淺析水輪機的選型設(shè)計

張強

摘要：水輪發(fā)電機時指以水輪機為原動機將水能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機。水流經(jīng)過水輪機時，將水能轉(zhuǎn)換成機械能，水輪機的轉(zhuǎn)軸又帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，將機械能轉(zhuǎn)換成電能而輸出。本文以對X水電站調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計與分析為例。從初步選擇，對各項指標(biāo)進行綜合比較，到選定最優(yōu)方案，確定水輪機型號HLA511-LJ-410、選擇4臺機組，來介紹水輪機選型方法。

一、水輪機類型的確定

由所給出的原始數(shù)據(jù)克制水輪機的運行水頭范圍為52-76米，則可供選擇的水輪機型式有混流式、斜流式以及軸流轉(zhuǎn)漿式三種。斜流式水輪機適用于水頭變幅大的電站，轉(zhuǎn)輪葉片可以轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)雙重調(diào)節(jié)，處于高效率區(qū)的流量和出力范圍大，效率曲線比較平坦。但目前由于其制造工藝復(fù)雜，技術(shù)要求高，故很少使用。而混流式水輪機具有結(jié)構(gòu)緊湊、運行可靠、效率高，能適應(yīng)很寬的水頭范圍等特點，技術(shù)十分成熟，是目前國際國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的水輪機機型，安裝檢修均具有強有力的技術(shù)保障，且由于本次設(shè)計的電站水頭變化范圍較小，且負(fù)荷變化較大，故決定采用混流式水輪機。

根據(jù)原始資料中的最高水頭76米，查《混流式水輪機轉(zhuǎn)輪型譜參數(shù)表》，經(jīng)過初步比較判斷選擇6個型號的轉(zhuǎn)輪，其詳細(xì)參數(shù)見下表

經(jīng)過對這幾個機型的參數(shù)的初步比較，可以看出A511-35型、HL220.46型及A248-35型模型水輪機在最優(yōu)工況下的單位轉(zhuǎn)速、單位流量、最高效率以及限制工況點的單位流量均比較高，且高效率區(qū)較寬，可使原型機獲得較高的轉(zhuǎn)速和較大的通過流量，從而在相同出力的情況下縮小機組的尺寸，同時模型機的氣蝕系數(shù)較小，有利于電站的穩(wěn)定運行，故選取上述三個水輪機機型進行計算.

二、機組臺數(shù)的確定

由原始資料可知，該水電站的裝機容量為280MW，根據(jù)實踐經(jīng)驗，在合理要求的情況下，可采用3 臺、4臺、5 臺機組的設(shè)計方案進行計算比較。

三、水輪及裝置方式的確定

設(shè)計電站的最大水頭是76米，且裝機容量屬于大機組，故應(yīng)按立式布置方式。

四、水輪機選型計算

分別對以上九個方案進行計算，并根據(jù)計算結(jié)果確定各模型轉(zhuǎn)輪型號的最優(yōu)方案。確定轉(zhuǎn)輪直徑和同步轉(zhuǎn)速等參數(shù)，步驟如下：

（1）、根據(jù)電站的總裝機容量及其機組的臺數(shù)，確定單機的出力Nr，然后計算轉(zhuǎn)輪直徑D1，最后根據(jù)算出的轉(zhuǎn)輪直徑，查水輪機的標(biāo)準(zhǔn)直徑D1；

（2）、原型水輪機的最高效率ηT0的計算，計算效率修正值確定△η，最后求出原型機的效率ηT，并判斷單位參數(shù)是否需要修正；

（3）、計算單位轉(zhuǎn)速的修正值△n并判斷其否需要修正，然后計算原型機最優(yōu)工況下的單位轉(zhuǎn)速（n110）T，并根據(jù)其計算值確定標(biāo)準(zhǔn)值（與發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速一致）；

（4）、在各水頭下計算模型機的轉(zhuǎn)速，畫線看轉(zhuǎn)速是否通過高效率區(qū)；

（5）、計算水輪機設(shè)計水頭下的出力pr和最小水頭小的出力pmin，判斷出力是否滿足pmin

（6）、根據(jù)以上指標(biāo)綜合考慮，選擇方案二，方案五，方案七

五、待選方案的綜合比較

結(jié)合運轉(zhuǎn)綜合特性曲線對各水輪機的各項綜合指標(biāo)進行計算及比較，最終確定水輪機轉(zhuǎn)輪型號。其中，所計算的指標(biāo)主要有：

1、吸出高度：水輪機的吸出高度Hs是指下游水面至轉(zhuǎn)輪葉片上壓力最低點之間的距離，是一個相對值，直接關(guān)系著水輪機的氣蝕性能

2、比轉(zhuǎn)速：與水輪機的運行工況有著密切的聯(lián)系，其下限受能量指標(biāo)（出口動能損失）的限制，上限受到氣蝕條件的限制。

3、平均效率：機組平均效率是衡量機組經(jīng)濟性的重要指標(biāo)，機組的平均效率越高，其經(jīng)濟性就越好，工作在高效率區(qū)的機率就越高。

4、飛逸轉(zhuǎn)速：飛逸轉(zhuǎn)速是衡量機組安全性的重要指標(biāo)。

5、受阻容量：機組受阻容量為單臺機組容量與最小水頭下機組的最大出力之間的差值。

由運轉(zhuǎn)綜合特性曲線可看出，方案七的高效率區(qū)明顯少于其他兩個方案，所以最終只對方案二和方案五進行綜合比較。

從表1-5比較看出HL511-LJ-410型的平均效率、最高效率、吸出高度、安裝高程和比轉(zhuǎn)速都比HL220-LJ-410型大，且飛逸轉(zhuǎn)數(shù)和受阻容量相差不大，所以選擇HL511-LJ-410型水輪機。

結(jié)束語

電力系統(tǒng)對不同水電站有不同要求，例如基荷、腰荷、調(diào)頻、調(diào)峰、事故備用或幾項組合，每個電站機組的實際情況不一樣，如機組結(jié)構(gòu)、監(jiān)控信號、頻率、水頭、操作要求等，這些都對水輪機的造型要求不同。因此，需要從多方面進行水輪機的選擇和使用，在滿足“可靠性、靈敏性、穩(wěn)定性”的基礎(chǔ)上考慮水電站發(fā)展的需要，包括建設(shè)智能化、數(shù)字化水電站，滿足和適應(yīng)當(dāng)前技術(shù)及發(fā)展的需要，保證水電站的安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟運行。

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