一台设备充油量的110%计算，其中10%是考虑油的蒸发、漏损和取样的裕量，即 3补充备用油量V3 设备运行中油的损耗需要补充油，以机组运行4590天后的添油量为准，则 式中a-设备在一年中需要补充油量的百分数，混流式水轮机取a=5%10%;转浆式机组取a=15%25%；变压器取a=5%

21、；油开关取a=10%4系统总用油量： 2.5.3油系统设备的选择 油系统的设备配置原则：按绝缘油和透平油两个独立系统分别配置。对油系统设备的选择主要有：贮油设备（净油槽和运行油槽）、净化油设备（压力滤油机和真空滤油机）和油泵等。该设计将绝缘油系统省略。（1）贮油设备的选择：1） 净油槽的选择：贮备净油以便机组或电气设备换油时使用。容积为一台最大机组（或变压器）充油量的，加上全部运行设备45天的补充用油量。通常透平油和绝缘油（省略）各设置一个。但容量大于60m3时，应考虑设置两个或两个以上。透平油： 可设置1个净油槽，选择的标准油槽。 2）运行油槽的选择：当机组（或变压器）检修时排油或净油用。容

22、积为最大机组（或变压器）油量的。但考虑到兼作接受新油，并与净油槽互用，其容积宜与净油槽相同。为了提高污油净化效果，通常设置2个，每个为其总容积的。 则： 故。因此，选择2个的标准油槽。3）中间油槽：当油库布置位置较高时，检修机组充油量部件时排油用。其容积为最大充油设备的充油量。数量为一个，当油库布置在厂内时，水轮机层以下可不需设置，可待厂房部分设计后再进行设计。4）事故排油池：接受事故排油用，一般设置在油库底层或其他合适的位置，容积为所有油槽容积之和。新设计规程可不设置。（2）油泵和净化设备的选择1）压力滤油机及真空滤油机的选择： 透平油系统： 式中：对于机组的透平油系统，取8小时。查表得，透

23、平油的压力滤油机的型号为：LY50，台数为1台；真空滤油机的型号为：ZLY50为1台，每台滤油机选用一台滤油纸烘箱。2）油泵的选择：透平油系统： 选取KCB4.5型齿轮油泵，2台，一台移动式油泵用以接受新油或排除污油，一台固定式油泵提供设备充油。（3）设备明细表：表 2-5 油系统设备明细表设备名称型号及规格数量备注透平油系统净油槽1台运行油槽2台压力滤油机LY501台配备一个滤油纸烘箱真空滤油机ZLY1001台配备一个滤油纸烘箱油泵KCB4.52台一台移动式油泵用以接受新油和排除污油，一台固定式油泵提供设备充油2.6气系统的设计计算2.6.1供气对象和供气类型（1）供气对象1)厂内高压用气压

24、油槽充气，额定压力为。2)厂内低压用气机组停机制动用气，额定压力为 ； 3)供气类型采用高低压联合供气系统类型 2.6.2用气量的计算(1)高压用气1）空压机的选择 主要是油压装置的用气量，压油装置的型式为YS-1，空压机的总生产率：式中 压油槽的额定压力，为； 压油槽的容积，为1.65； t充气时间，一般取24h,取2h; 压油槽中压缩空气所占容积，m； 大气压力，为。所以 空压机选两台，充气时同时工作，故每台生产率为总生产率的1/2，即0.01185，选V-1/40型空压机。2）储气罐容积的确定 查得式中 储气罐额定压力，其值为； 额定绝对压力，其值为； 由于右面上升后所需的补气的容积其中

25、 D压油槽内径（m），D=1400mm。 右面上升高度，去0.10.15，此处取0.15。则选择1台标准的1储气罐。3）管道选择一般按经验选取: 空气压缩机至高压储气罐之间管道的防锈钢管(2)低压用气1)机组制动用气1机组制动耗气量计算 制动耗气量取决于发电机所需的制动力矩，由电机制造厂提供。在初步设计制动供气系统时可估算为式中再一次制动所需的总空气量，L/S。得出：=4L/S 制动时间（s），一般取。制动气压，一般取。大气压，一般取2储气罐容积计算 机组制动用气主要由储气罐供给，储气罐容积必须保证制动用气后，罐内气压保持在最低制动气压以上。储气罐容积：式中 Z同时制动的机组台数，取1台； 制

26、动前后储气罐允许压力降，一般为0.10.2MPa，取0.15MPa。选择1台标准的2储气罐。3空压机生产率计算 空压机生产率按在一定时间内恢复储气罐压力的要求来确定，得式中 储气罐恢复压力时间，一般取1015min，取15min。选11ZA-1.5/8型空压机。4供气管道选择按照经验选取，供气干管取，环管，支管。自三通阀以后的制动供气管，须采用耐高压的无缝钢管。2.6.3气系统设备 表2-6 气系统设备类别设备名称型号及规格数量备注高压系统空压机V-1/402水冷储气罐11干管直径1高压供气管低压系统空压机11ZA-1.5/82水冷储气罐21机组制动、检修干管直径60mm1机组制动2.7技术供

27、水系统的设计计算2.7.1水源的确定水电站供水系统的对象是各种机电运行设备，其中主要是水轮发电机组，水冷式变压器，水冷式空压机等。技术供水的主要作用是对设备起润滑和冷却，有时水还用作操作能源（如射流泵，高水头电站的进水阀操作等）。技术供水的水源选择非常重要，在技术上必须考虑水电站的型式，布置及水头，满足用水设备所需的水量、水质、水温及水压的要求，力求取水可靠，水量充足，水温适当，水质符合要求，以保证机组的安全运行，使整个供水系统设备操作维护方便。根据故县水电站的实际情况，把上游水库作为水源是比较理想的。所以，从压力钢管取水作为主水源，坝前取水作为备用水源。2.7.2水温、水压、水质(1)水温

28、由已知技术供水水温是供水系统设计中的一个重要条件，一般按夏季经常出现的最高水温考虑，一般取25C。(2)水压1）机组冷却器对水压的要求 进入冷却器的冷却水，应有一定的水压，以保证必要的流速和所需的水量。国产冷却器一般压力降为47.5m,进口水压一般不超过20m。2）水冷式变压器对水压的要求 对水冷式变压器冷却水的水压控制较严，要求冷却水进口水压不得超过变压器中的油压。根据制造厂家的要求，冷却水进口处水压不得超过8m，变压器中的油压必须大于水压8m，这样就可以保证即使在冷却水管破裂时，只能是油进入水中而水不能进入油中。3）水冷式空压机对水压的要求 水冷式空压机的水压可不限于20m，可以略为加大，

29、但不宜超过30m。(3)水质 为保证冷却器的安全经济运行，冷却水一般应满足一下几点要求。1） 水中不含悬浮物 2）含沙量少且颗粒小 3）硬度就小 4）pH值反应为中性 5）力求不含有机物、水生物及微生物 6）含铁量小 7）不含油份2.7.3供水方式根据供水方式，由于故县电站水头范围为，水头介于80m,因此为了达到经济合理性，采用自流供水。2.7.4设备的配备方式因故县水电站的装机台数是4台，台数较多，因此采用单元供水，每台机组设置一套独立取水和供水设备，并独立运行，运行灵活可靠性高，方便了系统的运行。2.7.5水量的计算(1)发电机空气冷却器的用水量查得式中 发电机空气冷却期用水量，（） 发电

30、机额定功率，为20000kW； 发电机效率，=0.96。则 (2)推力轴承和导轴承油冷却器用水量查得式中 推力轴承损耗（kW），前面已经经过计算，； 推力轴承冷却器用水量（）； C冷却水比热，去1000kcal/(t.C)； 冷却器进出口水温差，可取24C，则取C。则 根据已知可得，导轴承油冷却器用水量按推力轴承的10%20%，则：取15%(3)水轮机轴承用水量 查表得HL250-LJ-200型号水轮机轴承采用油润滑，一般都装有冷却装置，其冷却水用量很小，可按推力轴承用水量的57%考虑，而不另行估算，即。(4)水冷式空压机冷却用水量 由气系统部分算出低压空气压缩机型号为11ZA-1.5/8，其

31、生产率为1.5，查表得冷却用水量为=0.5。(5)设备选择 查表得技术供水系统管道常采用钢管，取水管径400mm，自动给水阀为，滤水器为转动式。(6)计算总用水量表2-7- 水系统明细表序号设备名称数量单位1滤水器4只2空气冷却器6台3电磁阀2个4电磁配压阀1个5减压阀1个6压力表44个7截止阀1个8流量计24个9示流信号器1台10常开阀244个11常闭阀44个12拦污栅41+1个13三通阀44个2.8水力机组辅助设备课程设计的意义在教学上，通过水力机组辅助设备课程设计可以使学生加深对水力机组辅助设备课程内容、结构、特点、用途等方面的了解；在水力机组辅助设备工业制造方面，水力机组辅助设备设计能

32、促进水力机组辅助设备结构的优化和更新，提高水力机组辅助设备效率；在水力机组辅助设备运行上，通过对水力机组辅助设备的设计能使操作者全面、具体的了解水力机组辅助设备结构特点，从而高效、稳定的运行机组。 3软件开发总述3.1软件概述3.1.1软件简述MATLAB（Matrix Laboratory,即“矩阵实验室”）最初由美国新墨西哥大学CleveMoler教授提出并应用于矩阵计算的教学中8。它的最基本、最重要的功能也就是进行矩阵的运算。但是经过多年的发展，MATLAB已经成为跨学科、高度综合、专业化度很高的计算与仿真工具。现在的MATLAB有着“巨人肩上的工具”之称。它集数值计算、图形可视化、图像

33、处理以及多媒体技术于一身，拥有着功能齐备的应用工具箱、良好的用户界面、便捷的模块化动态仿真环境。近年来MATLAB在国内的知名度越来越大,并已被广泛应用于教学和科研,MATLAB以其强大的矩阵计算和图形可视化功能逐渐为国人所知。MATLAB科学计算软件的使用,极大的提高科研人员的工作效率,可以更快,更准确地完成计算方案的设计,可以在必要的时候用图像表示计算结果和描述运行机制。现在的MATLAB新版本早已不只停留在工程计算的功能上了,它由主包,Simulink以及功能各异的工具箱组成，以矩阵运算为基础，把计算可视化，程序设计融合到了一个简单易用的交互式工作环境中。在这里可以实现工程计算，算法研究

34、，符号计算，建模和仿真，原型开发，数据分析及可视化，科学和工程绘图，应用程序设计(包括图形用户界面设计)等功能。考虑到将来设计人员能够对该套软件系统方便稳定地进行操作，需要的是一个人机界面友好，具有较好的稳定性，能充分发挥计算机硬件平台和应用软件功能的操作系统。3.1.2软件特点(1) 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；(2) 具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化;(3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；(4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ,为用户提供了大量方便实用的处理工具。3.1

35、.3 软件界面（1）启动界面 图3.1启动界面（2）操作界面图3.2操作界面（3）编辑窗口 图3.3编辑窗口(4)属性窗口图3.4属性窗口3.2 软件系统中数据结构由于水力机组辅助设备选型设计过程涉及油系统、气系统、水系统9等大量数据。在编制程序10实现相关设计的过程中，要为这些参数定义大量的变量，如果这些变量不能按照一定的规则很好的组织在一起，不仅会造成程序可读差、容易出错，也会给软件设计过程中的编码实现与调试工作带来很大麻烦。因此，合理组织通流部分设计过程中遇到的大量参数成为整个设计系统关键因素之一。构建一个合理的、完整的水力机组辅助设备选型设计模型，并根据这个模型运用软件工程中的面向对象

36、等思想方法去实现整个设计系统，使得它能较完整地满足水力机组辅助设备选型设计者的各种需要。需要程序设计者对整个设计系统有较完整和正确的认识。3.3软件界面与程序代码3.3.1开始界面 图3.5开始界面说明：计算者可以点击界面中的进入键，可以对油系统、气系统、水系统进行相关的选型计算，点退出键可以进行退出界面的指示。程序代码% - Executes on button press in pushbutton1.function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to pushbutton1 (see

37、GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)run(gui2)% - Executes on button press in pushbutton2.function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to pushbutton2 (see GCBO)% eventdata reserve