淺談小型水電站機組選型設計中的若干問題

姜仁義（常德市水利水電勘測設計院，湖南常德415000）

淺談小型水電站機組選型設計中的若干問題

姜仁義（常德市水利水電勘測設計院，湖南常德415000）

在小型水電站的開發建設過程中，機組的選擇逐漸成為工程投資的熱點之一，在實際建設中往往由于水輪發電機組選型不當問題，導致電站效益不盡理想。本文探討了小型水電站機組選型設計中的注意事項，以供參考。

小型水電站；機組；選型設計

1 引言

水力發電過程中，設計水輪發電機組的設計合理性至關重要，其特性方面的優劣將會直接影響到水電站整體運營的經濟性，因而是控制水電站運營質量的重要因素。可見，必須結合相應的技術經濟參數合理選擇機組，采用適合的水輪機發電機組設備，從而保障小型水電站的日常順利運行。

2 小型水電站機組選型設計概述

2.1 水輪機選型設計概述

因為水電站所在地不同，其水力資源、開發利用情況必然存在差異，而水電站本身的設計也因地制宜，尤其是工作水頭、引用流量范圍等，需要依據實際情況而定。而水輪機在自身能量特性、汽蝕特性與強度條件的限制下，所能夠適用的水頭、流量范圍均較窄，水輪機僅能在適用區域內實現正常運行。為確保水電站的運行經濟安全與高效率，設計人員應當全面了解各種不同類型水輪機的技術參數、性能特點，從而根據電站基礎資料，結合工程的總體布置、水輪機特性等，進行技術方案的綜合比較，最終選擇資源利用率高、投資省、收益高的最優選型方案。

2.2 常見水輪機機型

小型水輪機的選擇，在具體設計過程中，應當尤其注意根據現場的實際情況，通過詳細、客觀的技術經濟比較之后才能確定。

2.2.1 燈溝貫流式水輪機

我國近年來，在燈溝貫流式水輪機的發展較為顯著，很多工程中經過實際運用表明，在水頭低于25m的情況下，燈泡貫流式水輪機同軸流轉槳式水輪機相比，有非常明顯的技術經濟優勢。燈泡貫流式機組的結構形式，與常規的立軸機組存在較大的差異，尤其是在運行、檢修、管理方式上有諸多不同，是否采用需要結合實際，征求業主單位的意見。

2.2.2 軸流式水輪機

軸流式水輪機包括兩種，即轉槳式與定槳式。在小型水電站建設中，軸流定槳式水輪機的運用很多，其主要優勢在于結構簡單、造價低，且不存在轉輪漏油方面的問題。

2.2.3 混流式水輪機

在低水頭中、小電站中，混流式水輪機的使用也較為普遍。雖然混流式水輪機的機組選價相對較高，但其空化性能較好，且機組的安裝高程較高，能夠大大節約土建投資。

2.2.4 水斗式水輪機

80年代以前，由于受到設計、制造、材料水平方面的限制，我國的高水頭混流式水輪機運行仍然存在很多問題。

3 小型水電站機組的選型原則與方法

3.1 水輪機選型原則

（1）預先檢測設計水頭下所發出的額定出力，如果實際低于設計水頭，則所設計的機組受阻容量應當盡可能小，使水輪機能夠發揮其最大效率。

（2）機組參數和水電站的基本參數應當彼此適應。由于每一種型號的水輪機都有自身所適用的水頭范圍，其水頭上限則主要是根據該型水輪機的強度、汽蝕條件進行制定的；而下限則需要充分考慮能夠使水輪機運行效率不會過低。由最大水頭計算飛逸轉速，控制在配套發電機飛逸轉速值以下。

（3）在同等水頭的情況下，選擇水輪機轉速相對較高的，或選擇配套發電機造價較低，允許吸出高程較大的，并且以轉輪直徑小的水輪機為宜，汽蝕系數小且性能較為穩定。

（4）機組臺數要求能夠適應運行的靈活性要求，確保機組在高效率區的運，通常以2～4臺為宜。

（5）如果同一電站有多種機型方案可供選擇，則需要視電站具體情況進行方案綜合比較，以選擇最適合的水輪機機型。發電機則通常是由水輪機制造廠配套供應的，其選型應當與水輪機的選擇同步。

3.2 水輪機選型設計方法

在針對小型水電站的水輪機進行設計時，通常運用“查表套用法”，其使用方法簡單，而水輪機型號的選擇重點是取決于水頭設計，設計人員則應當依據水輪機生產廠家所提供的“水輪機產品目錄”中，所列的各類機型水輪機性能配套表參數，嚴格按照“水輪機選型原則”，確定水輪機與發電型號選擇。

4 水輪發電機組選型設計實例分析

某水電站的位置處于某河流中上游，距離上游的縣城約35km，當地交通條件便利。該電站的最大水頭為16.67m，其加權平均水頭則為14.21m，最小水頭是10.07m，屬于低水頭工程。而電站的總裝機容量是18MW，多年平均發電量達到8644萬kW·h。

4.1 水輪機額定水頭的確定

設計水輪發電機組時，依據該電站電能加權平均水頭14.21m，結合電站動能參數指標和“日平均流量對應水頭關系系列表”，充分考慮到當地汛期滿發運行需要，經過分析計算可確定水輪機的額定水頭設計為13m。

4.2 水輪機參數確定

4.2.1 水輪機比速系數及比轉速的選擇

為了能夠針對水輪機能量、空化以及水利穩定性因素進行全面的、綜合的衡量，需要以比速系數及比轉速作為綜合技術指標，以反映當地水輪機的設計、制造水平。據有關統計資料，該水電站水輪機比速系數k取值在1929～2199之間，相應比轉速ns值介于535～610m·kW間較為合理。

4.2.2 機組參數確定

依據現有的模型轉輪相關資料，該供電站選擇采用軸流式模型轉輪。通過將現有各轉輪參數計算結果進行比較發現，處于額定水頭下，各比選轉輪都可以發出額定出力，且水輪機的運行范圍都包括模型曲線高效區。而在綜合能量特性、空化特性和經濟特性等指標上，以ZZ660型號的轉輪為優。

4.3 水輪機型式、單機容量和機組臺數的確定

該電站水輪機機組運行水頭設計范圍是10.07～16.67m，因而既可采用燈泡貫流式，也可采用軸流式水輪機。就電站裝機擬定以下方案，即選擇3臺單機容量為6MW的軸流轉槳式機組作為最終設計方案，具體如下：

采用3臺軸流轉槳式機組方案，設計所使用轉輪的直徑是2.85m。當該地處于枯水季節時，電站來水流量為20m3/s，可確保電站機組仍然維持穩定運行（機組最小發電流量為17.2m3/s）。采用3臺軸流轉槳式機組的方案，其實際運行更為靈活方便，但由于該電站的單機容量較小、水頭變幅也較小，流量變幅卻較大，因而輔以“兩定一轉”裝機方案，以實現對降低電站投資、簡化運行維護的兼顧，并滿足小流量運行要求。

就設備的制造與實際運行維護而言，采用軸流機方案，具備了成熟的相關經驗，該方案的機組穩定運行范圍較寬，運行靈活可靠，單機故障對電站運行效益影響較小，同時兼顧電站建設的經濟性、年發電效益、運行調度的靈活性和可靠性、機組運行穩定性及維護管理方便等因素，該方案為最佳機組設計方案。

5 結語

綜上所述，在小型水電站的機組設計選擇中，水輪發電機組選型將直接影響到最終的水電站投入運行穩定性與運行效益，因此，要求設計人員必須在一開始就嚴格按照設計原則，從細節出發，控制好機組選擇的各個參數要求，最終保證機組的成本最小、效益最大。

［1］孫毅.中小型水電站水輪機選型設計要點的探討［J］.商品與質量·理論研究，2014：56～57.

［2］代朝科.水電站水輪機選型設計中主要參數的確定［J］.水利規劃與設計，2015（8）：72～73.

［3］張延鋒，高敏，楊新光，等.超低水頭潮汐電站機組選型設計［J］.西北水電，2014（3）：66～70.

TV734

A

2095-2066（2016）30-0087-02

2016-8-15

姜仁義（1982-），男，工程師，本科，主要從事水利機械設計工作。