代朝科

（青海省大通縣水電設(shè)計室，青海 大通 810105）

水電站水輪機(jī)選型設(shè)計中主要參數(shù)的確定

代朝科

（青海省大通縣水電設(shè)計室，青海 大通 810105）

水電站設(shè)計中機(jī)組選型設(shè)計是整個水電站設(shè)計的關(guān)鍵，機(jī)組選型中主要參數(shù)的確定決定著整個水電站的工期、投資以及發(fā)電效益。本文通過分析水電站水輪發(fā)電機(jī)組在選型設(shè)計過程中如何著重考慮各方面的影響因素對機(jī)組選型的直接或間接影響，科學(xué)合理地確定機(jī)組各主要的最理想水力參數(shù)，達(dá)到水電站建設(shè)投資省、效益好以及高效率的目的，從而對類似工程的建設(shè)起到一定的借鑒作用。

水電站；機(jī)組選型；參數(shù)；影響因素

1 水輪機(jī)選型設(shè)計原則

當(dāng)水電站的水頭、流量和裝機(jī)容量初步確定后，就要進(jìn)行水輪機(jī)的選型設(shè)計。選型設(shè)計是水電站設(shè)計中的一項主要內(nèi)容，它關(guān)系到水電站建設(shè)的速度、投資及建成后的發(fā)電效益。所以，機(jī)型的技術(shù)特性要滿足電站的設(shè)計條件，能在要求的水頭和流量變化范圍內(nèi)運(yùn)行，并具有足夠的出力和較高的平均效率，在獲得最優(yōu)動力效益的同時，還要考慮到建設(shè)期的施工期限和投資，以及建后運(yùn)行中的維護(hù)檢修、設(shè)備的耐用性、穩(wěn)定可靠性、抗汽蝕性能和運(yùn)行費(fèi)用。這些是在水電站選型設(shè)計中首先要考慮到的，也是必須遵守的原則。

2 水輪機(jī)選型

根據(jù)水電站的水能條件選擇水輪機(jī)臺數(shù)和水輪機(jī)型號是選型的第一步，機(jī)組臺數(shù)不同，其轉(zhuǎn)輪直徑 D1和轉(zhuǎn)速 n也不同，機(jī)組臺數(shù)多，運(yùn)行方式機(jī)動靈活，事故造成的影響較小，若電站擔(dān)任峰荷時，負(fù)荷經(jīng)常變化，適應(yīng)性強(qiáng)，使每臺機(jī)組在高效區(qū)運(yùn)行，能提高整個電站的平均運(yùn)行效率。但機(jī)組臺數(shù)多將增加機(jī)電設(shè)備配套數(shù)量，加大廠房面積尺寸，引起單位千瓦投資的增加。機(jī)組臺數(shù)少，廠房長度可以減小，機(jī)電設(shè)備數(shù)量少，運(yùn)行管理簡單，可降低電站投資，但會降低發(fā)電效率。在實際工作中，根據(jù)電站大小，要考慮既互相對立、又互相聯(lián)系的兩方面。在大中型水電站中，要考慮系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠及檢修的方便，一般不宜采用單臺機(jī)組，而且為了方便電器主接線設(shè)計，運(yùn)用偶數(shù)臺數(shù)。對于小型水電站，因裝機(jī)容量較小，機(jī)組臺數(shù)不宜多，一般選用 1～2臺，為了制造、安裝和維修方便，一個電站應(yīng)盡量用同一機(jī)型。水輪機(jī)型號根據(jù)電站水頭和容量范圍，在水輪機(jī)系列型譜表或系列應(yīng)用范圍圖中初步確定適宜的型號。在相同的條件下，若有兩種型號可供選擇時，定為待選方案，并對每種型號的主要參數(shù)，用模型實驗數(shù)據(jù)繪出模型綜合特性曲線進(jìn)行選擇后，通過方案比較，確定最優(yōu)工況下水輪機(jī)在高效率區(qū)運(yùn)行的型號作為電站機(jī)組型號。

電站水輪機(jī)主要參數(shù)的選擇必須借助于模型實驗，即用尺寸較小的水輪機(jī)作室內(nèi)實驗，獲得全面性能，將模型實驗記錄的成果數(shù)據(jù)還算為 H=1m D1=1m的水輪機(jī)單位參數(shù)，即單位轉(zhuǎn)速 n′、單位流量 Q1′等，并繪制成模型水輪機(jī)主要綜合特性曲線，利用相似定律將模型實驗成果換算到原型水輪機(jī)上去。也就是用模型綜合特性曲線（參數(shù)變化關(guān)系曲線）選擇水輪機(jī)的主要參數(shù)。

2.1 水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑 D1

在水輪機(jī)選型中，轉(zhuǎn)輪直徑是水輪機(jī)的核心，其性能和尺寸決定著水輪機(jī)的性能結(jié)構(gòu)和尺寸，轉(zhuǎn)輪的形式也就決定了水輪機(jī)的形式。并反映了水輪機(jī)的最大出力和適用水頭，同時決定著廠房尺寸的大小，平常所說的選用性能好和尺寸小的水輪機(jī)就指的轉(zhuǎn)輪直徑所決定。則參數(shù) D1的確定：上式中：

N—水輪機(jī)的額定出力（kW），N=N電/η電

N電—發(fā)電機(jī)的額定功率（kW）；

η電—發(fā)電機(jī)效率（大中型機(jī)組 η電=96%～98%，中小型機(jī)組η電=95%～96%）；

H—設(shè)計水頭（m）；

Q1′—水輪機(jī)單位流量（m3/s），在模型綜合特性曲線上的高效區(qū)選?。?/p>

η—水輪機(jī)原型效率，在模型綜合特性曲線的Q1′點處選取，再加修正值 Δη，最后根據(jù) D1、H設(shè)、D1M、HM計算出準(zhǔn)確的效率修正值 Δη，得出原型最大效率ηmax=ηM.max+Δη；

ηmax—原型最大效率；

ηM.max—模型最大效率；

Δη—原型效率修正值，Δη=1%～3%。

2.2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)速 n

水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速可隨工況的變化而改變，當(dāng)水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)直接連接時，其轉(zhuǎn)速必須與發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速同步。

n10—原型水輪機(jī)最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速（r/min），根據(jù)模型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速進(jìn)行修正而得；

H設(shè)—電站設(shè)計水頭（m）。

最后對上面所選的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1和轉(zhuǎn)速n進(jìn)行檢驗，看是否符合選型原則。其方法是根據(jù)計算出的轉(zhuǎn)輪直徑和轉(zhuǎn)速，按原模型相似定律，計算出最大水頭和最小水頭的單位轉(zhuǎn)速再根據(jù)模型實驗計算出最大電站出力和最小電站出力的單位流量Q1

′。由兩個單位轉(zhuǎn)速和兩個單位流量值，在模型綜合特性曲線上繪出的四邊形水輪機(jī)工作范圍，若包括了特性曲線中心部分的高效率區(qū)，說明選出的兩個參數(shù)是合適的。否則，應(yīng)改變參數(shù)，重新計算，直至工作范圍包括在高效區(qū)為止，才能說明選定的參數(shù)在設(shè)計水頭時能發(fā)出額定出力，且水輪機(jī)效率最高，尺寸最小。

2.3 水輪機(jī)最大允許吸出高度 Hs

對于選定的水輪機(jī)，其動力真空是一定的，吸出高度也就是靜力真空值，以海平面的平均大氣壓為10.33m水柱高計算，當(dāng)高程在 3000m以內(nèi)時，每升高900m大氣壓力降低1m。當(dāng)確定了水電站處的海拔高程，水輪機(jī)裝置出的大氣壓力為 10.33-則水輪機(jī)吸出高度應(yīng)該是：上式中：

kσ—汽蝕安全系數(shù)，取經(jīng)驗值1.05～1.1，單機(jī)容量大的水電站長 kσ高達(dá)1.4；

σ—汽蝕系數(shù)，從水輪機(jī)模型實驗中選取。

汽蝕系數(shù)越大，則動力真空越大，越易產(chǎn)生汽蝕，機(jī)組安裝高程就低，基礎(chǔ)開挖困難，土建工程量大。所以，在保證良好的能量特性情況下，應(yīng)選用汽蝕系數(shù)較小的機(jī)型，正確地確定吸出高度是確定水輪機(jī)安裝高程的重要條件，也是水電站設(shè)計參數(shù)選擇的重要內(nèi)容之一。吸出高度確定后，安裝高程也就確定了。

3 水輪機(jī)選型設(shè)計方案比較

對于在同一水能條件下，選擇出合適的不同型號的模型水輪機(jī)，進(jìn)行方案比較，最后選出最優(yōu)工況下的水輪機(jī)。

3.1 水輪機(jī)性能比較

（1）所選的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪使用水頭范圍能否滿足電站水頭變化要求，若電站最大水頭超過模型轉(zhuǎn)輪推薦的使用水頭范圍，則轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度滿足不了要求；若最小水頭低于模型轉(zhuǎn)輪的最小水頭，則偏離設(shè)計工況，影響機(jī)組正常運(yùn)行。

（2）對所選水輪機(jī)額定出力的大小進(jìn)行比較。

（3）汽蝕性能和吸出高度比較，汽蝕系數(shù) σ值大，機(jī)組安裝高程高，開挖量大。

（4）效率高低比較，比較最高效率和高效區(qū)大小，對充分利用水資源是很重要的。

（5）在綜合特性曲線上根據(jù)最大、最小水頭看水輪機(jī)工作范圍，是否在高效率區(qū)運(yùn)行。

3.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

（1）根據(jù)水輪機(jī)的平均效率，計算多年平均發(fā)電量

（2）水電站總投資計算比較和年運(yùn)行費(fèi)比較。

（3）各方案的單位千瓦投資、單位電量投資和電能成本指標(biāo)的比較。

3.3 技術(shù)條件比較

（1）水輪機(jī)制造、運(yùn)輸和安裝。

（2）各型號水輪機(jī)方案的廠房樞紐布置及施工條件。

（3）運(yùn)行管理費(fèi)比較。

4 影響因素

影響水輪機(jī)正常運(yùn)行的主要因素有許多，其中水輪機(jī)組的過速、振動、汽蝕、機(jī)組軸承溫度這幾種因素影響最為突出。

4.1 水輪機(jī)組的過速

機(jī)組設(shè)備在運(yùn)行時，其動能是由水輪機(jī)提供的，此時水輪機(jī)提供足夠的能量來帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)和外網(wǎng)為水輪機(jī)的負(fù)荷，當(dāng)跳閘后，水輪機(jī)的負(fù)荷就瞬時減小，使得水輪機(jī)速度瞬時上升，導(dǎo)致過速。

4.2 水輪機(jī)的振動

影響水力發(fā)電機(jī)組的振動主要是機(jī)械振動、電磁振動和水力振動。機(jī)械振動的干擾力來自機(jī)械部分的不平衡力、摩擦力和其它力；電磁振動的干擾來自發(fā)電機(jī)電氣部分的電磁力；而水力振動的干擾來自引水系統(tǒng)和水輪機(jī)水力部分的振動；運(yùn)行中的水輪機(jī)在不同程度均存在著因水力因素引起的振動和擺動，特別是高水頭水輪機(jī)尤為突出。

4.3 水輪機(jī)的汽蝕

汽蝕對機(jī)組的運(yùn)行極為不利。一是可破壞水輪機(jī)的過流部件；二是降低水輪機(jī)的出力和效率；三是強(qiáng)烈的汽蝕會引起機(jī)組產(chǎn)生振動致使水輪機(jī)不能安全運(yùn)行。所以，在水輪機(jī)選型設(shè)計中，必須考慮以下兩個方面：（1）合理設(shè)計轉(zhuǎn)輪型式（葉片型狀、數(shù)目），并且在制造工藝上采用耐汽蝕性材料，提高表面光潔度，減小葉型汽蝕。（2）盡可能改善機(jī)組運(yùn)行條件，避開容易產(chǎn)生嚴(yán)重汽蝕的低水頭和低負(fù)荷下運(yùn)行，減少空腔汽蝕。

4.4 機(jī)組軸承溫度

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行規(guī)程規(guī)定機(jī)組上下導(dǎo)及推力軸承的故障溫度為 55℃，水導(dǎo)軸承故障溫度為50℃。軸承發(fā)熱比較嚴(yán)重時，將導(dǎo)致機(jī)組軸承燒毀，只有使機(jī)組軸承溫度穩(wěn)定在規(guī)定范圍之內(nèi)，機(jī)組才能可靠的運(yùn)行。引起軸承過熱的原因有以下幾個方面：（1）設(shè)計方面的問題。例如軸承瓦襯鋼度及瓦面的材質(zhì)選擇不當(dāng)、油的循環(huán)冷卻系統(tǒng)及油冷卻器設(shè)計不合理等。（2）制造方面的問題。如油的循環(huán)冷卻系統(tǒng)的通道不暢通、轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡等。（3）安裝方面的問題。在機(jī)組安裝時，往往由于軸承瓦面研刮不合格，而使軸承溫度偏高。

5 結(jié)語

在水電站水輪機(jī)組選型中設(shè)計參數(shù)的確定，直接影響著整座水電站的正常運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮，尤其是幾種主要因素的影響更不容忽視。在水電站規(guī)劃設(shè)計當(dāng)中，要通過多種設(shè)計方案的比選，考慮各種因素的影響，并采納已建成且運(yùn)行良好的水電站的設(shè)計經(jīng)驗，因地制宜，嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計選型，使得建成的水電站發(fā)揮最好的工程效益。

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1672-2469（2015）08-0072-02

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2015.08.023

代朝科（1972年—），男，工程師。