探索多泥沙電站水輪機的選型和水力設計

蘇艷意

摘? 要：我國河流泥沙較多，并且汛期泥沙泛濫，泥沙問題對于水電站來說十分普遍，它會對電站設備造成損害，腐蝕水輪機關鍵部件，大大降低了工作效率，對電站的平穩(wěn)運行帶來嚴重威脅。所以這便需要工作人員對機組構件抗泥沙磨損運行的安全性、可靠性等進行全面分析，合理選擇水輪機的型號及參數(shù)，并采取有效的治理措施。基于此，本文對多泥沙水電站水輪機的選型和水力設計進行分析，并提出了相關選擇方案和水力設計措施，希望可以為相關行業(yè)工作者提供借鑒。

關鍵詞：泥沙? 水輪機? 選型? 水力設計

中圖分類號：TV738 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）07（a）-0096-03

Abstract： There is a lot of sediment in rivers of our country， and the sediment overflows in flood season. The sediment problem is very common for hydropower stations. It will cause damage to the power station equipment， corrode the key parts of hydraulic turbines， greatly reduce the working efficiency， and pose a serious threat to the stable operation of the power station. Therefore， it is necessary for the staff to conduct a comprehensive analysis on the safety and reliability of the anti sediment wear operation of the unit components， reasonably select the model and parameters of the turbine， and take effective control measures. Based on this， this paper analyzes the type selection and hydraulic design of the water turbine of the multi sediment hydropower station， and puts forward the relevant selection scheme and hydraulic design measures， hoping to provide reference for the relevant industry workers.

Key Words： Sediment; Water turbine; Model selection; Water conservancy design

泥沙致使水輪機過流構件受到嚴重的損害，大大影響了機組的工作效率、可利用率和穩(wěn)定性，不僅造成了電能的損失又增加了維修維護的成本，對電站的安全穩(wěn)定運行造成了嚴重的影響。近些年來。因為各流域上游水土的保持狀況得到了較大的改善，并且相關部門對于水輪機防腐蝕的重視度和研究也在不斷加強，水輪機設計、生產(chǎn)和管理水平都得到了穩(wěn)步提升。但是磨蝕機理具有一定的復雜性，并且短期內(nèi)我國河流泥沙治理工作得不到突破性進展，電站的穩(wěn)步發(fā)展受到了嚴重阻礙。并且設計人員對于水輪機抗泥沙的設計規(guī)范性不足，致使水輪機泥沙磨蝕問題仍然普遍存在[1]。基于此，本文從水輪機選型和水力設計出發(fā)，提出相關可行性措施。

1? 水輪機選型

1.1 基本要求

對水輪機進行選擇前首先要對水電站的特點進行分析，主要分析內(nèi)容有水能特點、水文條件、地質(zhì)條件、工程地質(zhì)、電力系統(tǒng)、樞紐設置等，在幾個可能實施的方案中選擇最優(yōu)方案[2]。第一，要確保在設計水頭下水輪機能夠發(fā)出額定出力，如果低于設計水頭時機組的受阻容量盡量要小。第二，應與水電站水頭的變化情況及電站運行方法相結合，進而選擇最為適合機型和參數(shù)，有效提高電站的運行效率。第三，要確保水輪機的構造和性能與電站水質(zhì)的要求相符，運行要具有穩(wěn)定性和靈活性，并且具備一定的抗空化性能。對于多泥沙河流上的水電站，水輪機的參數(shù)和過流構件的質(zhì)量應確保其具有較好的抗輻射性能。第四，要確保機組結構的合理性，一些容易磨損的構件可以更換，并且要確保更換的便利性，為維修維護提供便捷。第五，落實好機組生產(chǎn)供貨工作，并且技術水平應達到設計、試驗和生產(chǎn)水平。第六，要對機組大型、重型構件的運輸進行全面考慮。第七，選擇多泥沙高水頭電站水輪機，應對泥沙特性等因素進行分析，科學選擇水輪機的型號和工作參數(shù)，以有效減少泥沙磨損帶來的損害。

1.2 機型

通常情況下，水輪機構件的磨蝕量越大，那么其含沙水流相對速度的三次方便更高，二者呈正相關關系。為了有效降低腐蝕程度，在多泥沙電站水輪機的選擇環(huán)節(jié)應盡量選擇相對速度較低的類型。例如燈泡貫流式水輪機的最大應用水頭在25m以上，在部分電站的最大應用水頭僅在13～15m，但應對機組停機狀況進行考慮，濃度較高的含沙水中的泥沙可能會對轉輪形成堵塞，所以選擇了軸流轉漿式機組。三門峽電站的最大水頭為52m，工程前期使用了軸流轉漿式機組，電站飽受泥沙的危害。但是在擴機工程中選擇了P045型混流式水輪機，效果得到了顯著提升。一般情況下，水頭>300～400m的多泥沙電站應該使用腐蝕相對較輕、維修便利的水斗式水輪機，雖然可能一次性投資成本較大，但是其具有較長的腐蝕壽命，并且維修維護相對便利，具有較高的低負荷運轉效率，如果考慮長期運行是優(yōu)先選擇[3]。

1.3 額定轉速

水輪機轉輪的最大相對流速與其額定轉速關系密切，后者對前者具有決定性作用。多泥沙電站對于額定轉速進行選擇的過程中，首先要對轉輪口位置的圓周速度進行考慮，要求其小于38～30m/s。導葉位置的相對速度不受到額定速度的影響，所以額定轉速對于高水頭混流式水輪機有效降低轉輪出口流速并沒有任何作用，導葉位置才是腐蝕的關鍵。

1.4 比轉速

多泥沙電站選擇水輪機時，應該選擇比轉速相對較低的水輪機，不僅能夠有效減緩相對速度，還能夠在一定意義上增加水輪機的尺寸，進而有效增強構件的耐磨性能。某電站的最高應用水頭為65m，其比轉速為182mkW，比轉系數(shù)k為1354.5，另外某電站的最高應用水頭為142m，比轉速為161.3mkW，比轉系數(shù)k為1718.4。相較于水頭相同的清水電站，這兩個電站水輪機的比轉速明顯更低，但是運行效果確切，獲得效益更大。

1.5 吸出高度

我國目前在混水試驗臺已經(jīng)進行了多項關于水輪機清、混水性能的比較實驗，根據(jù)實驗結果可知水輪機的運行效率、運轉情況和壓力脈動幾乎不會受到挾沙水流的任何影響，但是其對初生空化有一定影響，二者呈正相關關系。挾沙含量的增加會導致初生空化系數(shù)的不斷加大。所以，在對多泥沙電站吸出高度進行確定時應保持相對安全裕度。通常情況下水電站水輪機的初生空化安全系數(shù)可以選擇1.00～1.05，多泥沙電站應適當增加至1.10～1.15。

2? 水力設計

2.1 水力設計幾何參數(shù)選擇

2.1.1 蝸殼

蝸殼內(nèi)流速較低，通常腐蝕并不明顯，所以無需選擇大尺寸。但是應保證蝸殼內(nèi)焊縫和尾部尺寸的平整，防止凹凸不平造成局部腐蝕。

2.1.2 導葉

轉輪外部的雙環(huán)列葉柵由導葉和固定導葉組成，這一位置水流相對速度等于絕對速度，并且從入口處逐層增加，在出口處達到最高值，如果流速過高則會對該位置造成腐蝕。所以應放大導葉布置圓直徑，增加導葉相對高度，使用負曲率翼型。選擇較多的導葉數(shù)，確保固定導葉和導葉數(shù)量相同，這樣便可以確保水流均勻穩(wěn)定，并且過多的導葉能夠有效降低流速。

2.1.3 轉輪

轉輪是水輪機能量轉換的關鍵構件，如果磨損嚴重勢必會對水輪機的使用性能造成影響。應根據(jù)選擇的額定轉速和比轉速，對單位轉速和單位流量進行合理組合。逐漸改變轉輪流道斷面面積，增加葉片數(shù)或者可以將流速平穩(wěn)的副葉片應用于高水頭混流式轉輪上。增大葉片包角、葉片長度和葉片面積，確保葉片型線的平直。通過計算流體力學進行全面分析，確保流道內(nèi)速度場的均勻平穩(wěn)穩(wěn)步，最大化降低混流式轉輪下的流速和葉片之間的渦流。

2.2 水力性能優(yōu)化

第一，對葉片進口空化性能進行改善。第二，多泥沙河流的泥沙、水庫放水沖沙、排沙多出現(xiàn)于汛期。為了提高防洪庫容，延長水庫的應用時間，汛期可將庫水位降至最低高程附近運轉。這時河流流量較大，水輪機需要在低水頭、流量較大的區(qū)域工作。所以進行水力設計應對水流的流態(tài)進行優(yōu)化，將渦流和二次流降至最低。

3? 結語

本文對多泥沙水電站水輪機的選型和水力設計進行分析。對于多泥沙水電站來說，選擇合適的水輪機對于防泥沙磨損具有重要作用，所以在進行選擇時應對其空蝕性能和運行情況進行詳細分析。在選型過程中，選擇模型轉輪應保證水力性能，水流過機的相對流速較低，這樣才能有效降低泥沙對水輪機關鍵構件造成的損害。并且通過水力設計能夠有效減少腐蝕帶來的損害，延長水輪機的使用壽命，確保水輪機的穩(wěn)定性和安全性。

參考文獻

[1] 王忠強，張延智，屈偉強.小浪底水電站水輪機水力振動監(jiān)測與評估[J].人民黃河，2019，41（11）：140-143.

[2] 劉功亮，胡德江，王慷.水電站水輪機導葉軸套加工工藝簡析[J].水電站機電技術，2020，43（1）：25-27.

[3] 何峰，胡定輝，何志鋒，等.西藏扎拉水電站沖擊式水輪機選型設計探討[J].水利水電快報，2019，40（12）：34-36.

[4] 舒婧.十月水電站改造工程水輪機和發(fā)電機選型計算分析[J].陜西水利，2019（7）：156-158，165.

[5] 王翔.強化水電站水輪發(fā)電機組運行與維護的必要性[J].科技創(chuàng)新導報，2017，14（29）：103-104.

[6] 歐陽俊.發(fā)電機定子局放在線監(jiān)測系統(tǒng)在海洋石油平臺的應用[J].科技創(chuàng)新導報，2018，15（22）：171-174.

[7] 刁國峰.發(fā)電機刷架導電環(huán)連接工藝改進[J].科技創(chuàng)新導報，2016，13（36）：21，23.