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中小型水电站水轮机选型与优化的探讨一、前言水力发电是一种利用水能转化为电能的清洁可再生能源，在全球范围内具有广泛的应用前景。
中小型水电站是水力发电系统的重要组成部分，其投资成本低、建设周期短、生产稳定可靠等优点，使得其在中国乃至全球水力发电市场上具有较大的发展潜力。
水轮机是中小型水电站的核心设备，其选型与优化对于水电站的运行效率、经济性和可靠性具有重要影响。
本文就中小型水电站水轮机选型与优化进行探讨，并提出一些相关的技术建议。
二、水轮机选型与分类1. 水轮机选型在中小型水电站的水轮机选型过程中，需要考虑到水轮机的流量、水头、装机容量等因素，以确保水轮机可以在水电站的运行条件下实现最佳的发电效率。
选择合适的水轮机型号和参数是确保水电站正常运行的基础。
根据水轮机的结构和工作原理，可以将水轮机分为内嵌式水轮机和外控式水轮机两大类。
内嵌式水轮机直接受到水流作用，其转动部件与水流接触，适用于水流比较稳定的小型水电站；外控式水轮机则通过导流装置调节水流作用力，可以适应水流波动较大的水电站。
三、水轮机优化1. 流道优化水轮机的流道是保证水轮机高效运行的关键部位。
通过对水轮机流道进行优化设计，可以减小流体的能量损失，提高水轮机的效率。
常见的流道优化措施包括改善流道内部的曲率、加装导流板、增加水流的扰流装置等。
2. 叶轮优化叶片是水轮机的动力转换部件，其叶片的设计与优化对于水轮机的性能具有重要影响。
采用现代流体动力学的分析方法，结合流场模拟和试验验证，可以实现叶轮的优化设计，提高水轮机的效率和稳定性。
3. 轴系优化水轮机的轴系部分包括轴承、密封装置、联轴器等组件，其设计与选型对于水轮机的安全可靠运行至关重要。
通过优化轴系的设计，可以减小机械损耗，提高水轮机的传动效率。
2. 运用现代流体动力学的分析方法，对水轮机的流道和叶轮进行优化设计，提高水轮机的效率和稳定性。
3. 注意水轮机轴系的设计与选型，确保水轮机的安全可靠运行。
小型水电站水轮机的选型设计摘要：高坪桥水库电站水头运行范围为22.99~57.92m，以统计规律为指导，在容量相近的水轮机参数水平基础上，结合目前国内机组制造水平及转轮特点，通过技术经济比较分析，进行机组选型设计，最终确定合理的水轮机参数。
关键词：卧式混流机组；选型设计1 引言浙江省龙游县高坪桥水库工程地处龙游县境内衢江支流社阳溪上，社阳溪流域现有社阳水库调蓄能力有限，且未设置防洪库容，下游地区受衢江洪水顶托，汛期每遇暴雨，易发生洪涝灾害。
2水轮机参数选择2.1 电站基本参数高坪桥水库总库容3206万m3，供水调节库容2431万m3，防洪库容560万m3；死库容218万m3；配套电站总装机容量3.6MW。
电站为引水式电站，正常蓄水位182.0m，发电死水位150.0m；电站最大毛水头58.42m，最小毛水头26.0m，加权平均水头46.66m。
2.2 水轮机模型参数选择本电站水头范围为26.00m~58.42m。
对于该水头段的机组宜采用卧式混流式机组。
参考现有的水轮机模型转轮，供本电站选用的混流机转轮较多，其中A289和A551C模型参数较优，其能量特性和空化性能均较好，具有一定的代表性。
经计算比较，机组选型方案比较表如下两个方案均能满足运行要求。
模型转轮A551c效率较高，选用的转轮直径较小，机组总造价较低。
但安装高程较低，主厂房土建造价较高。
考虑本阶段预留一定裕度，选取效率略低，单位流量较小的模型转轮，有利获得较好汽蚀性能。
综合考虑，本阶段暂按照A286转轮来选择水轮机参数及机组流道主要控制尺寸，提出本电站水轮机应具有的能量指标及空化指标。
2.3 水轮机机组台数选择台数的选择应综合考虑满足工程功能要求的技术经济指标。
从运行和检修方面来看，机组台数越多，运行调度越灵活，检修工作也越容易安排。
但是台数增加将加大机电设备及土建投资。
本电站发电厂房距离大坝较远，大坝位置另外设置生态流量泄放装置，不需考虑通过机组泄放生态流量。
水电站水轮机选型设计总体思路和基本方法水轮机选型是水电站设计中的一项重要任务。
水轮机的型式与参数的选择是否合理，对于水电站的动能经济指标及运行稳定性、可靠性都有重要的影响。
水轮机选型过程中，一般是根据水电站的开发方式、动能参数、水工建筑物的布置等，并考虑国内外已经生产的水轮机的参数及制造厂的生产水平，拟选若干个方案进行技术经济的综合比较，最终确定水轮机的最佳型式与参数。
一 已知参数1 电站规模：总装机容量：32.6MW 。
2 电站海拔：水轮机安装高程：▽=850m3 水轮机工作水头：max H =8.18m ，min H =8.3m ，r H =14.5m 。
二 机组台数的选择对于一个确定了总装机容量的水电站，机组台数的多少将直接影响到电厂的动能经济指标与运行的灵活性、可靠性，还将影响到电厂建设的投资等。
因此，确定机组台数时，必须考虑以下有关因素，经过充分的技术经济论证。
1机组台数对工程建设费用的影响。
2机组台数对电站运行效率的影响。
3机组台数对电厂运行维护的影响。
4机组台数对设备制造、运输及安装的影响。
5机组台数对电力系统的影响。
6机组台数对电厂主接线的影响。
综合以上几种因素，兼顾电站运行的可靠性和设备运输安装的因素，本电站选定机组为：4×8.15MW 。
三 水轮机型号选择 1 水轮机比转速s n 的选择水轮机的比转速s n 包括了水轮机的转速、出力与水头三个基本工作参数，它综合地反映了水轮机的特征，正确的选择水轮机的比转速，可以保证所选择的水轮机在实际运行中有良好的能量指标与空化性能。
各类水轮机的比转速不仅与水轮机的型式与结构有关，也与设计、制造的水平以及通流部件的材质等因素有关。
目前，世界各国根据各自的实际水平，划定了各类水轮机的比转速的界限与范围，并根据已生产的水轮机转轮的参数，用数理统计法得出了关于水轮机比转速的统计曲线或经验公式。
当已知水电站的水头时，可以用这些曲线或公式选择水轮机的比转速。
某水电站水轮机选型及油气水系统设计摘要：当前形势下，我国拥有相对较为丰富的水资源，其相应的自然落差也相对较大，可以通过建造水电站来实现水力发电。
水力发电系统中处于核心位置的部件是水轮机，所以水轮机选型及其辅助设备的设计至关重要。
本篇文章是在水轮机及水力机组辅助设备两门课程基础上，通过对宁朗水电站原始资料的相关分析，进行水轮机选型以及相关辅助设备（油气水系统）的设计，并优化方案。
关键字：水轮机选型；油系统设计；气系统设计；供水系统设计；排水系统设计1.宁朗水电站基本资料本文所涉及到的宁朗水电站坐落于我国四川省，在我国梯级电站当中排名第九，其有效凭借金沙江左岸支流——水洛河干流、额斯～捷可河段的丰富水源进行发电。
其具体所承担的任务可以归结为集中发电以及完善下游生态环境用水。
采用引水式开发。
电力系统及负荷情况1、电站基本运作形式：并入系统运行，洪期承担基荷，相应的调峰任务。
2、相关负荷特征：集中于工业方面用电，一级负荷。
3、接入系统内部的电压等级以及相应的出线回路数目：双回形式出线。
4、关于近区负荷状况：不存在近区负荷。
5、关于厂用变压器具体容量大小：相应的厂用变压器容量基于装机整体容量的进行有效选取。
厂用电具体涵盖了以及两种形式。
2.水轮机的选型设计考虑到比转速、水头以及造价等因素，选择宁朗水电站适用的水轮机为混流式水轮机。
参考水轮机型谱，根据相关原始资料，宁朗电站的额定水头为81m，发现在70~105m水头段的水轮机符合额定水头的要求。
2.4 最优方案的确定各项求解结果如下表2-3所示：表2-3 方案对比成果表方案一二机组台数34单机容量（MW）3828.5型号HL240HL240效率%0.890.89总容量（MW）114114直径（m） 2.4 2.1额定转速（r/min）333.3375设计流量（m3/s)53.440.09最大吸出高度（m)-5-4额定点空化系数 1.03 1.01飞逸转速（r/min）604.49690.85轴向水推力（N）1432300.581096605.1根据效率、吸出高度、转轮直径，结合能量性能、空化性能以及技术的经济性方面来看，选取吸出高度绝对值较小的，空化系数较小的方案作为最终方案。
水轮机选择§4.1 水轮机的标准系列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、反击式水轮机的系列型谱表4—1、4—2、4—3、4—4中给出了轴流式、混流式水轮机转轮的参数。
1)、水轮机的使用型号规定一律采用统一的比转速代号。
2)、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。
二、水斗式水轮机转轮参数表4—5，系列型谱尚未形成三、水轮机转轮尺寸系列表（表4—6）四、水轮发电机标准同步转速（表4—7）五、水轮机系列应用范围图以H为横座标，N单为纵座标绘制某一系列水轮机应用范围。
1、根据Hr、Nr → 范围→D1，n 。
2、水轮机吸出高度的确定Hs：根据hs~H的关系曲线确定。
1由Hr → hs，Hs＝hs－▽／900§4.2水轮机的选择一、水轮机选择的意义、原则、内容1、意义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。
2、原则(1)、充分考虑电站特点（水文水能、电力系统技术条件，电站总体布置)。
(2)、有利于降低电站投资、运行费、缩短工期，提前发电(3)、提高水电站总效率，多发电(4)、便于管理、检修、维护，运行安全可靠，设备经久耐用(5)、优先考虑套用机组3、内容(1)、确定机组台数及单机容量(2)、选择水轮机型式（型号）(3)、确定水轮机转轮直径D1、n、Hs、Z a；Z0、d02(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。
⽔轮机选型设计第⼀章⽔轮机的选型设计第⼀节⽔轮机型号的初步选择⼀、沙溪⽔电站的主要参数H max =68.0m H p =50.0m H min =43.0m由《⽔利机械》P 36设计⽔头 H r 初算时可近似取（0.9~1.0）H p H r = 0.95×50.0= 47.5m 总装机35万kw⼆、因为沙溪⽔电站的⽔头范围为43.0m~68.0m,根据《⽔轮机》课本，符合此⽔头范围的要求，分别是 HL220，它的使⽤⽔头为30~70m 。
该⽔电站的⽔头范围为38-68m ，适合此⽔头范围⽔轮机的类型有斜流式和混流式。
⼜根据混流式⽔轮机的优点：（1）⽐转速范围⼴，适⽤⽔头范围⼴，可适⽤30-700m ；、（2）结构简单，价格低；（3）装有尾⽔管，可减少转轮出⼝⽔流损失；故选择混流式⽔轮机。
⼆．⽐转速的选择按我国⽔轮机的型谱推荐的设计⽔头与⽐转速的关系，⽔轮机的s n 为 )(19.270205.472000202000kw m H n rs ?=-=-=因此，选择s n 在260左右的⽔轮机为宜。
在⽔轮机型谱中有HL220，故按HL220进⾏计算三．单机容量第⼆节原型⽔轮机主要参数的选择按电站建成后,在电⼒系统的作⽤和供电⽅式,初步拟定为2台、3台、4台、5台四种⽅案进⾏⽐较。
HL220其主要参数如下：模型转轮直径D 1=46cm,导叶相对⾼度b 0/D 1=0.25 z 1=14, 最优⼯况n 10’=70r/min,Q 10’=1.0m 3/s,η=92%,ns0=255,σ=0.115; 限制⼯况Q 1’=1.150m 3/s,η=89%,σ=0.133. 最⼤单位飞逸⽐转速n 1p ’= 133 r/min⼀．（⼆台）1、计算转轮直径⽔轮机额定出⼒：kw N P GGr 4.17857198.0105.174=?==η式中：G η-----发电机效率,取0.98 G N -----机组的单机容量（KW ）取最优单位转速流量，Q 11r =1.14m 3/s ，对应的模型效率ηm=0.886，暂取效率修正值Δη=0.03，则设计⼯况原型⽔轮机效率η=ηm +Δη=0.916)(29.7916.05.4714.181.99183781.95.15.1111m H Q P D r r ===η按我国规定的转轮直径系列，计算值处于标准值7.0m 和7.5m 之间。
rz程设程琼:浅谈月潭水库工程水轮机选型设计浅谈月潭水库工程水轮机选型设计程琼（黄山市月潭水库管理处，安徽黄山245000）摘要:本文根据月潭水库坝址现状的地形及电站参数等条件，拟定轴流转桨式和灯泡贯流式两种机组，从投资、施工、性能、结构布置及后期运行维护等方面进行了综合分析和比较，最终采用轴流转桨式机组类型。
本文详细论述了机组选型对比的设计思路,可为同类型工程设计提供借鉴参考*关键词:月潭水库#电站;轴流转桨式#灯泡贯流式中图分类号:TK733+.3文献标志码：A文章编号：1673-5781（2020）06-1092-031概述月潭水库地处新安江主源率水河中上游，坝址位于黄山市休宁县海阳镇首村下琳溪组下游约500m处，距休宁县城18.5km,距黄山市区29km*月潭水库控制流域面积908 km?,多年平均流量35.4/s,多年平均径流量为1110亿m3*月潭水库是一座以防洪为主，结合城镇供水和发电，兼顾灌溉的综合水利枢纽*水库规模为大（2）型，工程等别为'等*水库正常蓄水位为165.0m,总库容为157亿m3*月潭水库电站为坝后式,发电厂房布置于左岸坝后*净水头范围在13.7〜24m,电能加权平均净水头为19.15m,水轮机额定水头为180m,规划设计总装机容量为20MW*该水头段较适合的水轮机型式有轴流转桨式和灯泡贯流式*本文主要通过对该两种机型的布置、投资、施工难度、水轮机效率及机组结构性能等方面进行综合分析和比较,并最终确定合理的水轮机机型*2电站主要技术参数电站装机容量20MW*水库死水位157.0m,汛限水位160.5m,正常蓄水位165.0m,100年一遇设计最高洪水位170.3m,1000年一遇校核标准洪水位为172.1m*发电厂房下游100年一遇下游洪水位为150.9m,正常尾水位为142.6 m,最低尾水位为14100m,最大毛水头为24.0m,加权平均毛水头为19.4m,最小毛水头为14.0m,额定水头为180m*3水轮机机型结构设计3.1轴流转桨式机组结构设计轴流转桨式机组纵轴线与坝轴线距离50.5m,机组安装高程为1385m,基坑开挖高程129.17m,主厂房（含安装间）长48.3m,下部宽23.173m,安装间层以上宽16.2m,高36.2m*副厂房布置于上游侧，长29.3m,宽15.6m,高14.9m*引水道穿越坝体，采用一机一管方式，引水管道直径4.5m,进水口底坎高程为147.0m,高于淤沙高程即146.0m,坝前进水口各设1道拦污栅，孔口宽为6.8m；事故检修闸门孔口尺寸为6.0mX7.0m（宽X高）；电站尾水检修门2扇，孔口尺寸为3.652mX3.598m*坝前拦污栅与检修事故闸门及尾水门采用移动式门机启闭*其具体结构如图1所示*3.2灯泡贯流式机组结构设计灯泡贯流式机组纵轴线与坝轴线距离46.0m,机组安装高程为134.7m,基坑开挖高程1285m,主厂房（含安装间）长46.95m,下部宽32.404m,安装间层以上宽20.9m,高36.6m*副厂房布置于下游侧，长度与主厂房一致，宽7.5m,高10.0m*引水方式和进水口布置与轴流转桨式相同*电站尾水检修门1扇，孔口尺寸5.045mX5.056m*其具体结构如图2所示*4水轮机机型的比较与选择4.1工程投资及施工对比根据两种机型的发电厂房建筑物布置和结构尺寸，分别进行工程量和投资计算，各机型主要工程量及投资对比详见表1*通过表1的对比可知,轴流转桨式的投资比灯泡贯流式少138万元,从投资角度考虑采用轴流转桨式更节省*从施工难度分析,轴流转桨式厂房基坑开挖长度为22373m,灯泡贯流式厂房基坑开挖长度为26.092m,且开挖深度较轴流转桨式加深0.67m*厂房基坑开挖和消力池左边墙必须在一期导流前完成，并利用消力池左边墙作为一期纵向围堰，灯泡贯流式相比轴流转桨式增加了一期施工难度和风险*经对比轴流转桨式比较合适*收稿日期:2020-06-09；修改日期:2020-06-27作者简介:程琼（1964—）,男，安徽歙县人，高级工程师. 1092《工程与建设》2020年第34卷第6期工程设程琼:浅谈月潭水库工程水轮机选型设计图1轴流转桨式机组结构布置图图2灯泡贯流式机组结构布置图《工程与建设》2020年第34卷第6期1093rz程设程 琼:浅谈月潭水库工程水轮机选型设计表1发电厂房型式投资比较表部位项目单位工程量轴流转桨式灯泡贯流式发电引水管道混凝土万m3049054钢筋t 38614247钢管t21642077分部投资万元761806厂房及开关站、尾水渠土方开挖万 m 3034040石方开挖万 m 3406487混凝土万 m 3159153钢筋t85878244分部投资万元18751998尾水门t600582启闭机台11分部投资万元161159机电设备万元17621734总投资万元45594697投资相差万元1384.2机组结构性能对比灯泡贯流式机组在超低水头段的优势相对较明显，《水力发电厂机电设计规范M DL/T 5186-2004）中也规定“对于最 大水头20 m 及以下的径流式水电厂，宜优先选用贯流式水轮机。
