水電站水力機械設計要點分析

姚 杰

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 611130）

縱觀我國水電站領域的水力機械發展進程可知，現階段已經形成較為先進的設計理念及配套技術，其對于提高水電站水力機械的設計水平而言具有關鍵作用。作為技術人員，需要正確認識水力機械設計工作，梳理設計思路，精準把握設計要點，充分提高設計方案的可行性。

1 水電站水輪機的設計要點

水輪機作為水電站水力機械的重要組成“元素”，設計方案必須具有可行性，應當以統籌兼顧的理念做好設計工作，體現在機型、轉輪、主軸導軸承、座環與蝸殼等方面。

1.1 水輪機的選型方法

水電站的建設規模、運行環境等方面均具有獨特性，對水輪機的要求也不盡相同，需要立足實際條件，選擇合適型號的水輪機，使其能夠適應實際運行環境。在選擇水輪機發電設施時，必須充分考慮多方面的要求，例如水資源的利用水平、水輪機內部機械的運轉穩定性、電站的運行效率等。在保證水輪機滿足基本工程需求的前提下，盡可能減少其建設及運維階段的成本投入，提高經濟效益。

以混流式水輪機為例，根據其額定水頭，能夠確定額定比轉速的上限，而在得到額定比轉速的具體值后，根據需求進一步得到臨界空化系數和電站空化系數，對高度做出判斷，即是否滿足設計要求。過機水流所含泥沙量、運行水頭變幅等均是關鍵參數，具有重要的參考價值，有利于修正額定比轉速，提高該項指標的合理性。確定修正數據后，組織有關于水輪機的機械設計工作，確定合適規格的水輪機，確保能夠高效運行。

1.2 轉輪的設計

以水輪機的使用功率為參考，組織轉輪的設計工作，著重考慮轉片的角度、尺寸的優化，盡可能提高轉輪運行的順暢性，減小損耗。若水電站建設規模較大，則對基礎設施的配套提出較高要求，所需設施的規格偏大，宜將結構拆分為多個細分部分，運至現場后根據技術要求組裝成型，試運行發現問題并處理，直至轉輪高效運行為止。轉輪的輔機需要具有足夠的性能優勢，在主體結構安裝到位后方可安裝。

1.3 主軸導軸承的設計

現階段，主軸導軸承主要應用的是抗重螺栓，針對主軸采取密封處理措施后，有利于改善主軸的使用條件，提高受力的均勻性，較為合適的是水壓斷面密封的密封結構設計方式，兼具維持水輪機運行穩定性、提高耐久性的雙重應用效果。

1.4 座環與蝸殼的設計

水電站水輪機的座環普遍采用上下環與固定導葉的平板焊接結構，特點在于能夠有效彰顯抗撕裂厚鋼板的性能優勢，通過圓弧形導流環的輔助應用，有效改善流態。對于蝸殼的設計，則需要注重結構形式、材質等方面，應當具備抗壓、穩定等多重要求，例如低碳高強度鋼板是較為可行的蝸殼材質。

2 輔助系統的設計

除水電站的核心水力機械外，還配套一系列的輔助系統，對于主要機械乃至整個水電站的運行而言起輔助作用，若能合理設計，則有利于提高整體效益。輔助系統涵蓋的內容較多，包含供水系統、排水系統、壓縮空氣系統等。在設計時，既要保證各子系統穩定運行，又要考慮子系統間的協同運行需求，即各系統共同配合，構筑完善且可行的整體大系統。

2.1 機械系統的設計

（1）供水系統。作用在于冷卻及潤滑機組，要求水量和水質均滿足要求。在傳統技術方式下，取水來源主要為電站尾水、上游水庫取水等，但在技術水平日益提高、產品類別隨之豐富的行業環境中，取水來源途徑擴寬，例如地下水、山溪水等均得到廣泛應用，具體可以根據現場水文條件選定合適的供水方式。

（2）排水系統。作用在于進行機組檢修和廠房的滲漏排水。核心組成有集水井、排水設備，具體包含射流泵、立式深井泵等。通過各類基礎設施的協同運行，發揮出排水系統應有的功能。

（3）壓縮空氣系統。作用在于向油壓裝置和檢修裝置補氣。通常選擇的是自動補氣裝置，其應用優勢在于集成自動控制、水汽分離等多種功能，有利于提高供氣的質量，且精簡硬件配置，僅需相對較少的設備便可以滿足多方面的功能需求，經濟效益突出。

2.2 供水系統的設計

水電站全年運行中，不同季節的運行環境有所差異，導致冷卻器的用水要求不盡相同。為增強機組運行的穩定性，可針對各時段匹配相適應的供水方式。若水含沙量較小，較為適宜的是蝸殼單元自流供水模式，將其作為主供水水源，備用水源可以選擇壩前工業取水口處的水，在濾水器的過濾作用下，將處理后的水供入冷卻器內。

對于主軸密封用水，該部分來自壩頂的高位水池（主水源），得到減壓閥減壓處理后，可以轉至軸封內，備用水源可以選擇壩前庫水[1-3]。庫水含沙量較大時，容易發生淤堵現象，例如冷卻器堵塞，考慮到此問題，可以為各機組適配專用的清潔水池，產生的清潔水在清水泵加壓泵送后轉移至冷卻器中。運行期間冷卻器排出的水則統一流入防堵型水-水熱交換器內，對排出的高溫水予以冷卻，待溫度降低至許可范圍后，送回清水池進一步使用，構成循環機制，充分提高水資源的利用效率。

2.3 水力監測系統的設計

水力監測系統應具有持續監測、自動記錄、高效整合數據等功能，以各類功能需求為導向，合理設計。從組成看，全廠性和機組段的監測系統為關鍵部分，各自均有獨特的運行特點，系統如圖1所示。

圖1 水利監測系統

全廠性水力監測系統，監測對象包含上下游水位、電站水頭、庫水含沙量、攔污柵壓差等。部分水電站存在泥沙含量較高的特點，需要加強對泥沙含量的監測，以便及時根據實際情況采取控制措施，避免出現泥沙淤堵問題。對此，可以適配吹氣式水位監測裝置，除了提供監測功能外，還具備防泥沙淤堵、含沙量修正多重功能。

機組段水力監測系統，監測對象包含進出口壓力、過機含沙量、流量、水輪機凈水頭、機組各組成裝置的振動擺度等。

2.4 油系統的設計

油系統的核心組成包含抽油泵、存儲裝置、輸送設備。油的過濾輸送處理過程中，將由多臺設備協同參與，為提高運行的秩序性，需在各設備的控制端接入連接線，構成完善的整體系統，由內部設備共同運行，完成處理工作。油系統的內部組成中，要求部分設備具有移動功能，以滿足各角度下的傳輸需求。油系統對接控制中心，接收到特定的指令后，啟用系統內部的相應設備，進行特定的操作[4]。

2.5 氣系統的設計

氣系統包含兩個細分子系統，即中、低壓氣系統。其中，中壓氣系統的關鍵功能在于給供油壓裝置充氣、補氣，硬件方面可以配置1 m3、4.5 MPa的貯氣罐。對于低壓氣系統，主要為機組的制動、復位用氣，可以配置3 m3、0.8 MPa的貯氣罐，用氣從供氣總管上引出。

3 主廠房的設計

水力機械設計中，主廠房的設計也是不容忽視的內容，重要性體現在兩個方面。

（1）從水電站的結構組成關系看，主廠房是控制核心，充當“主角”。

（2）主廠房的硬件設計指標關聯性較強，影響到其他設備的參數指標，因此需要提高主廠房的設計水平，保證與其他設備協同運行。

在主廠房的設計中，高程、規模需具有合理性，具體應當考慮到廠房內部各機組設備因素，兼顧各類機組設備的運行需求，增強廠房設計與機組的協同性，并針對細部做可行性優化，使建成后的廠房具有較高的整體運行水平。

隨著技術的持續進步，在先進技術的支撐作用下，廠房的布置逐步趨于優質化，水輪機層是水力機械輔助系統的布置層，應進行合理的設計與優化。供水系統內含豐富的設備及管路，需要以集約化的方式布設在該層下游側及同層的尾水副廠房內。檢修排水系統設備具有輔助作用，將其設置在主體安裝場下同層的排水泵房內。此外，還需要對副安裝場做合理的規劃，例如透平油及絕緣油庫、油處理室，要求在空間布置上具有合理性，實現穩定運行。

4 結語

綜上所述，水力機械設計是水電站前期設計工作中的關鍵內容，在電力資源需求增加之下，水力機械設計水平也應當有所提高，需要專業人員參與設計工作，以準確的理念為指導，以先進的方法為支撐。文中對水電站水力機械的設計要點展開分析。同時，指出現階段的水電站水力機械設計的不足之處，今后應持續探索，尋求更為可行的發展路徑，應用先進的設計理念和設計方法。