中小型水电站水轮机选型及优化
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中小型水电站水轮机选型与优化的探讨
中小型水电站水轮机选型与优化的探讨我国水电资源蕴藏量较为丰富，目前来看可用作经济开发的水电资源可达3.7亿Kw，同时，在我国水电站发电体系的构建中，中小型水电站的发电量占了整体水电系统发电量的50%。
随着我国改革开放的不断深入，我国电力工业得到了巨大的发展，其中各种中小型水电站的建设数量不断上升，因此，为了提高这些中小型发电站的发展效率从而对我国总体水力发电系统进行发电效率的提高，进行中小型水电站的发电系统优化是具有重要意义的。
水轮机是水力发电站中发电系统的重要组成设备，因此，在进行总体水力发电系统的优化之前，先要进行水轮机的机型选择与优化。
一、水轮机磨蚀与选型优化在水力发电系统的运行过程中，会产生水力机械的空化现象。
空化是发生在水力机械存在下的流体功力现象，在空化作用下发生的水力机械的磨损称为空蚀。
在水轮机的发电过程中，水流一般是会带有一些砂砾的，这使得在水轮机空蚀的基础上进一步加深了水轮机的磨损现象。
我国水利工程界统一将水力发电过程中水轮机的空蚀和磨损称为磨蚀。
磨蚀会导致严重的水轮机性能下降，在长期失修的情况下会造成水轮机出现损坏，因此，在水轮机的选型上，首先要针对当地水质以及发电系统的因素进行防止和减少磨蚀现象的水轮机选型和优化。
影响水轮机磨蚀的因素众多，主要与水流的强度、水流含沙量、砂砾矿物成分、粒径大小、硬度等，除此之外，还与水轮机本身的结构设计一级材料存在联系。
因此，针对于这些影响因素，在水轮机的选型和优化上需要从两个方面着手。
一方面，要进行水流中的砂砾矿物的排除和减少，可以通过蓄清排浑以及加强排沙设施的构建来完成，除此之外，还应当在水流通过水轮机之前降低水流的能量等；另一方面，就要针对于水流中砂砾的类型进行水轮机的选型和优化，一般来说需要注意以下3个方面：（1）在水轮机的过流部件的选择中，选取耐磨性能以及工艺性能较好的材料，同时需要针对于这部分材料进行适合于在水体中工作的材料加工工艺，主要还是进行材料的耐腐蚀和耐磨加工，例如通过材料打磨提高水轮机表面的精度以及刚度等，同时为了提高水轮机的耐腐蚀性能，应当在水轮机表面进行镀锌等抗腐蚀加工。
中小型水电站发电系统设计
中小型水电站发电系统设计随着环保意识的不断提升，人们越来越关注可再生能源的开发与利用，其中水能是一种重要的可再生能源。
中小型水电站发电系统是一种广泛使用的技术，它能充分利用水能资源，降低对环境的污染，并且具有发电效率高、反应速度快和运维成本低等优点。
本文将详细介绍中小型水电站发电系统的设计及优化。
一、水电站的构成部分1. 水能转化装置中小型水电站的核心装置为水轮机，它是将水流能够转化为机械能的装置。
水轮机分为垂直轴和水平轴两种，其中垂直轴水轮机由于空间占用面积小，可适应于各种不同的地形，广泛应用于中小型水电站当中。
2. 发电机组发电机是水能转化为电能的关键装置，一般选用同步发电机。
由于水电站电网条件的不同，发电机的额定容量、额定电压、额定电流等参数也需要进行相应的调整。
3. 水流控制装置水流控制装置用于控制水轮机的叶片调整角度，以调整水轮机的叶片角度来实现高效率能量转化并保证水电站能稳定运行。
水流控制装置的主要组成部分有闸门、流量管、进水口、尾水管、调节机构等。
4. 辅助装置中小型水电站的辅助装置包括沟渠、调压水池、导流隧道、发电机集中控制系统、配电系统、监测记录系统等。
二、中小型水电站设计优化中小型水电站的设计应该充分考虑到以下因素：1. 局部水文情况中小型水电站应该在局部水文环境条件下进行设计优化，对水轮机的选型、水能发电机组容量和水流控制装置进行合理选择和规划。
2. 运行要求中小型水电站的运行要求一般包括发电量、功率、起水水位、降差、放水量、水位计算等指标。
在进行设计时要考虑到这些运行要求，并在运行时实时监测和维护这些指标。
3. 安全性能中小型水电站应该在设计阶段考虑到安全性能，控制水能转化装置的安全性能、水电站设备的稳定性等因素。
此外，在电厂的运行和检修过程中也应该注重水电站的安全性能。
4. 经济和环保因素中小型水电站应该在设计时充分考虑到经济和环保因素。
例如，水轮机的选型要匹配当地的水资源，既不能浪费水资源又能充分利用它，同时，生产的电能也要尽量满足社会需求。
中小型水电站水轮机选型设计评述
我 国于 １７ ９ ４年 ４月 ， 由一 机部 、 电部颁 发 了 水
为优秀而又能在招标采购中得到的设备 ，并以此作
中小型水 电站的水轮机选型设计 ，主要是根据 为贯彻国家“ 节能” 方针 的具体行动 。
按湖北省人 民政府于 ２０ 年 ３ ０６ 月颁发的《 关于
加强水能资源开发利用管理的意见》水能资源开发 ，
《 击式水轮机转轮 暂行系列型谱 》 简 称 “ 反 （ 老型 谱 ”， ） 这是我 国第一个水轮机转轮系列型谱。 “ 老型谱” 中不论在水轮机的型号及其应用范围 方面 ， 还是在所列转轮水力参数等方面， 大部分内容
项 目必须达到初步设计深度 ，项 目申请报告由省政
府投资主管部门核准。 近几年 以来 ， 湖北省一批中小型水电开发项 目， 经省发改委组织专家进行评估后获核准。这些工程 已陆续建成 ， 从投产后水轮发电机组的运行状况 ， 可 初步检验出水轮机设计选型的合理性及经设备招标
已陈旧、 落后 ， 无法满足需要 。在 ２ 世纪后期 ， 国 Ｏ 我
研制出性能先进 的转轮 ， 并在国内外一些 电站使用 。 混流式水轮机转轮系列型谱》Ｊ 厂６ １— ２ ，其中 （Ｂｒ３０ ９ ）
经有关研制单位 的共 同努力 ， 编制出《 中小型轴流式 所采购产品的质量水平 ， 从而可总结出经验及教训。 为了互通信息、 交流经验、 取长补短 ， 现将部分
也包括有少量 国外引进转轮。该型谱所列转轮 ， 与 项 目 核准前组织专家，对这些具有初步设计深度 的 “ 老型谱” 所列转轮相 比， 无论在 比转速 ｓ还是效 几个水电站设计报告进行评估过程中，有关水轮机 ，
率卵 都有大幅度 的提高 ，空化系数 ｏ也有所下降。 ｒ 此后 ， 我国尚未再编制新的水轮机转轮系列型谱。
为优秀而又能在招标采购中得到的设备 ，并以此作
中小型水 电站的水轮机选型设计 ，主要是根据 为贯彻国家“ 节能” 方针 的具体行动 。
按湖北省人 民政府于 ２０ 年 ３ ０６ 月颁发的《 关于
加强水能资源开发利用管理的意见》水能资源开发 ，
《 击式水轮机转轮 暂行系列型谱 》 简 称 “ 反 （ 老型 谱 ”， ） 这是我 国第一个水轮机转轮系列型谱。 “ 老型谱” 中不论在水轮机的型号及其应用范围 方面 ， 还是在所列转轮水力参数等方面， 大部分内容
项 目必须达到初步设计深度 ，项 目申请报告由省政
府投资主管部门核准。 近几年 以来 ， 湖北省一批中小型水电开发项 目， 经省发改委组织专家进行评估后获核准。这些工程 已陆续建成 ， 从投产后水轮发电机组的运行状况 ， 可 初步检验出水轮机设计选型的合理性及经设备招标
已陈旧、 落后 ， 无法满足需要 。在 ２ 世纪后期 ， 国 Ｏ 我
研制出性能先进 的转轮 ， 并在国内外一些 电站使用 。 混流式水轮机转轮系列型谱》Ｊ 厂６ １— ２ ，其中 （Ｂｒ３０ ９ ）
经有关研制单位 的共 同努力 ， 编制出《 中小型轴流式 所采购产品的质量水平 ， 从而可总结出经验及教训。 为了互通信息、 交流经验、 取长补短 ， 现将部分
也包括有少量 国外引进转轮。该型谱所列转轮 ， 与 项 目 核准前组织专家，对这些具有初步设计深度 的 “ 老型谱” 所列转轮相 比， 无论在 比转速 ｓ还是效 几个水电站设计报告进行评估过程中，有关水轮机 ，
率卵 都有大幅度 的提高 ，空化系数 ｏ也有所下降。 ｒ 此后 ， 我国尚未再编制新的水轮机转轮系列型谱。
小型水电站水轮发电机组选型设计及重点问题分析
小型水电站水轮发电机组选型设计及重点问题分析摘要：水轮发电机机组的选型设计作为小型水电站建设工程中的重要投资，不过在实际的建设过程中，很容易因为水轮发电机组选型设计不当等问题出现发电站效益不理想的情况，因此本文对小型水电站水轮发电机组选型设计过程中的注意事项和问题进行了分析，以供小型水电站建设时作为水轮发电机组选型设计的参考。
关键词：小型水电站；水轮发电机组；选型设计在水力发电站建设的过程中，对于水轮发电机组的设计关乎着整个工程的经济效益和生产效率，同时也对水电站的经营质量有着非常大的影响。
因此水电站必须根据相关参数来选择合理的水轮发电机组，以确保水电站能够顺利运行。
1.小型水电站水轮发电机组选型设计概述由于水电站建设受到了地区因素的影响，各个水电站的水力资源和开发应用情况必然存在一定的不同，加上工作水头、引用流量范围等等，都需要根据实地的状况进行设定。
而水轮发电机在自身能量和汽蚀特性以及强度条件的限制下，其适用的水头和流量范围相对较窄，因此水轮发电机只能够在合适的区域正常运行。
为了保障水电站的运行能够满足经济安全需求以及高效率，设计工作人员应当对不同类型水轮发电机的技术参数、性能特点等等进行全面了解，进而根据水电站的基础资料和工程的总体布置以及水轮机特性等进行结合，并且综合比较其技术方案，选择出利用了最高、成本最优、收益最好的水轮发电机组选型设计方案。
小型水电站水轮发电机组的选择在具体设计过程中，必须要根据当地情况以及水轮机各项参数进行比较后再进行确定，当前常用的水轮发电机主要有如下类型：1、灯泡贯流式水轮发电机。
近几年来我国在灯泡贯流式水轮发电机的研究成果非常显著，在大量工程的实践运用中现实，在水头低于二十五米的情况下，灯泡管流式水轮发电机和同轴流转桨式水轮发电机相比有着更好的技术和经济优势。
灯泡管流式机组的结构形式和常规立轴机组有着非常大的差距，尤其是在运行、维修和管理方面都有着很大的不同，因此在采用的选择上也需要根据实际情况，并根据业主单位的意见来使用。
水轮发电机组中水轮机的选型设计
水轮发电机组中水轮机的选型设计摘要: 在水利水电系统中的建设过程, 怎样合理选择适用的水轮机组的类型对水轮机的性能是否优越十分重要。
因此应本着具体情况具体分析的原则设计相应的实践方案, 以提高其运行的灵活性。
本文着重阐述实践中应如何对水轮机组进行设计。
关键词: 水轮机组；特征；选型设计Abstract: In the water conservancy and hydropower system in the construction process, how to choose suitable hydraulic turbine type on turbine performance is superior is very important. It should be based on concrete analysis of the principles of design and the corresponding practices, in order to improve the operation flexibility. This paper focuses on the practice should be how to design of hydraulic turbine.Key words: turbine selection design; feature;0引言水轮机组的选型设计是水电站水力机械设计的重要组成部分。
发电机由水轮机驱动，它的转子短粗，机组的起动、并网所需时间较短，运行调度灵活。
水轮机组选型设计不仅为以后的电气部分、水工部分设计打下基础，同时也会影响到电站的机电设备投资、厂房投资及发电效益等经济指标。
因此，水轮机组的选型设计必须做到科学、准确、合理、先进，满足技术性能和经济指标的要求。
1水轮机选型设计的任务及内容水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益，因此根据H、N的范围选择水轮机是水电站中主要设计任务之一，使水电站充分利用水能，安全可靠运行。
水轮机选型设计
第六章水轮机选型设计由于各开发河段的水力资源和开发利用的情况不同，水电站的工作水头和引用流量范围也不同，为了使水电站经济安全和高效率的运行，就必须有很多类型和型式的水轮机来适应各种水电站的要求。
水轮机由于它自身能量特性、汽蚀特性和强度条件的限制，每种水轮机适用的水头和流量范围比较窄，要作出很多系列和品种（尺寸）的水轮机，设计、制造任务繁重，生产费用和成本也大。
因此有必要使水轮机生产系列化、标准化和通用化，尽可能减少水轮机系列，控制系列品种，以便加速生产、降低成本。
在水电站设计中按自己的运行条件和要求选择合适的水轮机。
一、水轮机选型设计的任务及内容1．任务水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益，因此根据H、N的范围选择水轮机是水电站中主要设计任务之一，使水电站充分利用水能，安全可靠运行。
每一种型号水轮机规定了适用水头范围。
水头上限是根据该型水轮机的强度和汽蚀条件限制的，原则上不允许超过；下限主要是考虑到使水轮机的运行效率不至于过低。
2．内容(1) 确定机组台数及单机容量(2) 选择水轮机型式（型号）及装置方式(3) 确定水轮机的额定功率、转轮直径D1、同步转速n、吸出高度H s、安装高程Z a 、飞逸转速、轴向水推力；冲锤式水轮机，还包括喷嘴数目Z0、射流直径d0等。
(4) 绘制水轮机运转特性曲线(5) 估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、蜗壳、尾水管的形式、尺寸、调速器及油压装置选择(6) 根据选定水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向厂家提出制造任务书，最终由双方共同商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。
二、选型设计1．水轮机选型设计一般有三种基本方法(1) 水轮机系列型谱方法: 中小型水电站水轮机选多此种方法或套用法。
(2) 套用方法：用于小型水电站设计。
(3) 统计分析的方法：大型水电站设计，应用较广泛。
2．装机特征设计包括：机组台数、单机容量、水轮机型式与装置方式。
中小型水电站水轮机选型与优化的探讨
中小型水电站水轮机选型与优化的探讨水电站的水轮机选型与优化是一个关键的环节，它直接影响到水电站的发电效率和经济效益。
本文将从水轮机的选型原则、水轮机的类型与特点、水轮机的优化等方面对中小型水电站水轮机的选型与优化进行探讨。
一、水轮机的选型原则水轮机的选型原则主要包括选择合适的装机容量、符合水头和流量条件、适应水力发电的要求等。
1.选择合适的装机容量中小型水电站通常装机容量较小，因此选择合适的装机容量是非常重要的。
一方面，要根据水资源条件、装机容量与水头的关系等因素进行合理的匹配，避免装机容量过大或过小导致发电效率低下；还要考虑电网需求和发电经济性等因素，选择合适的装机容量。
2.符合水头和流量条件水轮机的工作性能受到水头和流量的限制，因此在选型过程中必须考虑水头和流量条件。
一般来说，根据水轮机的闸门控制方式，可以区分为常规型和调节型：常规型水轮机适用于水头和流量变化较小的情况，而调节型水轮机适用于水头和流量变化较大的情况。
根据实际情况选择符合水头和流量条件的水轮机，可以使水电站的发电效率达到最优化。
3.适应水力发电的要求水轮机在选择时还需要考虑适应水力发电的要求，如安全可靠性、运行稳定性、运行维护便捷性等。
水轮机应具备良好的适应性，能够满足水力发电的需要，并具备较高的经济效益。
二、水轮机的类型与特点根据运行原理和结构特点，水轮机主要分为水轮发电机组和涡轮发电机组两大类。
根据叶轮的形状，又可分为斜流水轮机、径流水轮机和混流水轮机等。
1.水轮发电机组水轮发电机组主要由水轮机、发电机和辅助设备等组成，其主要特点包括结构简单、运行稳定、安全可靠等。
水轮机采用分配器或喷管导水，利用水的能量来驱动水轮机转动，再通过轴向流导叶或斜流导叶的作用，将水能转化为机械能，驱动发电机转动进行发电。
三、水轮机的优化水轮机的优化主要包括叶轮型式的选择、叶轮流道的设计和调整、水轮机性能的优化等方面。
1.叶轮型式的选择根据实际需求和水资源条件，选择合适的叶轮型式非常重要。
(精品)水轮机特性及选型
辐设、电气等增加→厂房尺寸增加。 一般选用较大的N单
三峡(9.8m,700MW)、水布垭、小湾、龙滩、向家坝、溪洛渡、锦屏二级
2 、机组台数与机电设备制造的关系 台数多→N单↓→尺寸（D1）小→制造运输容易 （相反，大机组制造困难）
3、机组台数与运行效率的关系 单台机组：？ 整个电站：台数多↑→负荷分配灵活→平均效率↑ 担任基荷：可用较少的台数，在较长时间内以最优
1)
n1 n10 n10M n10M (
max M max
1)
❖其他工况时：
Q1 Q1M Q1 n1 n1M n1
在工程实践中，当 n1 0.03n10M 时，单位转速不必修正 单位流量修正值与单位流量的比值较小，一般可不修正
第四节 水轮机的主要综合特性曲线
综合反映参数n、H、 N之间的关系，代表
了水轮机的轮系特征。
❖ns随工况变化，用最优比转速，限制工况下 的比转速比较不同轮系水轮机性能，
❖比转速用来表示水轮机的型号，还用来划分 水轮机的类型。
❖各种类型的水轮机比转速大致范围：
➢贯流式：ns=600-1000 高 高水头小流量
➢轴流式：ns=200-850 高
几何相似的水轮机——轮系，系列，型号。
2、运动相似：
(1) 对应点的速度方向相同。 (2) 对应点的速度大小对成比例， 即速度三角形相似。
同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。 几何相似就运动相似吗？ 同一轮系水轮机，保持运动相似——相似工况
3、动力相似
对应点所受的同名作用力方向相同、大小成比例。
D21M
hH hM H
M
2
P
或
NM
三峡(9.8m,700MW)、水布垭、小湾、龙滩、向家坝、溪洛渡、锦屏二级
2 、机组台数与机电设备制造的关系 台数多→N单↓→尺寸（D1）小→制造运输容易 （相反，大机组制造困难）
3、机组台数与运行效率的关系 单台机组：？ 整个电站：台数多↑→负荷分配灵活→平均效率↑ 担任基荷：可用较少的台数，在较长时间内以最优
1)
n1 n10 n10M n10M (
max M max
1)
❖其他工况时：
Q1 Q1M Q1 n1 n1M n1
在工程实践中，当 n1 0.03n10M 时，单位转速不必修正 单位流量修正值与单位流量的比值较小，一般可不修正
第四节 水轮机的主要综合特性曲线
综合反映参数n、H、 N之间的关系，代表
了水轮机的轮系特征。
❖ns随工况变化，用最优比转速，限制工况下 的比转速比较不同轮系水轮机性能，
❖比转速用来表示水轮机的型号，还用来划分 水轮机的类型。
❖各种类型的水轮机比转速大致范围：
➢贯流式：ns=600-1000 高 高水头小流量
➢轴流式：ns=200-850 高
几何相似的水轮机——轮系，系列，型号。
2、运动相似：
(1) 对应点的速度方向相同。 (2) 对应点的速度大小对成比例， 即速度三角形相似。
同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。 几何相似就运动相似吗？ 同一轮系水轮机，保持运动相似——相似工况
3、动力相似
对应点所受的同名作用力方向相同、大小成比例。
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NM
中小型水电站水轮机选型及优化
中小型水电站水轮机选型及优化摘要：中小型水电站作为我国水轮发电体系的重要组成部分，其担负着我国电力工程的重要工作。
如何在新建水电站或原有水电站的设备更新中根据电站实际情况进行水轮机的选型与优化是现代水电站技术部门的重要工作。
其关系到水轮机组的运行稳定及电站供电的持续稳定。
本文就水电站水轮机的选型及优化进行了简要的论述。
关键词：中小型水电站；水轮机选型；优化水轮机是水力发电的关键设备之一。
水轮机特性的优劣是影响水电站经济性的重要因素。
水轮机的选型是根据电站的水文、水能等基础资料，结合工程总体布置和水轮机的水力特性、结构、材料及制造工艺等问题，按照技术先进、经济合理的原则，选择和确定水轮机的技术参数。
参数优化的目的是通过技术方案的比较，对设备和工程建设的投资、运行费用，设备预期的可用性、可靠性、使用寿命，预期的收益等工程生命周期内的技术与经济因素，及其相互间的影响，进行综合比较和评判，寻求资源利用充分、投资省、收益高的最优方案。
为了经济地开发水电资源，合理选择水轮机技术经济参数并进行优化，是水电资源开发、咨询和设计阶段的主要任务，也是水轮机设备采购招标投标的重要工作。
1、水轮机选型1.1水轮机的选型原则水轮机的选型设计是水电站设计中的一项重要任务，其计算结果直接关系到水电站的机组能否长期稳定运行、投资的多少、经济效益的高低。
它是根据水电站设计部门提供的原始资料及参数，选择合理的水轮机型号和计算水轮机的各种性能参数。
一般情况下，先根据水电站的类型、动能计算以及水工建筑物的布置等初选若干个方案，然后进行技术经济比较，再根据水轮机的生产情况和制造水平，最后确定最佳的水轮机型号及尺寸。
1.2水轮机参数选择针对该水电站的特点，在机组参数选择、型号选择、水力工况、结构设计等方面都需要综合考虑各种因素，采取适合于本电站运行的最优方案。
1.3水轮机转速的选择水轮机的转速可以参照现阶段相近水头水轮机的比转速水平，结合某电站实际情况和特殊要求来确定。
水力发电中水轮机的结构设计与优化
水力发电中水轮机的结构设计与优化一、水力发电水力发电是指利用水流经过水轮机来转动发电机转子，将水流的动能转换成电能。
水力发电在可再生能源中占据重要地位，是一种比较成熟的发电技术，优点是不会排放污染物，具有环保、经济、可靠的特点。
二、水轮机的基本结构水轮机主要由转子、定子和水荫罩组成。
其中转子是水轮机的核心部件，由叶轮与轴组成。
当前常用的水轮机有垂直式轴流水轮机和水平式轴流水轮机两种，其中垂直式轴流水轮机的叶轮与轴的排列方向为垂直方向，可以由上往下进水。
水平式轴流水轮机的叶轮与轴的排列方向为水平方向，叶轮是连接在轴上的平面无限延伸的叶片。
三、水轮机的优化设计方法水轮机的设计一般包括流道和叶轮两个方面，其中流道的设计决定了水的流动状态，叶轮的设计则影响了水轮机的功率输出。
具体的优化设计方法包括几何形状优化、流场数值模拟与优化以及流体固耦合优化等。
1. 几何形状优化几何形状优化是指对水轮机进行形状方面的优化，主要包括叶轮叶片的几何形状和叶盘、轴的几何形状。
叶轮叶片的几何形状主要影响水轮机的效率和特性，可以通过对称分割、叶片弯曲或变形等方法来进行优化。
而叶盘和轴的几何形状则主要影响水轮机的结构强度和动平衡性能，可以通过降低叶盘和轴的重量和直径等来重新设计。
2. 流场数值模拟与优化流场数值模拟与优化是指通过计算水流场、压力场等物理量的数值方法来对水轮机进行优化。
该方法需要建立水轮机的数值水力学模型，通过CFD分析流场分布、压力分布等信息，有效地帮助优化叶轮和流道的设计。
同时，数值模拟还可以评估具体流量下水轮机的效率、压力损失和流量系数等重要性能参数。
3. 流体固耦合优化流体固耦合优化是指在同时考虑水轮机结构和水力学条件的情况下，对水轮机加以优化。
在该方法中，结构力学和水力学模型同时建立，然后通过计算得到水流与叶轮之间的相互作用以及叶轮与结构之间的相互作用，以优化水轮机的性能。
该方法需要重点考虑流固耦合问题，并且需要选取合适的工作流量来评估水轮机的性能指标。
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中小型水电站水轮机选型及优化
发表时间：2018-08-09T11:45:39.067Z 来源：《基层建设》2018年第19期作者：段梦华
[导读] 摘要：中小型水电站作为我国水轮发电体系的重要组成部分，其担负着我国电力工程的重要工作。
浙江富春江水电设备有限公司浙江 311121
摘要：中小型水电站作为我国水轮发电体系的重要组成部分，其担负着我国电力工程的重要工作。
如何在新建水电站或原有水电站的设备更新中根据电站实际情况进行水轮机的选型与优化是现代水电站技术部门的重要工作。
其关系到水轮机组的运行稳定及电站供电的持续稳定。
本文就水电站水轮机的选型及优化进行了简要的论述。
关键词：中小型水电站；水轮机选型；优化
水轮机是水力发电的关键设备之一。
水轮机特性的优劣是影响水电站经济性的重要因素。
水轮机的选型是根据电站的水文、水能等基础资料，结合工程总体布置和水轮机的水力特性、结构、材料及制造工艺等问题，按照技术先进、经济合理的原则，选择和确定水轮机的技术参数。
参数优化的目的是通过技术方案的比较，对设备和工程建设的投资、运行费用，设备预期的可用性、可靠性、使用寿命，预期的收益等工程生命周期内的技术与经济因素，及其相互间的影响，进行综合比较和评判，寻求资源利用充分、投资省、收益高的最优方案。
为了经济地开发水电资源，合理选择水轮机技术经济参数并进行优化，是水电资源开发、咨询和设计阶段的主要任务，也是水轮机设备采购招标投标的重要工作。
1、水轮机选型
1.1水轮机的选型原则
水轮机的选型设计是水电站设计中的一项重要任务，其计算结果直接关系到水电站的机组能否长期稳定运行、投资的多少、经济效益的高低。
它是根据水电站设计部门提供的原始资料及参数，选择合理的水轮机型号和计算水轮机的各种性能参数。
一般情况下，先根据水电站的类型、动能计算以及水工建筑物的布置等初选若干个方案，然后进行技术经济比较，再根据水轮机的生产情况和制造水平，最后确定最佳的水轮机型号及尺寸。
1.2水轮机参数选择
针对该水电站的特点，在机组参数选择、型号选择、水力工况、结构设计等方面都需要综合考虑各种因素，采取适合于本电站运行的最优方案。
1.3水轮机转速的选择
水轮机的转速可以参照现阶段相近水头水轮机的比转速水平，结合某电站实际情况和特殊要求来确定。
1.4空化系数的选择。
水轮机空化性能的优劣，是衡量水轮机综合性能的一个重要指标。
电站装置空化系数的大小，直接影响电站开挖深度和水轮机运行寿命。
在含沙水流中工作的水轮机除了会发生空化外还经常发生泥沙磨损，泥沙磨损与空化现象相伴发生，从而加剧过流部件的空蚀和磨损破坏。
因此，合理地选择空化系数，尽可能减少空蚀现象的发生，防止或减轻空化与泥沙磨损的联合作用，同时也可以最大限度地减少磨蚀破坏。
1.5转轮直径的选择。
应选择效率高的转轮型号，而且还要根据水轮机的模型综合曲线和真机工作特性曲线选择工作范围最好的转轮，以保证水轮机运行时有较高的工作效能。
另外，选定的水轮机转轮直径应较小，较小的转轮直径将使机组获得较高的转速，从而缩小机组尺寸，降低机组造价。
应优先考虑套用已有型号转轮直径接近的机组。
1.6水轮机选型设计中，先考虑可供选择的一种或两种机型方案。
在一种型式的水轮机中，可采用几种型号的水轮机，从技术特性、经济指标、运行可靠性及设计制造经验等方面，经技术经济比较后选定。
2、水轮机选型优化
2.1水轮机磨蚀与选型优化
众所周知，空化是发生在运行中的水力机械的一种流体动力现象，当空化发生发展，并造成过流部件材料的破坏损耗称为空蚀。
在含沙水流中工作的水力机械除了会发生空化外还将发生砂粒磨损，但发生在水力机械中的沙粒磨损不同于一般磨粒磨损，常常与空化现象相伴发生，造成并且加剧过流部件的空蚀和磨损破坏。
我国工程和学术界将这种水力机械转轮等过流部件在含沙水流介质中工作时发生的空蚀和沙粒磨损破坏统称为磨蚀。
磨蚀导致水力机械性能下降，效率降低，甚至失效。
我国中西部地区特别是黄河流域的水电工程，通常都不同程度地遭受到磨蚀损坏，如黄河三门峡、云南六郎洞、新疆喀什三级等水电站水轮机的磨蚀状况是较为典型的例子。
根据国内外的研究和实践，水轮机泥沙磨损强度与水流的含沙量，沙粒的矿物成分、硬度及其形状、粒径，沙粒运动的速度（流道内相对流速）等有关，也与水力模型（包括叶型、流道）的空化特性及过流部件所采用的材料特性有关。
我国水电科研、工程设计、水电设备研制与水电运行管理部门，在长期广泛的理论研究和工程实践的基础上，借鉴国内外水电工程的经验教训，从工程总体布置、水轮机参数选择、设备制造选材、工艺和运行调度等方面，总结出了对在含沙水流中工作的水轮机抗磨蚀防护行之有效的措施，概括起来主要为以下6个方面：①优化水沙调度，蓄清排浑或设置沉沙、排沙设施以减少泥沙过机；②采用较低的能量参数如降低水轮机转轮中的相对流速（如控制水轮机转轮出口圆周速度U2≤38～42m/s），以降低磨蚀强度；③水轮机的过流部件采用耐磨蚀性和工艺性好的材料，以及采用先进的材料加工工艺（如采用不锈钢板冲压转轮轮叶），以提高抗磨蚀性能；④过流部件采取表面处理措施，如打磨以提高表面的粗糙度精度、硬度、韧性，或在材料表面喷焊或涂（镀）抗磨蚀的金属或非金属材料等技术和工艺，也可提高抗磨蚀性能；⑤采用五轴数控铣床加工水轮机转轮叶片，以保证型线准确度；⑥适当降低水轮机安装高程以减轻空蚀强度等。
2.2水轮发电机组运行稳定性与选型优化
现代水轮发电机组的单机容量越来越大，最大单机出力已达852MW（长江三峡）水轮发电机组的运行稳定性，因一些大型或巨型机组发生振动造成损失而受到越来越普遍的重视。
水力发电是水流推动水轮机组的旋转运动实现能量转换的，导致水轮发电机组出现振动、功率摆动等运行稳定性问题发生，实质是水力发电系统或装置内存在的或运转诱发的动态不平衡因素所致，其表现形式可概括为水力、电气
及机械振动等三大类。
水力因素包括尾水管的压力脉动，流道内的卡门涡、叶道涡，流道内的不均匀流场及空化，压力输水管道中的水力脉动等。
电气因素主要是水轮发电机的不均衡磁拉力。
机械振动包括机组自激振动，轴系振动、发电机定子振动、因振动耦联引起的振动及共振等。
水轮机的水力设计、机组及部件的结构设计缺陷，制造、装配和安装质量不良，运行因素等，如水封间隙不均，转动部分的质量不平衡，水轮机转轮与密封、水轮发电机转子与定子不同心度差，机组的部件或整体刚度设计不合理，以及水力系统存在的缺陷等都可能引起运行稳定性问题。
另外，在系统中担负调峰运行的机组，由于频繁起动、停机等也可能导致或加剧机组的振动，造成转动部件的损坏。
总之，引起机组振动影响运行稳定性的原因和机理较为复杂，各种类型和容量的水轮机组都可能发生振动而影响机组的运行稳定性。
中小型水电站的水轮机选型也应重视稳定性问题，应将稳定性作为重要的技术经济性能加以研究。
应从水轮机的水力设计、结构和部件的设计、机组的安装等方面，并参考已运行的类似电站的经验，对可能出现的影响机组运行稳定性的水力、电气和机械因素进行分析、计算和预测，并选择预防、控制和改善水轮机运行稳定性的措施。
如在水力方面选择无涡区较宽、水力脉动较小的转轮模型；选择较高的水轮机设计水头；水头变幅较大的电站设置机组最大出力等。
在水轮机过流部件结构和流道方面，如转轮采用奇数叶片数，采用X形叶型及长短叶片，采用较高的尾水管高度，并设置补气装置等。
3、结语
对中小型水电站水轮机的技术经济参数进行优化，有利于提高中小水电站的经济效益。
中小型水电站在电网中所占比重较小，难以担当系统的调峰、调频任务，因此，在中小型水电站机组的选择和优化时，还应考虑这一特点。
参考文献：
[1]王冰，杨德晔，青长庚．中国水力发电工程（机电卷）[J]中国电力出版社，2010
[2]董毓新．水轮发电机组振动[J]．大连：大连理工 2009。