水電站水輪機選型設計中主要參數的確定

代朝科

（青海省大通縣水電設計室，青海 大通 810105）

水電站水輪機選型設計中主要參數的確定

代朝科

（青海省大通縣水電設計室，青海 大通 810105）

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

水電站；機組選型；參數；影響因素

1 水輪機選型設計原則

當水電站的水頭、流量和裝機容量初步確定后，就要進行水輪機的選型設計。選型設計是水電站設計中的一項主要內容，它關系到水電站建設的速度、投資及建成后的發電效益。所以，機型的技術特性要滿足電站的設計條件，能在要求的水頭和流量變化范圍內運行，并具有足夠的出力和較高的平均效率，在獲得最優動力效益的同時，還要考慮到建設期的施工期限和投資，以及建后運行中的維護檢修、設備的耐用性、穩定可靠性、抗汽蝕性能和運行費用。這些是在水電站選型設計中首先要考慮到的，也是必須遵守的原則。

2 水輪機選型

根據水電站的水能條件選擇水輪機臺數和水輪機型號是選型的第一步，機組臺數不同，其轉輪直徑 D1和轉速 n也不同，機組臺數多，運行方式機動靈活，事故造成的影響較小，若電站擔任峰荷時，負荷經常變化，適應性強，使每臺機組在高效區運行，能提高整個電站的平均運行效率。但機組臺數多將增加機電設備配套數量，加大廠房面積尺寸，引起單位千瓦投資的增加。機組臺數少，廠房長度可以減小，機電設備數量少，運行管理簡單，可降低電站投資，但會降低發電效率。在實際工作中，根據電站大小，要考慮既互相對立、又互相聯系的兩方面。在大中型水電站中，要考慮系統運行穩定可靠及檢修的方便，一般不宜采用單臺機組，而且為了方便電器主接線設計，運用偶數臺數。對于小型水電站，因裝機容量較小，機組臺數不宜多，一般選用 1～2臺，為了制造、安裝和維修方便，一個電站應盡量用同一機型。水輪機型號根據電站水頭和容量范圍，在水輪機系列型譜表或系列應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，用模型實驗數據繪出模型綜合特性曲線進行選擇后，通過方案比較，確定最優工況下水輪機在高效率區運行的型號作為電站機組型號。

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

2.1 水輪機的轉輪直徑 D1

在水輪機選型中，轉輪直徑是水輪機的核心，其性能和尺寸決定著水輪機的性能結構和尺寸，轉輪的形式也就決定了水輪機的形式。并反映了水輪機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就指的轉輪直徑所決定。則參數 D1的確定：上式中：

N—水輪機的額定出力（kW），N=N電/η電

N電—發電機的額定功率（kW）；

η電—發電機效率（大中型機組 η電=96%～98%，中小型機組η電=95%～96%）；

H—設計水頭（m）；

Q1′—水輪機單位流量（m3/s），在模型綜合特性曲線上的高效區選??；

η—水輪機原型效率，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 D1、H設、D1M、HM計算出準確的效率修正值 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 水輪機轉速 n

水輪機的轉速可隨工況的變化而改變，當水輪機和發電機直接連接時，其轉速必須與發電機額定轉速同步。

n10—原型水輪機最優單位轉速（r/min），根據模型最優單位轉速進行修正而得；

H設—電站設計水頭（m）。

最后對上面所選的水輪機轉輪直徑D1和轉速n進行檢驗，看是否符合選型原則。其方法是根據計算出的轉輪直徑和轉速，按原模型相似定律，計算出最大水頭和最小水頭的單位轉速再根據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工作范圍，若包括了特性曲線中心部分的高效率區，說明選出的兩個參數是合適的。否則，應改變參數，重新計算，直至工作范圍包括在高效區為止，才能說明選定的參數在設計水頭時能發出額定出力，且水輪機效率最高，尺寸最小。

2.3 水輪機最大允許吸出高度 Hs

對于選定的水輪機，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，當高程在 3000m以內時，每升高900m大氣壓力降低1m。當確定了水電站處的海拔高程，水輪機裝置出的大氣壓力為 10.33-則水輪機吸出高度應該是：上式中：

kσ—汽蝕安全系數，取經驗值1.05～1.1，單機容量大的水電站長 kσ高達1.4；

σ—汽蝕系數，從水輪機模型實驗中選取。

汽蝕系數越大，則動力真空越大，越易產生汽蝕，機組安裝高程就低，基礎開挖困難，土建工程量大。所以，在保證良好的能量特性情況下，應選用汽蝕系數較小的機型，正確地確定吸出高度是確定水輪機安裝高程的重要條件，也是水電站設計參數選擇的重要內容之一。吸出高度確定后，安裝高程也就確定了。

3 水輪機選型設計方案比較

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，進行方案比較，最后選出最優工況下的水輪機。

3.1 水輪機性能比較

（1）所選的水輪機轉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輪推薦的使用水頭范圍，則轉輪強度滿足不了要求；若最小水頭低于模型轉輪的最小水頭，則偏離設計工況，影響機組正常運行。

（2）對所選水輪機額定出力的大小進行比較。

（3）汽蝕性能和吸出高度比較，汽蝕系數 σ值大，機組安裝高程高，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最大、最小水頭看水輪機工作范圍，是否在高效率區運行。

3.2 技術經濟指標比較

（1）根據水輪機的平均效率，計算多年平均發電量

（2）水電站總投資計算比較和年運行費比較。

（3）各方案的單位千瓦投資、單位電量投資和電能成本指標的比較。

3.3 技術條件比較

（1）水輪機制造、運輸和安裝。

（2）各型號水輪機方案的廠房樞紐布置及施工條件。

（3）運行管理費比較。

4 影響因素

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

4.1 水輪機組的過速

機組設備在運行時，其動能是由水輪機提供的，此時水輪機提供足夠的能量來帶動發電機旋轉，發電機和外網為水輪機的負荷，當跳閘后，水輪機的負荷就瞬時減小，使得水輪機速度瞬時上升，導致過速。

4.2 水輪機的振動

影響水力發電機組的振動主要是機械振動、電磁振動和水力振動。機械振動的干擾力來自機械部分的不平衡力、摩擦力和其它力；電磁振動的干擾來自發電機電氣部分的電磁力；而水力振動的干擾來自引水系統和水輪機水力部分的振動；運行中的水輪機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尤為突出。

4.3 水輪機的汽蝕

汽蝕對機組的運行極為不利。一是可破壞水輪機的過流部件；二是降低水輪機的出力和效率；三是強烈的汽蝕會引起機組產生振動致使水輪機不能安全運行。所以，在水輪機選型設計中，必須考慮以下兩個方面：（1）合理設計轉輪型式（葉片型狀、數目），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）盡可能改善機組運行條件，避開容易產生嚴重汽蝕的低水頭和低負荷下運行，減少空腔汽蝕。

4.4 機組軸承溫度

水輪發電機組運行規程規定機組上下導及推力軸承的故障溫度為 55℃，水導軸承故障溫度為50℃。軸承發熱比較嚴重時，將導致機組軸承燒毀，只有使機組軸承溫度穩定在規定范圍之內，機組才能可靠的運行。引起軸承過熱的原因有以下幾個方面：（1）設計方面的問題。例如軸承瓦襯鋼度及瓦面的材質選擇不當、油的循環冷卻系統及油冷卻器設計不合理等。（2）制造方面的問題。如油的循環冷卻系統的通道不暢通、轉動部分質量不平衡等。（3）安裝方面的問題。在機組安裝時，往往由于軸承瓦面研刮不合格，而使軸承溫度偏高。

5 結語

在水電站水輪機組選型中設計參數的確定，直接影響著整座水電站的正常運行和經濟效益的發揮，尤其是幾種主要因素的影響更不容忽視。在水電站規劃設計當中，要通過多種設計方案的比選，考慮各種因素的影響，并采納已建成且運行良好的水電站的設計經驗，因地制宜，嚴謹設計選型，使得建成的水電站發揮最好的工程效益。

［1］天津大學水利系.小型水電站［M］.北京：水利電力出版社，1976.

［2］王煥輝.水輪機組軸承溫度過高原因及處理［J］.小水電，1994（04）.

［3］劉大愷.水輪機（第三版）［M］.北京：中國水利水電出版社，1997.

［4］水電站機電設計手冊編寫組.水電站機電設計手冊—水利機械［M］.北京：水利電力出版社，1983.

［5］劉啟釗.水電站（第三版）［M］.北京：中國水利水電出版社，1998.

［6］成都水力發電學校.水電站（第二版）［M］.北京：水利電力出版社，1986.

TV734.1

A

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。