試論低水頭徑流式電站水輪機優化選型設計

摘 要：電站水輪機的選型與其所處地理位置和水流資源的徑流量兩個條件有關，總體來說，我國的水流資源是十分豐富的，但開發的難易程度不同。受地理位置和自然環境影響，南方水利資源充沛，水中砂石數量少，較易開發；北方水利資源相對稀缺，水中砂石數量多，較難開發。因此在不同地域對于水輪機選型有著不同的要求。本文對于低水頭徑流式電站水輪機的使用設計進行了一些簡單的探討。

關鍵詞：水輪機；低水頭徑流式電站；最優選擇

根據不完全數據調查，已建成使用的數量眾多類型各異的大中小水電站中，每年有超過五分之二的水電站受到砂石不同程度的磨損。根據不同的地域和不同的水況對低水頭徑流式水電站應該有不同的選擇。雖然我國總體的水力資源豐富，但差異較大，又受到地理條件和氣候條件的影響。黃河以北的多泥沙河流年均水流量小，水中砂石數量多；長江以南的清水河流總體水力資源較為充足，水中砂石數量少。為了使電站穩定運行，以期達到最大的經濟效益，必須在不同的地域要根據實地水力參數來對水輪機進行優化選型設計。

1 低水頭徑流式電站的特點

1.1 開發特點

受到地理環境和經濟環境的影響，低水頭徑流式電站在經濟較為發達的大中型城市分布較多，水頭低，無需建造高大的水壩來蓄水，節省了很大一筆水力資源方面的資金投入。由于能源消耗的日益增加，中高水頭電站逐漸捉襟見肘，低水頭電站由于施工方便，交通便捷，工期短，經濟效益高，深受人們歡迎，日漸普及。例如，建造一個總裝機容量為200MV的中型電站，如果在資金有保障，施工順利等各項情況順利進行的條件下，全部工期只需30個月左右，工期時間大大縮短。雖然低水頭徑流式電站的尺寸等各項參數有所提高，但是與同等配置的中高水電站相比，單個投入費用確實大大增加的。

1.2 自然特點

當流量變化時，會引起下游水位的變化，水頭也會發生相應的改變。舉例來說，流量增加會使下游水位上升，引起水頭減小；反之亦然。要想提高水能利用率，增加產能效益，就要選擇低水頭設計，避免出現在黃河中游低水頭電站地區常發生的有水頭無流量等現象。

1.3 功率問題

由于上游水位一般較為穩定，低水頭電站不同于蓄水式電站，低水頭電站水輪機沒有強大的調節功能，水輪機的功率受天然流量影響限制。功率與流量在不同時期的情況如下：在水流量小的枯水期，由于功率受阻達不到額定功率；汛期到來時，汛期前期的水流量逐漸增大，但仍達不到額定功率所需要的流量；汛期中期，水量增大帶動流量的增加，功率達到額定功率標準后繼續增大，在水頭和流量達到某種和諧狀態時，此時是最大動率；隨著時間變化和水量的變化，水頭降低速度大于流量增加速度，功率降低，達不到額定功率。

2 低水頭電站的設計特點

2.1 水頭損失情況

低水頭電站的施工環境特點為：廠房建造地點位于壩內，機組中心線和進水口之間位置過近等原因，會引起局部水頭損失及動能差。為了使電站效益達到最大值，就必須考慮這種能量損失，在選擇水輪機參數時加入水頭損失因素的考慮，最大限度降低因水頭損失引起的能量損失。

2.2 機組功率不足

有些水電站達不到最大功率的原因在于流量增大引起的水頭不足，而不是機組本身缺陷造成的。未考慮到電站水頭帶來的能量損耗與設備額定水頭與發電量能達到的最高限度不能密切配合是影響水頭是否正常工作的兩個原因。

2.3 統計方法問題

在選擇電站裝機容量的參數時，應選用概率計算方法來選擇參數，而不是使用加權平均方法，這是因為低水頭電站參數變化幅度不穩定造成的。世界上很多發達國家選擇電站裝機容量時考慮的是電站棄水流量參數，國內雖然不用這些方法，但是為了使電站可以以最大效率工作，必須綜合考慮設備工作時各個參數，才能避免當前不利局面的發生。

3 低水頭徑流式電站優化選型

3.1 優化選型設計的任務

其任務是在項目的各個不同階段確定設備參數，提前確定工作流程需要的完整設計內容。

3.2 優化選型設計的原則

受到市場環境的限制，水輪機優化選型的過程應遵守的原則有：

（1）遵守國家相關法律法規和國家規定的技術標準。（2）全心全意為用戶服務，滿足用戶需要。（3）參數選擇與電站實際情況相適合等原則。單方面的高參數不一定是最適合用戶需要的，選擇參數時必須考慮電站的實際環境和技術水平。（4）經濟合理。（5）對在所有在技術水平上的可行性方案進行比較，采用最優方案。

3.3 優化選型設計的步驟

每一項工程的設計都不是一步到位的，而是在具體工作階段根據工作情況的具體進行研究討論，逐步改善，最終確定設計方案。在水輪機參數的選擇工作過程中，先根據以往的工作經驗得出的數據進行參考并初步篩選確定，然后再結合工程具體實施步驟來確定最經濟最優的選型參數。其步驟如下：

（1）初步采集原始數據資料，包括工程規模，地理環境條件，工程造價，投入運算等具體數據，進行篩選備后期使用。（2）分析設計特性。（3）據以往經驗初選出需要的主要參數。（4）初步擬定一個或幾個可行性方案。（5）與設備制造廠溝通，協商下一步具體工作計劃。（6）從多個備選方案中分析，征求多方面財務和技術意見，確定最優最經濟技術方案。

4 選型設計中參數優化界定

在電站施工基本完成后，優化關鍵參數，包括原型參數和模型參數兩種。對水輪機選型設計中選定參數進行優化的意義在于，使水輪機處于固定徑流狀態下保證以最大功率進行工作，確保電站工程穩定可靠的進行。

在對原型參數和模型參數進行優化時，不但要考慮到能量、穩定性等技術方面的因素，還應該考慮到由于我國各地不同電站之間的地理環境條件差異過大等綜合方面的因素。不能單方面一味重視設備的高參數，而應該結合電站實際建造情況考慮整體效益，幾者綜合，才能使參數優化后電站在經濟效益上達到最大。

5 結束語

低水頭徑流式電站水輪機參數的確定，是根據已有條件對各個可行性方案進行篩選鑒別，最終尋求一種最優最大經濟效益的優化設計，其中已有條件包括電站的施工環境，所處地理位置，河流的水量情況和其中砂石含量等等。對參數選擇的過程應該注意如下：第一，首先對河流的流量和水質進行判斷，區分是清水河流還是多砂石河流；第二，力爭使各個參數的搭配能夠產生最大的功率。對于一些地質水流條件較差的水電站，選用經過合理思考的低參數水輪機，使其能達到的最大功率，不盲目選擇高參數但卻不適合的水輪機；第三，按照國家最新技術標準來選擇特征參數，改善設計方法，提高能效。

總而言之，優化選型設計應該在遵守國家各項法律法規的基礎上，滿足用戶方的想法和需求。除此之外，要結合南北方水量等方面差異來確定優化選型設計參數。黃河以北地區的水電站水量調節能力充足，而長江以南的水電站流量和水頭變化幅度都較大，兩者在選型設計參數上的考慮是完全不同的。

本文通過對國內地區已建的低水頭水電站工程水輪機的各項技術指標進行研究，意在尋求一些電站水輪機優選方面的經驗，更好的指導今后的工作，能夠使在建和待建的水電站工程從中獲得一些可以借鑒的經驗，在建設和生產的過程中少走一些彎路。

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