水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)中機(jī)組參數(shù)的研究

德慶縣水利水電勘測設(shè)計(jì)室 廣東德慶 526600

摘要：本文主要針對水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)中機(jī)組的參數(shù)展開了研究，介紹了水輪機(jī)選型的設(shè)計(jì)原則，對水輪機(jī)選型作了詳細(xì)的闡述，并比較和分析了水輪機(jī)選型的設(shè)計(jì)方案和影響因素，以期能為有關(guān)方面的需要提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：水電站；水輪機(jī)；選型設(shè)計(jì)

機(jī)組參數(shù)的確定，對于水電站水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)起到重要的作用，而水電站水輪機(jī)的選型又是整個(gè)水電站設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因此，合理確定機(jī)組參數(shù)對水電站的設(shè)計(jì)有著重要意義?；诖耍疚木退娬舅啓C(jī)選型設(shè)計(jì)中機(jī)組的參數(shù)進(jìn)行了研究，相信對有關(guān)方面的需要能有一定的幫助。

1 水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)原則

這是水電站設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)主要內(nèi)容，因此，機(jī)型的技術(shù)特性要滿足電站的設(shè)計(jì)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(dòng)力效益的同時(shí)，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(jì)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(dòng)靈活，事故造成的影響較小，若電站擔(dān)任峰荷時(shí)，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(gè)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(shí)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(jì)，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(gè)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(shí)，定為待選方案，并對每種型號的主要參數(shù)，用模型實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，即用尺寸較小的水輪機(jī)作室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，獲得全面性能，將模型實(shí)驗(yàn)記錄的成果數(shù)據(jù)還算為H=1mD1=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(shí)驗(yàn)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(shí)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：

錯(cuò)誤！未找到引用源。 （1）

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(jì)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??；

η—水輪機(jī)原型效率，在模型綜合特性曲線的

Q1'點(diǎn)處選取，再加修正值Δη，最后根據(jù)D1、H設(shè)、D1M、HM計(jì)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(shí)，其轉(zhuǎn)速必須與發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速同步。

即錯(cuò)誤！未找到引用源。（r/min） （2）

上式中：

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(jì)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(yàn)，看是否符合選型原則。其方法是根據(jù)計(jì)算出的轉(zhuǎn)輪直徑和轉(zhuǎn)速，按原模型相似定律，計(jì)算出最大水頭和最小水頭的單位轉(zhuǎn)速n'1，再根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)計(jì)算出最大電站出力和最小電站出力的單位流量Q1'。由兩個(gè)單位轉(zhuǎn)速和兩個(gè)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(gè)參數(shù)是合適的。否則，應(yīng)改變參數(shù)，重新計(jì)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(jì)水頭時(shí)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(dòng)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(jì)算，當(dāng)高程在3000m以內(nèi)時(shí)，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-錯(cuò)誤！未找到引用源。900（m），則水輪機(jī)吸出高度應(yīng)該是：

錯(cuò)誤！未找到引用源。 （3）

上式中：

kσ—汽蝕安全系數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中選取。

汽蝕系數(shù)越大，則動(dòng)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算多年平均發(fā)電量

（2）水電站總投資計(jì)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