在實際工程中水輪機選型的優化設計

孫宇

(四川江源工程咨詢有限公司，四川成都 610041)

在實際工程中水輪機選型的優化設計

孫宇

(四川江源工程咨詢有限公司，四川成都 610041)

在裝機規模確定的情況下，要充分利用該河段流量發電，應優先選擇在高效率區流量變幅范圍大的轉輪，且設計工況點位置選擇在單位流量較大的高效率區，以適應引用流量的變化。

水輪機;選型優化設計;基本方法;實例

1 水輪機在電站中的重要性

水輪機是水電站中最主要動力設備，影響電站的投資、制造、運輸、安裝、安全運行及經濟效益。水輪機選型設計是水電站設計中的一項重要工作。它不僅包括水輪機型號的選擇和有關參數的確定，還應認真分析與選型設計有關的各種因素。因此，在選型設計過程中應廣泛征集水工、機電和施工等多方面的意見，列出可能的待選方案，進行各方案之間的動能經濟比較和綜合分析，以力求選出技術上先進可靠、經濟上合理的水輪機。

然而，水輪機選型設計過程中，水輪機型號的選擇和轉輪直徑大小的確定則是重中之重，直接影響工程質量、生產運行和發電效益。本文將以實際工程為例，利用水輪機轉輪綜合特性曲線，闡述在不同運行條件的水電站中，水輪機選型的優化設計。

2 水輪機選型優化設計的基本方法

這里以反擊式水輪機選型為例加以說明。根據水輪機安裝形式和設計水頭，計算比轉速ns，備選出適合該ns的一系列轉輪(包括一些高效率低汽蝕新型轉輪)。從單位流量計算公式，

在轉輪綜合特性曲線中，設計工況點都應選在高效率區范圍內。然而，除了軸流定槳式轉輪外，其他類型轉輪運行的高效率區范圍較廣，設計工況點在高效區的位置將具有很大選擇范圍。其工況點位置應根據電站類型、運行方式和水文情況來確定。

3 水輪機選型優化設計實例

3．1 無調節性電站水輪機選型優化設計

四川理縣米亞羅水電站(已運營)是引水式電站，總裝機15MW，單機5MW，無調節性，發電接入四川省電網。設計水頭121．0m，最大水頭142．20m，最小水頭119．40m，加權平均水頭132．30m，單機額定流量4．93m3/s。

表1 平水年徑流量計算表

計算得161．8，在型譜中選擇符合的轉輪，經比較HLA520轉輪最優效率點單位流量較大且汽蝕系數較低，綜合特性曲線見圖1。設計工況點，初步選擇在最優效率點附近，由公式:

對于立式混流式計算比轉速公式:

圖1 A520轉輪綜合特性曲線

計算得轉輪直徑D1和轉速n分別為1．312 m和553r/min。轉輪取設計直徑1．3m，轉速取同步轉速500r/min，設計工況下，對應的單位流量Q'1和單位轉速n'1為0．265L/s和59．1 r/min，水輪機效率η(為方便比較，真機效率修正忽略不計，下同)為92．2%。

在枯水期時，單臺機組發電，工作水頭達最大水頭142．2m，單位轉速n'1為54．5r/min，從綜合特性曲線可得，能穩定發電的最小單位流量Q'1為0．175L/s，其對應的發電流量為3．52m3/s。從表1可看出，最枯三個月中，50%保證流量為3．40m3/s，小于能發電的流量3．52 m3/s。而本電站地處山區，無調節能力，枯水期中的一個半月將不能發電，只能棄流。按45天棄流量計算，將損失電量約270萬度，按四川省分時電價政策測算，發電收益減少約4%。

盡可能利用枯水期水量發電，可縮小轉輪直徑，讓設計工況點在特性曲線上向出力限制線靠近。本例中，轉輪直徑D1可取1．15m，計算轉速n為624r/min，取同步轉速600r/min，設計工況下，對應的單位流量和單位轉速為0．338L/s和62．7r/min，水輪機效率η為91．1%，仍處于高效區。同理，當在枯水期時，單臺機組發電，工作水頭達最大水頭142．2m，單位轉速為57．9r/min，從綜合特性曲線可得，能穩定發電的最小流量為2．60m3/s，整個枯水期幾乎都能正常發電，雖然在平水期效率比原方案少1．1%，減少發電量95萬千瓦時，但枯期增加的電量遠遠高于此，提高了發電收益。

3．2 具有調節性電站水輪機選型優化設計

四川臥龍熊貓水電站(已運營)亦屬引水式電站，總裝機24MW，單機12MW，日調節，發電接入四川省電網。設計水頭90m，最大水頭103．78m，最小水頭88．36m，加權平均水頭97．8 m，單機額定流量15．3m3/s。適合本段水頭系列的轉輪較多，HLA630和HLD06A可作為備選。HLA630具有效率高，最優工況單位流量較大，汽蝕系數較低等特點(轉輪綜合特性曲線見圖2)，但本轉輪在流量變化上適應性較弱，高效率區的流量變幅范圍較小。HLD06A轉輪雖然在流量變幅方向具有較寬的高效區(轉輪綜合特性曲線見圖3)，但和HLA630相比，在同等效率下，單位流量較小，同等出力情況下，轉輪直徑將更大。

圖2 HLA630轉輪綜合特性曲線

圖3 HLD06A轉輪綜合特性曲線

由于本例電站具有日調節庫容，單臺機組在 設計工況下運行，流量變幅小。HLD06A雖然具有適應大范圍的流量變幅的特性，但在本例中卻發揮不了作用，而轉輪HLA630正符合這樣的運行工況，其設計工況點在綜合特性曲線上的位置，應選擇在最優工況點附近。在最優工況下，計算得轉輪直徑D1為1．451m，轉輪取設計直徑1．4 m，計算轉速為508r/min，取同步轉速500r/min。設計工況下，對應的單位流量Q'1為0．827L/s，單位轉速n'1為73．8r/min，水輪機效率η為94．0%。

在枯水期時，本電站具有日調節庫容，在一天中用電低谷時段蓄水，高峰時段發電。單臺機組可帶負荷85%～105%，滿足日調節要求，機組基本不需要低負荷運行，發電引用流量變化幅度小，本電站選擇HLA630轉輪是合適的。

4 結語

從以上的實例對比可以看出，它們均采用混流式水輪機，設計水頭分別121m和90m，水頭也相差不大，但各自所采用的水輪機和在其綜合特性曲線上運行工況點的選擇，有很大的區別。米亞羅水電站取水口所處河段河床比降大，徑流年內很不均勻，無調節庫容。在裝機規模確定的情況下，要充分利用該河段流量發電，應優先選擇在高效率區流量變幅范圍大的轉輪，且設計工況點位置選擇在單位流量較大的高效率區，以適應引用流量的變化。熊貓水電站取水口所處河段河床比降較小，徑流年內也不均勻，但具有日調節庫容。應選擇具有較大單位流量的轉輪，以縮小發電機組尺寸，節約設備購置費用;設計工況點選擇在最優效率點附近，充分利用水輪機效率。

(責任編輯:卓政昌)

三峽新能源CCER項目首批減排量成功備案

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水規總院召開《四川省武都引水工程蓬溪船山灌區可行性研究報告》審查會

2015年1月14日至16日，水規總院在北京召開會議，對《四川省武都引水工程蓬溪船山灌區可行性研究報告》進行了審查。四川省武都引水工程蓬溪船山灌區主要位于四川省遂寧市蓬溪縣、船山區境內，是《嘉陵江流域綜合規劃報告》及四川省人民政府批復的《四川省涪江流域規劃報告》確定由涪江引水灌溉并納入武都引水工程的灌區工程?！端拇ㄊ∥涠家こ膛钕焦鄥^項目建議書》業經國家發展和改革委批復(發改農經［2014］1250號)。工程開發任務為農業灌溉、城鄉生活及工業供水等綜合利用，灌區設計灌溉面積94．70萬畝，其中新增灌溉面積63．39萬畝，改善灌溉面積31．31萬畝。

成都院編著的《水利水電工程英漢圖文辭典(水工卷)》出版

2015年1月，成都勘測設計研究院有限公司(以下簡稱“成都院”)組織編著的《水利水電工程英漢圖文辭典(水工卷)》由中國水利水電出版社正式出版、全國首發5000冊。經過廣泛收集詞條、權威論證，該辭典收錄詞條約3000個，下設:釋義、音標、英文例句(含中文釋義)、常用搭配、專業詞匯的中文定義等實用條目;同時收錄了約300張成都院設計的水電工程CAD圖、三維圖和工程實照等。近年來，我國水利水電設計和施工企業的工作范疇逐漸向海外擴展。電建集團旗下百余家設計施工企業在轉型過程中或多或少面臨著專業英語"不專業"的困擾。成都院作為目前我國規模最大、技術實力最強的水電站綜合勘測設計企業之一，國內外工程經驗豐富，主動承擔起編著這套實用性高、專業性強的英漢圖文辭典的任務。

TK73;N945．15

B

1001-2184(2015)01-0109-04

孫 宇(1981-)，男，四川內江人，大學本科，工程師，主要從事水利水電動力工程工作，現就職于四川江源工程咨詢有限公司．

2015-01-06