水電站水輪機選型設計中機組參數(shù)的研究

德慶縣水利水電勘測設計室 廣東德慶 526600

摘要：本文主要針對水電站水輪機選型設計中機組的參數(shù)展開了研究，介紹了水輪機選型的設計原則，對水輪機選型作了詳細的闡述，并比較和分析了水輪機選型的設計方案和影響因素，以期能為有關方面的需要提供參考借鑒。

關鍵詞：水電站；水輪機；選型設計

機組參數(shù)的確定，對于水電站水輪機的選型設計起到重要的作用，而水電站水輪機的選型又是整個水電站設計的關鍵，因此，合理確定機組參數(shù)對水電站的設計有著重要意義。基于此，本文就水電站水輪機選型設計中機組的參數(shù)進行了研究，相信對有關方面的需要能有一定的幫助。

1 水輪機選型設計原則

這是水電站設計中的一項主要內(nèi)容，因此，機型的技術特性要滿足電站的設計條件，能在要求的水頭和流量變化范圍內(nèi)運行，并具有足夠的出力和較高的平均效率，在獲得最優(yōu)動力效益的同時，還要考慮到建設期的施工期限和投資，以及建后運行中的維護檢修、設備的耐用性、穩(wěn)定可靠性、抗汽蝕性能和運行費用。這些是在水電站選型設計中首先要考慮到的，也是必須遵守的原則。

2 水輪機選型

根據(jù)水電站的水能條件選擇水輪機臺數(shù)和水輪機型號是選型的第一步，機組臺數(shù)不同，其轉輪直徑D1和轉速n也不同，機組臺數(shù)多，運行方式機動靈活，事故造成的影響較小，若電站擔任峰荷時，負荷經(jīng)常變化，適應性強，使每臺機組在高效區(qū)運行，能提高整個電站的平均運行效率。但機組臺數(shù)多將增加機電設備配套數(shù)量，加大廠房面積尺寸，引起單位千瓦投資的增加。機組臺數(shù)少，廠房長度可以減小，機電設備數(shù)量少，運行管理簡單，可降低電站投資，但會降低發(fā)電效率。在實際工作中，根據(jù)電站大小，要考慮既互相對立、又互相聯(lián)系的兩方面。在大中型水電站中，要考慮系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠及檢修的方便，一般不宜采用單臺機組，而且為了方便電器主接線設計，運用偶數(shù)臺數(shù)。對于小型水電站，因裝機容量較小，機組臺數(shù)不宜多，一般選用1～2臺，為了制造、安裝和維修方便，一個電站應盡量用同一機型。水輪機型號根據(jù)電站水頭和容量范圍，在水輪機系列型譜表或系列應用范圍圖中初步確定適宜的型號。在相同的條件下，若有兩種型號可供選擇時，定為待選方案，并對每種型號的主要參數(shù)，用模型實驗數(shù)據(jù)繪出模型綜合特性曲線進行選擇后，通過方案比較，確定最優(yōu)工況下水輪機在高效率區(qū)運行的型號作為電站機組型號。

電站水輪機主要參數(shù)的選擇必須借助于模型實驗，即用尺寸較小的水輪機作室內(nèi)實驗，獲得全面性能，將模型實驗記錄的成果數(shù)據(jù)還算為H=1mD1=1m的水輪機單位參數(shù)，即單位轉速n'、單位流量Q1'等，并繪制成模型水輪機主要綜合特性曲線，利用相似定律將模型實驗成果換算到原型水輪機上去。也就是用模型綜合特性曲線（參數(shù)變化關系曲線）選擇水輪機的主要參數(shù)。

2.1 水輪機的轉輪直徑D1

在水輪機選型中，轉輪直徑是水輪機的核心，其性能和尺寸決定著水輪機的性能結構和尺寸，轉輪的形式也就決定了水輪機的形式。并反映了水輪機的最大出力和適用水頭，同時決定著廠房尺寸的大小，平常所說的選用性能好和尺寸小的水輪機就指的轉輪直徑所決定。則參數(shù)D1的確定：

錯誤！未找到引用源。 （1）

上式中：

N—水輪機的額定出力（kW），N=N電/η電

N電—發(fā)電機的額定功率（kW）；

η電—發(fā)電機效率（大中型機組η電=96%～98%，中小型機組η電=95%～96%）；

H—設計水頭（m）；

Q1'—水輪機單位流量（m3/s），在模型綜合特性曲線上的高效區(qū)選取；

η—水輪機原型效率，在模型綜合特性曲線的

Q1'點處選取，再加修正值Δη，最后根據(jù)D1、H設、D1M、HM計算出準確的效率修正值Δη，得出原型最大效率ηmax=ηM.max+Δη；

ηmax—原型最大效率；

ηM.max—模型最大效率；

Δη—原型效率修正值，Δη=1%～3%。

2.2 水輪機轉速n

水輪機的轉速可隨工況的變化而改變，當水輪機和發(fā)電機直接連接時，其轉速必須與發(fā)電機額定轉速同步。

即錯誤！未找到引用源。（r/min） （2）

上式中：

n10—原型水輪機最優(yōu)單位轉速（r/min），根據(jù)模型最優(yōu)單位轉速進行修正而得；

H設—電站設計水頭（m）。

最后對上面所選的水輪機轉輪直徑D1和轉速n進行檢驗，看是否符合選型原則。其方法是根據(jù)計算出的轉輪直徑和轉速，按原模型相似定律，計算出最大水頭和最小水頭的單位轉速n'1，再根據(jù)模型實驗計算出最大電站出力和最小電站出力的單位流量Q1'。由兩個單位轉速和兩個單位流量值，在模型綜合特性曲線上繪出的四邊形水輪機工作范圍，若包括了特性曲線中心部分的高效率區(qū)，說明選出的兩個參數(shù)是合適的。否則，應改變參數(shù)，重新計算，直至工作范圍包括在高效區(qū)為止，才能說明選定的參數(shù)在設計水頭時能發(fā)出額定出力，且水輪機效率最高，尺寸最小。

2.3 水輪機最大允許吸出高度Hs

對于選定的水輪機，其動力真空是一定的，吸出高度也就是靜力真空值，以海平面的平均大氣壓為10.33m水柱高計算，當高程在3000m以內(nèi)時，每升高900m大氣壓力降低1m。當確定了水電站處的海拔高程，水輪機裝置出的大氣壓力為10.33-錯誤！未找到引用源。900（m），則水輪機吸出高度應該是：

錯誤！未找到引用源。 （3）

上式中：

kσ—汽蝕安全系數(shù)，取經(jīng)驗值1.05～1.1，單機容量大的水電站長kσ高達1.4；

σ—汽蝕系數(shù)，從水輪機模型實驗中選取。

汽蝕系數(shù)越大，則動力真空越大，越易產(chǎn)生汽蝕，機組安裝高程就低，基礎開挖困難，土建工程量大。所以，在保證良好的能量特性情況下，應選用汽蝕系數(shù)較小的機型，正確地確定吸出高度是確定水輪機安裝高程的重要條件，也是水電站設計參數(shù)選擇的重要內(nèi)容之一。吸出高度確定后，安裝高程也就確定了。

3 水輪機選型設計方案比較

對于在同一水能條件下，選擇出合適的不同型號的模型水輪機，進行方案比較，最后選出最優(yōu)工況下的水輪機。

3.1 水輪機性能比較

（1）所選的水輪機轉輪使用水頭范圍能否滿足電站水頭變化要求，若電站最大水頭超過模型轉輪推薦的使用水頭范圍，則轉輪強度滿足不了要求；若最小水頭低于模型轉輪的最小水頭，則偏離設計工況，影響機組正常運行。

（2）對所選水輪機額定出力的大小進行比較。

（3）汽蝕性能和吸出高度比較，汽蝕系數(shù)σ值大，機組安裝高程高，開挖量大。

（4）效率高低比較，比較最高效率和高效區(qū)大小，對充分利用水資源是很重要的。

（5）在綜合特性曲線上根據(jù)最大、最小水頭看水輪機工作范圍，是否在高效率區(qū)運行。

3.2 技術經(jīng)濟指標比較

（1）根據(jù)水輪機的平均效率，計算多年平均發(fā)電量

（2）水電站總投資計算比較和年運行費比較。

（3）各方案的單位千瓦投資、單位電量投資和電能成本指標的比較。

3.3 技術條件比較

（1）水輪機制造、運輸和安裝。

（2）各型號水輪機方案的廠房樞紐布置及施工條件。

（3）運行管理費比較。

4 影響因素