淺談小型水電站機(jī)組選型設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題

姜仁義（常德市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南常德415000）

淺談小型水電站機(jī)組選型設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題

姜仁義（常德市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南常德415000）

在小型水電站的開(kāi)發(fā)建設(shè)過(guò)程中，機(jī)組的選擇逐漸成為工程投資的熱點(diǎn)之一，在實(shí)際建設(shè)中往往由于水輪發(fā)電機(jī)組選型不當(dāng)問(wèn)題，導(dǎo)致電站效益不盡理想。本文探討了小型水電站機(jī)組選型設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)，以供參考。

小型水電站；機(jī)組；選型設(shè)計(jì)

1 引言

水力發(fā)電過(guò)程中，設(shè)計(jì)水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)合理性至關(guān)重要，其特性方面的優(yōu)劣將會(huì)直接影響到水電站整體運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性，因而是控制水電站運(yùn)營(yíng)質(zhì)量的重要因素?？梢?jiàn)，必須結(jié)合相應(yīng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)合理選擇機(jī)組，采用適合的水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組設(shè)備，從而保障小型水電站的日常順利運(yùn)行。

2 小型水電站機(jī)組選型設(shè)計(jì)概述

2.1 水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)概述

因?yàn)樗娬舅诘夭煌渌Y源、開(kāi)發(fā)利用情況必然存在差異，而水電站本身的設(shè)計(jì)也因地制宜，尤其是工作水頭、引用流量范圍等，需要依據(jù)實(shí)際情況而定。而水輪機(jī)在自身能量特性、汽蝕特性與強(qiáng)度條件的限制下，所能夠適用的水頭、流量范圍均較窄，水輪機(jī)僅能在適用區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。為確保水電站的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)安全與高效率，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)全面了解各種不同類型水輪機(jī)的技術(shù)參數(shù)、性能特點(diǎn)，從而根據(jù)電站基礎(chǔ)資料，結(jié)合工程的總體布置、水輪機(jī)特性等，進(jìn)行技術(shù)方案的綜合比較，最終選擇資源利用率高、投資省、收益高的最優(yōu)選型方案。

2.2 常見(jiàn)水輪機(jī)機(jī)型

小型水輪機(jī)的選擇，在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)尤其注意根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，通過(guò)詳細(xì)、客觀的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較之后才能確定。

2.2.1 燈溝貫流式水輪機(jī)

我國(guó)近年來(lái)，在燈溝貫流式水輪機(jī)的發(fā)展較為顯著，很多工程中經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)用表明，在水頭低于25m的情況下，燈泡貫流式水輪機(jī)同軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)相比，有非常明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。燈泡貫流式機(jī)組的結(jié)構(gòu)形式，與常規(guī)的立軸機(jī)組存在較大的差異，尤其是在運(yùn)行、檢修、管理方式上有諸多不同，是否采用需要結(jié)合實(shí)際，征求業(yè)主單位的意見(jiàn)。

2.2.2 軸流式水輪機(jī)

軸流式水輪機(jī)包括兩種，即轉(zhuǎn)槳式與定槳式。在小型水電站建設(shè)中，軸流定槳式水輪機(jī)的運(yùn)用很多，其主要優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，且不存在轉(zhuǎn)輪漏油方面的問(wèn)題。

2.2.3 混流式水輪機(jī)

在低水頭中、小電站中，混流式水輪機(jī)的使用也較為普遍。雖然混流式水輪機(jī)的機(jī)組選價(jià)相對(duì)較高，但其空化性能較好，且機(jī)組的安裝高程較高，能夠大大節(jié)約土建投資。

2.2.4 水斗式水輪機(jī)

80年代以前，由于受到設(shè)計(jì)、制造、材料水平方面的限制，我國(guó)的高水頭混流式水輪機(jī)運(yùn)行仍然存在很多問(wèn)題。

3 小型水電站機(jī)組的選型原則與方法

3.1 水輪機(jī)選型原則

（1）預(yù)先檢測(cè)設(shè)計(jì)水頭下所發(fā)出的額定出力，如果實(shí)際低于設(shè)計(jì)水頭，則所設(shè)計(jì)的機(jī)組受阻容量應(yīng)當(dāng)盡可能小，使水輪機(jī)能夠發(fā)揮其最大效率。

（2）機(jī)組參數(shù)和水電站的基本參數(shù)應(yīng)當(dāng)彼此適應(yīng)。由于每一種型號(hào)的水輪機(jī)都有自身所適用的水頭范圍，其水頭上限則主要是根據(jù)該型水輪機(jī)的強(qiáng)度、汽蝕條件進(jìn)行制定的；而下限則需要充分考慮能夠使水輪機(jī)運(yùn)行效率不會(huì)過(guò)低。由最大水頭計(jì)算飛逸轉(zhuǎn)速，控制在配套發(fā)電機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速值以下。

（3）在同等水頭的情況下，選擇水輪機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)較高的，或選擇配套發(fā)電機(jī)造價(jià)較低，允許吸出高程較大的，并且以轉(zhuǎn)輪直徑小的水輪機(jī)為宜，汽蝕系數(shù)小且性能較為穩(wěn)定。

（4）機(jī)組臺(tái)數(shù)要求能夠適應(yīng)運(yùn)行的靈活性要求，確保機(jī)組在高效率區(qū)的運(yùn)，通常以2～4臺(tái)為宜。

（5）如果同一電站有多種機(jī)型方案可供選擇，則需要視電站具體情況進(jìn)行方案綜合比較，以選擇最適合的水輪機(jī)機(jī)型。發(fā)電機(jī)則通常是由水輪機(jī)制造廠配套供應(yīng)的，其選型應(yīng)當(dāng)與水輪機(jī)的選擇同步。

3.2 水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)方法

在針對(duì)小型水電站的水輪機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常運(yùn)用“查表套用法”，其使用方法簡(jiǎn)單，而水輪機(jī)型號(hào)的選擇重點(diǎn)是取決于水頭設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員則應(yīng)當(dāng)依據(jù)水輪機(jī)生產(chǎn)廠家所提供的“水輪機(jī)產(chǎn)品目錄”中，所列的各類機(jī)型水輪機(jī)性能配套表參數(shù)，嚴(yán)格按照“水輪機(jī)選型原則”，確定水輪機(jī)與發(fā)電型號(hào)選擇。

4 水輪發(fā)電機(jī)組選型設(shè)計(jì)實(shí)例分析

某水電站的位置處于某河流中上游，距離上游的縣城約35km，當(dāng)?shù)亟煌l件便利。該電站的最大水頭為16.67m，其加權(quán)平均水頭則為14.21m，最小水頭是10.07m，屬于低水頭工程。而電站的總裝機(jī)容量是18MW，多年平均發(fā)電量達(dá)到8644萬(wàn)kW·h。

4.1 水輪機(jī)額定水頭的確定

設(shè)計(jì)水輪發(fā)電機(jī)組時(shí)，依據(jù)該電站電能加權(quán)平均水頭14.21m，結(jié)合電站動(dòng)能參數(shù)指標(biāo)和“日平均流量對(duì)應(yīng)水頭關(guān)系系列表”，充分考慮到當(dāng)?shù)匮雌跐M發(fā)運(yùn)行需要，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算可確定水輪機(jī)的額定水頭設(shè)計(jì)為13m。

4.2 水輪機(jī)參數(shù)確定

4.2.1 水輪機(jī)比速系數(shù)及比轉(zhuǎn)速的選擇

為了能夠針對(duì)水輪機(jī)能量、空化以及水利穩(wěn)定性因素進(jìn)行全面的、綜合的衡量，需要以比速系數(shù)及比轉(zhuǎn)速作為綜合技術(shù)指標(biāo)，以反映當(dāng)?shù)厮啓C(jī)的設(shè)計(jì)、制造水平。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，該水電站水輪機(jī)比速系數(shù)k取值在1929～2199之間，相應(yīng)比轉(zhuǎn)速ns值介于535～610m·kW間較為合理。

4.2.2 機(jī)組參數(shù)確定

依據(jù)現(xiàn)有的模型轉(zhuǎn)輪相關(guān)資料，該供電站選擇采用軸流式模型轉(zhuǎn)輪。通過(guò)將現(xiàn)有各轉(zhuǎn)輪參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，處于額定水頭下，各比選轉(zhuǎn)輪都可以發(fā)出額定出力，且水輪機(jī)的運(yùn)行范圍都包括模型曲線高效區(qū)。而在綜合能量特性、空化特性和經(jīng)濟(jì)特性等指標(biāo)上，以ZZ660型號(hào)的轉(zhuǎn)輪為優(yōu)。

4.3 水輪機(jī)型式、單機(jī)容量和機(jī)組臺(tái)數(shù)的確定

該電站水輪機(jī)機(jī)組運(yùn)行水頭設(shè)計(jì)范圍是10.07～16.67m，因而既可采用燈泡貫流式，也可采用軸流式水輪機(jī)。就電站裝機(jī)擬定以下方案，即選擇3臺(tái)單機(jī)容量為6MW的軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組作為最終設(shè)計(jì)方案，具體如下：

采用3臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組方案，設(shè)計(jì)所使用轉(zhuǎn)輪的直徑是2.85m。當(dāng)該地處于枯水季節(jié)時(shí)，電站來(lái)水流量為20m3/s，可確保電站機(jī)組仍然維持穩(wěn)定運(yùn)行（機(jī)組最小發(fā)電流量為17.2m3/s）。采用3臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的方案，其實(shí)際運(yùn)行更為靈活方便，但由于該電站的單機(jī)容量較小、水頭變幅也較小，流量變幅卻較大，因而輔以“兩定一轉(zhuǎn)”裝機(jī)方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)降低電站投資、簡(jiǎn)化運(yùn)行維護(hù)的兼顧，并滿足小流量運(yùn)行要求。

就設(shè)備的制造與實(shí)際運(yùn)行維護(hù)而言，采用軸流機(jī)方案，具備了成熟的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，該方案的機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行范圍較寬，運(yùn)行靈活可靠，單機(jī)故障對(duì)電站運(yùn)行效益影響較小，同時(shí)兼顧電站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性、年發(fā)電效益、運(yùn)行調(diào)度的靈活性和可靠性、機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性及維護(hù)管理方便等因素，該方案為最佳機(jī)組設(shè)計(jì)方案。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在小型水電站的機(jī)組設(shè)計(jì)選擇中，水輪發(fā)電機(jī)組選型將直接影響到最終的水電站投入運(yùn)行穩(wěn)定性與運(yùn)行效益，因此，要求設(shè)計(jì)人員必須在一開(kāi)始就嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)原則，從細(xì)節(jié)出發(fā)，控制好機(jī)組選擇的各個(gè)參數(shù)要求，最終保證機(jī)組的成本最小、效益最大。

［1］孫毅.中小型水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)要點(diǎn)的探討［J］.商品與質(zhì)量·理論研究，2014：56～57.

［2］代朝科.水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)中主要參數(shù)的確定［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015（8）：72～73.

［3］張延鋒，高敏，楊新光，等.超低水頭潮汐電站機(jī)組選型設(shè)計(jì)［J］.西北水電，2014（3）：66～70.

TV734

A

2095-2066（2016）30-0087-02

2016-8-15

姜仁義（1982-），男，工程師，本科，主要從事水利機(jī)械設(shè)計(jì)工作。