若羌河水電站水輪機(jī)主要參數(shù)選擇

【摘要】根據(jù)若羌河水電站工程特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)部分類似電站的水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)，通過計(jì)算和分析初擬水輪機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，為水電站招標(biāo)設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】水電站；水輪機(jī)；參數(shù)選擇

前言

若羌河水電站位于新疆巴音郭楞蒙古自治州若羌縣境內(nèi)，距若羌縣城約36km。工程任務(wù)為灌溉、防洪、供水，兼顧發(fā)電。主要建筑物包括大壩、泄水建筑物、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等。本電站發(fā)電引水系統(tǒng)采用“一洞三機(jī)”布置型式。廠房內(nèi)安裝三臺(tái)臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。電站裝機(jī)容量2.6MW（2×1.0MW+1×0.6MW），年利用小時(shí)數(shù)3908h，年發(fā)電量1016萬kW·h，保證出力0.28MW。最大水頭63.0m，加權(quán)水頭55.25m，額定水頭52.0m，最小水頭36.0m。

1、水輪機(jī)主要參數(shù)選擇

本電站利用水庫調(diào)節(jié)后的下泄水量發(fā)電，所以在汛期內(nèi)水質(zhì)較好，非汛期內(nèi)水質(zhì)較差，泥沙含量較大（多年平均懸移質(zhì)含沙量4.98kg/m3）。因此在水輪機(jī)目標(biāo)參數(shù)選擇時(shí)，應(yīng)選用空化性能優(yōu)秀、穩(wěn)定性能高的轉(zhuǎn)輪，不追求過高的能量指標(biāo)，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)設(shè)計(jì)方案，以降低水輪機(jī)過流部件中的水流速度，減小泥沙對(duì)水輪機(jī)過流部件的損害。

1.1比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)

比轉(zhuǎn)速ns是衡量水輪機(jī)綜合性能的重要指標(biāo)，ns直接反映了水輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造水平及其能量、空蝕性能的優(yōu)劣，比速系數(shù)K（K=ns×Hr0.5）則反映了水輪機(jī)的技術(shù)發(fā)展水平。一般來說，在水頭相同的情況下，選用較高比轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)，可以提高機(jī)組轉(zhuǎn)速、減小機(jī)組尺寸以降低機(jī)組造價(jià)。但水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的提高，往往受到水輪機(jī)效率、運(yùn)行穩(wěn)定性、空化、磨蝕性能以及強(qiáng)度等許多因素的制約。通常采用經(jīng)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)公式來表征比轉(zhuǎn)速與水頭的關(guān)系，并認(rèn)為比速系數(shù)K值是代表比轉(zhuǎn)速的特征參數(shù)。根據(jù)國內(nèi)外制造行業(yè)給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速為174.73～293.65m·kW，相應(yīng)比速系數(shù)范圍為1260～2051.49。

考慮本電站泥沙含量很高，電站長期在低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行，且電站地處邊疆地區(qū)，當(dāng)?shù)氐臋z修能力較差，為保證機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組參數(shù)宜選擇偏低值。

本階段初定比速系數(shù)K取值范圍為1000～1400，相應(yīng)比轉(zhuǎn)速范圍為140～190m·kW。

1.2單位轉(zhuǎn)速n1′和單位流量Q1′的選擇

單位轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)符合比速系數(shù)的水平，從比轉(zhuǎn)速計(jì)算公式ns=3.13n1′（Q1′×η）1/2可以看出，比轉(zhuǎn)速主要由單位轉(zhuǎn)速、單位流量和效率三個(gè)參數(shù)決定。只有選擇合適的單位轉(zhuǎn)速和單位流量，使二者達(dá)到最佳匹配關(guān)系，才能獲得最優(yōu)的水輪機(jī)綜合性能。提高n1′可以減小發(fā)電機(jī)的外形尺寸，降低造價(jià)，有較大的經(jīng)濟(jì)效益，但n1′的提高使水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪過流流速加大，離心力增加，促使葉片應(yīng)力增大，故它又受到轉(zhuǎn)輪葉片強(qiáng)度、泥沙、空蝕、穩(wěn)定性、材質(zhì)等諸多因素的限制。提高Q1′的好處是顯而易見的，它的提高可以減小水輪機(jī)尺寸、提高出力、降低造價(jià)，但Q1′的提高，往往受到空蝕的限制。

綜合以上分析，參照國內(nèi)外相近電站，結(jié)合本電站情況，認(rèn)為n1′和Q1′在如下范圍較為合理：

n1′=65～75r/min

Q1′=0.4～0.5m3/s

1.3效率

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)、性能預(yù)測、穩(wěn)定性分析，效率水平有了很大提高。電站屬于70m水頭段，按目前的效率發(fā)展水平，模型轉(zhuǎn)輪的最高效率不低于90.5%。真機(jī)效率按Moody公式的2/3進(jìn)行修正。真機(jī)額定效率不低于90 %，最高效率不低于91%。

1.4裝置氣蝕系數(shù)和吸出高度

水輪機(jī)裝置氣蝕系數(shù)的確定：選取較大的裝置氣蝕系數(shù)，即選擇較低的水輪機(jī)安裝高程，這樣雖然加大了電站的挖深，造成土建工程量的增加，加大了電站一次性投資，但可以減少水輪機(jī)投運(yùn)后的檢修次數(shù)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)，采用較大的吸出高度，可以減小水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)值，對(duì)提高水輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行大有益處；選取較小的裝置氣蝕系數(shù)，以減少電站的挖深，從而減少電站一次性投資，但機(jī)組投運(yùn)后需要一定的檢修和維護(hù)費(fèi)用。

2本電站水輪機(jī)目標(biāo)參數(shù)

根據(jù)上述選擇分析，本水電站水輪機(jī)的參數(shù)范圍選擇如下：

推薦本電站水輪機(jī)模型參數(shù)如下：

比轉(zhuǎn)速ns 140～190m·kW

比速系數(shù)K 1000～1400

最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n1′ 65～75r/min

限制單位流量Q1′ 0.4～0. 5m3/s

水輪機(jī)模型最高效率ηMmax ≥90.5%

空蝕系數(shù)0.068～0.147

根據(jù)本電站水輪機(jī)目標(biāo)參數(shù)范圍，本階段暫按A215轉(zhuǎn)輪進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和廠房布置設(shè)計(jì)。

3、結(jié)語

水輪機(jī)參數(shù)選擇，直接影響到電站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和今后運(yùn)行的安全可靠性。水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)的選擇應(yīng)在確保機(jī)組穩(wěn)定可靠的前提下，使水輪機(jī)的性能較為先進(jìn)，符合國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展水平，而且參數(shù)之間達(dá)到總體的最優(yōu)配合。

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作者簡介：徐富龍，男，（1989.09-）， 新疆哈密人，畢業(yè)于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，本科，助理工程師，主要從事水電站水力機(jī)械設(shè)計(jì)。