電站設計中電站參數及水輪機參數合理選擇

李懷蓉

(云南省昭通市水利局質監站 657000)

1 概述

正確地選擇電站參數及水輪機參數，是電站設計中的重要任務。這個問題解決得正確與否對電站建設的速度，投資、發電量及預想出力的多少、整個運轉期間水資源利用的程度、電廠運轉的經濟性、靈活性都有很大影響。水輪機選型設計是一項很重要的工作。由于地方上技術力量薄弱，人才數量總量不足，人員素質難與當前迅猛開發的水電站步伐相匹配，對水輪機參數概念不清、理解模糊，對電站技術經濟比較分析做得少或根本未做，通常僅簡單地查一查產品目錄或直接委托廠家選擇水輪機。因論證單一，導致機組選型不當，給電廠運行帶來了很多隱患，如:運行工況偏離最優工況較遠，機組效率不高，汽蝕、振動加劇。這些隱患大大增加了機組檢修工作量，縮短了機組檢修周期及電站的使用壽命;其次因電站參數選擇不當，電站廠房地坪高程選擇不合理，常常浪費了寶貴的水資源，給電站帶來了本可以避免的經濟損失。

2 裝機容量及單機容量的確定

a.昭通地區的電站除極少數外，均屬經流式電站。電站裝機容量選擇主要根據水資源利用條件，綜合考慮當地電力系統電力電量平衡及負荷預測、電站的保證出力、水輪機聯合運行在高效率區的要求，以及現有廠家生產的可能性。裝機容量通常為保證出力的1.5～2.5倍(目前因資源緊缺，該值趨于取大值)。

b.單機容量應根據系統的日負荷曲線，結合電力系統中事故備用容量所占系統容量的比重來確定，一般考慮單機容量略大于電站的保證出力及系統中的事故備用容量，并使所選機組適于電站水頭運行范圍。以魚井電站為例，水文分析計算的保證出力為603kW，選定的單機容量為630kW。

c.機組臺數應根據電廠所占系統比重、運行時的平均效率、電站機電設備、土建投資及運行費用綜合考慮，一般考慮2～4臺，當電站容量超過系統負荷的30%以上時，以3～4臺為宜，這樣既保證了電站運行的高效率，又可避免機組事故停機對系統造成的影響，還可避免因機組臺數不合理的增加，帶來廠房等一系列的機電、土建投資的增加。

3 電站水頭(位)的選擇

3.1 前池水位確定

因昭通地區水電站大都屬徑流式電站，電站各特征水頭主要是前池各特征水位與電站尾水位的差值。一般情況下，前池的正常水位取渠道末端的正常水位，而前池最高及最低水位應根據電站丟棄全負荷時產生的最高涌波水位及電站突然增加負荷時產生的最低涌波水位確定。

假定矩形渠道水深為h時，則按下式確定前池水位:

式中 v0——渠道起始的流速;

v——渠道變化后的流速;

h0——渠道起始的水深;

h——渠道變化后的水深。

由上式可計算出丟棄負荷時的波高及突然增加負荷時的最大水位下降。以此確定前池的最高水位及最低水位。根據最低水位可進一步確定壓力管道的頂部高程。通常管頂應保證在最低水位以下2～4m。水力條件好時取小值，反之取大值。否則，會造成因淹沒深度不能滿足壓力管道進氣而影響電站穩定運行的情況。對徑流式電站，通常以電站上、下游正常高水位之差減去流道內的沿程及局部水頭損失，作為電站設計水頭，一般設計水頭取電站平均水頭。電站上游水位即前池正常水位，下游水位即電站正常尾水位，而電站的正常尾水位一般以一臺機組發出額定出力時的水位(該水位可按明渠均勻流公式求得)確定。

3.2 尾水位確定

尾水管的淹沒深度應保證在小流量時能達到30～50cm以上，保證尾水管不進氣。此外，尾水渠設計應盡可能使尾水出流順暢，并保證尾水出流時有足夠的凈空高度，不應有過高的涌浪出現，與下游河流的銜接應順暢，以免影響機組出力。

4 合理確定地坪高程及安裝高度以提高電站使用水頭

4.1 廠房地坪高程確定

小型徑流式電站的設計水頭為前池正常水位與尾水位之差再扣除流道所有損失。在具體確定電站水頭時，電站廠房地坪高程是一個關鍵因素。對于臥式機組，通常?中(機組中心線高程)=?尾+HS，而地坪高程?地=?中-h(機組中心線至地面高度)，所以?地=?尾+HS-h，對于小型臥式機組而言，地坪高程的確定意味著電站水頭的確定。而電站廠房地坪高程，在電站設計中，一般都按30～50年一遇設計洪水加安全超高確定。但人們的觀念上始終擔心廠房被淹而故意將廠房地坪提高幾米，這樣無形中浪費了電站幾米水頭。在昭通地區的很多已運行電站中，電站尾水跌落十幾米或幾米才掉進河里的現象屢見不鮮。事實上，昭通地區各縣的電網都存在枯水期電能緊張、洪水期電能富余的情況。為使枯水期能多發電，適當降低廠房地坪高程對提高電站使用水頭，尤其是增加枯季電能是相當合適并具有普遍現實意義的。一般根據水文水能推算成果，按30～50年一遇的設計洪水位或略高水位作為廠房坪高程，是符合昭通地區實際情況的。因昭通地區的河流均為山區河道，河水陡漲陡落，電站處在下游開闊地區，因受洪水淹沒的威脅，可適當采取簡單的工程措施防洪;當電站所處的下游河道狹窄、河水湍急時，應結合廠區樞紐布置，采取相應的防洪措施，并作技術經濟比較論證。

4.2 安裝高度的確定

水輪機運行檢修工作量、機組使用壽命主要取決于水輪機過流部件汽蝕破壞，而汽蝕破壞程度主要取決于水輪機的安裝高度HS。在電站設計中，要在滿足臨界汽蝕要求的情況下，結合水輪機轉輪材料、葉片型線改善汽蝕條件，而不能一味地依靠降低水輪機安裝高程達到減輕汽蝕的目的。水輪機吸出高度HS一般按下式計算:

式中 Δ——電站設計尾水位;

H——電站設計水頭;

δ——汽蝕系數，由綜合特性曲線查得;

Δδ——修正汽蝕系數。

根據上式計算出的HS值，結合土建、機組運行工況選取適當的HS值。對小型臥軸反擊式水輪機，HS一般推薦取正值。

以鎮雄五德二級電站為例，裝機2×2000kW，選用HL110—WJ—84機型，原設計HS=-0.25m，后修改為2.0m，增加水頭2.25m，降低了土建投資，每年可增加幾萬元發電收入，經過十多年運行表明，HS取值是恰當的。

如果對同一電站，有兩種以上機型選擇，而HS對于比速高的機型為負值，比速低的機型為正值，則應選擇后者，這樣可多利用電站水頭，而機組尺寸增加所帶來的土建投資增大幾乎可以忽略。另外，應盡量避免選用機組極限水頭的機型。以威信魚井電站為例，電站裝機2×630kW，設計水頭48m，根據型譜，可選用HL220及HL240，電站設計水頭48m，接近HL240的極限使用水頭，HS為負值。最后選用HL220，HS=+2.25，可多利用兩米多的水頭，投產運行以來，情況良好;但HS若是正值，且很高，則不能滿足機組臨界汽蝕的要求，機組運行必定出現嚴重的汽蝕、振動。以鎮雄法地電站為例，裝機2×400kW，選用 HL260—WJ—71機型，原設計HS=+4.2 25m，大大超過了臨界汽蝕要求，經計算后建議將HS修改為2.8m，這樣，最大限度地利用了水頭，又確保了機組滿足臨界汽蝕的要求。

綜上所述:水輪機吸出高度HS值，既不能太大，也不能太小，必須在滿足臨界汽蝕要求的前提下，選取較大的數值或參考已運行同類電站機型的情況取值。為避免汽蝕發生，又不致造成電站水頭浪費，還可提高電站主廠房地坪高程，減少主廠房的土建開挖工程量，降低土建投資，提高電站經濟效益，以利于廠區的防洪和運行維護。

5 轉速確定

但對同一水頭，若有兩種以上機型的轉速可供選擇時，則不能僅按轉速的高低為選擇標準。因為速高的水輪機尺寸會較小，可降低機電設備投資，但安裝高程亦低，土建費用又會增加，兩相比較投資不一定減少。此時，應對額定轉速作出合理的方案比較，對小型機組而言，水輪機的額定轉速不應超過1000r/min。否則會出現難以忍受和難以解決的噪聲和振動。

6 水輪機運行綜合特性曲線的運用

在水輪機選型設計中，應通過繪制水輪機運轉特性曲線，復核所選水輪機的實際工作范圍。根據所繪制的綜合特性曲線能直觀準確地反映出水輪機運轉范圍，看到所選水輪機是否處于最優工況運行。運用水輪機運轉特性曲線圖還能為確定今后電廠內機組的最優運行方式提供依據。

7 結語

對一個電站而言，電站參數及水輪機參數一經選定后，就很難再有改變的可能了，而電站參數選擇不合理所帶來的損失常被人誤解為是固有的，且較為隱蔽，往往不能引起足夠的重視。當前昭通地區中、小水電開發步伐較為迅猛，但由于專業技術人員欠缺，人才力量不足，從業人員缺乏相關經驗，導致在開發的小電站中，未能使電站的水能資源得到最大限度的利用，對國家的資源造成了浪費，給企業的效益也帶來了一定影響。本文就小水電站開發中普遍存在但又較為隱蔽的電站以及水輪機參數的合理選擇提出了一些觀點，以期與同行互相交流，取長補短。