水電站工程水力機械設(shè)計與優(yōu)化分析

謝豫

水力機械是水電站建設(shè)中的重要組成部分，在建設(shè)過程中水力機械的運行特點和功能應(yīng)當(dāng)滿足水力建設(shè)的客觀需求，在這一要求之下，針對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行一定的優(yōu)化是當(dāng)前發(fā)展建設(shè)中的客觀需求。針對實際使用目的對水力機械進(jìn)行設(shè)計上的優(yōu)化可以提升運行效率，降低水力機械運行中出現(xiàn)故障的可能性，對水電站的運行效率以及運行壽命有著直接的影響。

1 水輪機的機械設(shè)計

在針對水輪機進(jìn)行機械設(shè)計優(yōu)化的過程中，設(shè)計人員要對水電站的運行需求有清晰的了解，針對實際用途來選擇不同的水輪機結(jié)構(gòu)以及材料，保證水輪機的功能和運行效率滿足實際生產(chǎn)建設(shè)的需求。

1.1 水輪機的機型選擇

在水電站的水輪機選擇過程中，技術(shù)人員要跟據(jù)水電站的生產(chǎn)需求、水頭利用情況、電站的發(fā)電效率等因素，對機型進(jìn)行合理選擇。影響水輪機選擇的因素除了生產(chǎn)效率之外，技術(shù)人員還要考慮運行過程中的成本對生產(chǎn)過程的影響，消耗過多的機型不適合在中小型水電站之中進(jìn)行使用。一般在選擇過程中，水頭在10～25m、40～80m以及100～700m范圍之內(nèi)的水電站可以選擇燈泡貫流式或是軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機，保證發(fā)電效果。

1.2 根據(jù)技術(shù)參數(shù)確定水輪機

借助水輪機運行中的綜合性能公式以及水電站建設(shè)中的參數(shù)可以確定適合使用的水輪機類型，在使用過程中水輪機的水頭可以得出水輪機所需的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而技術(shù)人員可以對其發(fā)電效率以及高度進(jìn)行計算，確定其是否滿足實際建設(shè)需求，根據(jù)實際參數(shù)和水電站的建設(shè)需求來確定水輪機機械設(shè)計過程，保證使用質(zhì)量[1]。

1.3 轉(zhuǎn)輪和主軸

在水輪機的轉(zhuǎn)輪部分，技術(shù)人員需要根據(jù)水電站的生產(chǎn)需求確定轉(zhuǎn)輪不同部分的材質(zhì)以及轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)，在加工過程中，部分水輪機的轉(zhuǎn)輪直徑較大，加工精度要求高，在設(shè)計中一般會將這類轉(zhuǎn)輪使用組合式的生產(chǎn)方式進(jìn)行生產(chǎn)和焊接組裝，方便運輸過程的進(jìn)行。當(dāng)前水輪機的主軸一般使用抗重螺栓等材料，其可以承受較大的水壓，適合在水電站之中進(jìn)行使用，保證了轉(zhuǎn)輪主軸受力的均勻，可以有效延長水輪機的使用壽命。

1.4 座環(huán)和蝸殼

在當(dāng)前水輪機的設(shè)計過程中，座環(huán)結(jié)構(gòu)一般是上下環(huán)結(jié)構(gòu)，采用平板焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，有效的利用了各個部分的鋼板厚度優(yōu)勢，改善了使用過程中座環(huán)的受力情況。在實際生產(chǎn)過程中為了優(yōu)化座環(huán)的受力情況一般會使用專用設(shè)備加強座環(huán)的結(jié)構(gòu)。蝸殼是為了保證水輪機的結(jié)構(gòu)完整性，因此在使用中應(yīng)當(dāng)選擇結(jié)構(gòu)強度較高、耐壓性較強的材料，在實際生產(chǎn)中常會使用低碳高強度鋼板等材料。

2 水電站輔助水力機械系統(tǒng)中水系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 技術(shù)供水方式的設(shè)計

在技術(shù)供水方式的設(shè)計過程中，由于當(dāng)前水電站建設(shè)中要求節(jié)能化生態(tài)化建設(shè)，因此，設(shè)計人員要考慮節(jié)能理念的實施，在設(shè)備設(shè)計中，生態(tài)節(jié)能理念的主要實施方式就是在設(shè)備的選擇以及使用上提升機械系統(tǒng)的運行功率，一般在實際設(shè)計中會通過增大水流的流速來提升發(fā)電量和發(fā)電效率。

當(dāng)前水電站在建設(shè)過程中使用的機械設(shè)備在運行過程中常會出現(xiàn)故障，無法滿足我國水力發(fā)電過程的持續(xù)性運行需求，因此降低了水電站的發(fā)展效率，無法實現(xiàn)長時間的持續(xù)發(fā)電。為了避免水流因素等影響發(fā)電效果，在實際設(shè)計中會在水電站之中使用水泵等設(shè)備，水泵的使用會增加機械設(shè)備的能耗，也會影響水電站的發(fā)電效率。因此，針對發(fā)電效率和故障問題對水電站運行的影響，技術(shù)人員可以選擇進(jìn)口設(shè)備完成發(fā)電。

要保證水電站運行過程中的發(fā)電目標(biāo)，生產(chǎn)人員要實際發(fā)電中應(yīng)當(dāng)執(zhí)行國家統(tǒng)一的水電工程管理標(biāo)準(zhǔn)，在實際運行過程中，技術(shù)參數(shù)和制造過程不滿足管理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備會直接影響水電站的運行效率和穩(wěn)定性，管理人員在設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮實際使用過程中的環(huán)境等因素的影響，嚴(yán)格按照國家規(guī)范進(jìn)行設(shè)備的選擇和使用。

2.2 管道閥門設(shè)計

在水電站的運行過程中，閥門是控制水流的主要設(shè)施，由于在運行過程中閥門需要完成導(dǎo)通功能，因此，設(shè)計人員需要保證閥門的動力，且為了滿足當(dāng)前的節(jié)能設(shè)計需求，閥在閥門設(shè)計中要盡量降低導(dǎo)通中的壓力，降低能量消耗。在設(shè)計中還應(yīng)考慮閥門使用中的檢修任務(wù)進(jìn)行的防變形，設(shè)計人員要結(jié)合工程的機械結(jié)構(gòu)等進(jìn)行施工安裝的規(guī)劃，并根據(jù)運行效率選擇生產(chǎn)材料。為了提升管道閥門運行的可靠性，降低出現(xiàn)故障的頻率，當(dāng)前的閥門一般采取自流供水方式，在生產(chǎn)中也會使用不銹鋼閥門來避免實際使用中的損壞[2]。

3 水電站輔助水力機械系統(tǒng)中油系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 絕緣油系統(tǒng)

在水電站輔助機械設(shè)備之中使用的絕緣油主要是人工合成物質(zhì)，在發(fā)電過程中可以起到較好的絕緣作用，其流動性可以使對大范圍的設(shè)備起到絕緣作用，相較于傳統(tǒng)的絕緣材料，其具備較大的優(yōu)勢。由于水電站在運行中使用的設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且體積較大，為了防止日常故障影響到生產(chǎn)效率，在設(shè)備的選擇上一般會使用具備較長免檢修時間的設(shè)備，其內(nèi)部的絕緣油可以避免和外界產(chǎn)生接觸，具備較長的使用時間。在水電站的絕緣系統(tǒng)的設(shè)計中，技術(shù)人員可以忽略絕緣油的排出設(shè)計，針對獨立性較強的水電站，在實際設(shè)計中可以通過絕緣油庫或是處理室對設(shè)備進(jìn)行絕緣保障處理，針對大型水電站，在設(shè)計中，絕緣油庫應(yīng)當(dāng)盡量靠近生產(chǎn)用油設(shè)備，降低設(shè)備運行中的耗能，滿足國家生態(tài)建設(shè)建設(shè)需求。

3.2 透平油系統(tǒng)

透平油在機械設(shè)備的運行過程中的主要作用是潤滑，避免了設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于運行中的摩擦出現(xiàn)損壞，延長機械設(shè)備的使用壽命。在設(shè)備的設(shè)計過程中，設(shè)計人員要保證透平油系統(tǒng)的運行靈活性，確保透平油可以達(dá)到設(shè)備的各個部分，實現(xiàn)潤滑目的。一般在設(shè)計過程中，透平油系統(tǒng)一般是循環(huán)系統(tǒng)，在實際運行中將潤滑油在設(shè)備的內(nèi)部進(jìn)行流動，優(yōu)化了潤滑效果。在潤滑油流動期間，設(shè)備內(nèi)部運行中產(chǎn)生的污染物會隨著潤滑油的流動而流動，進(jìn)而降低潤滑油的實際效果，因此在實際使用中要定期對透平油系統(tǒng)中的潤滑油進(jìn)行更換[3]。為了方便更換過程，設(shè)計人員會在排油口位置安裝廢棄液體收集裝置，幫助液體在設(shè)備內(nèi)部的流動。針對大型水力發(fā)電站點，在其機械設(shè)備的設(shè)計過程中一般會以設(shè)備的檢修維護(hù)功能為主要的依據(jù)進(jìn)行機械設(shè)備的設(shè)計，以便于提升機械設(shè)備配置的全面性。此外，在透平油系統(tǒng)的設(shè)計和布置過程中，技術(shù)人員要保證其滿足國家的防火規(guī)范要求，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)針對容易出現(xiàn)意外事故的濾紙以及烘箱電源進(jìn)行合理設(shè)計，保證其在室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行放置，避免出現(xiàn)意外火災(zāi)，造成水電站的設(shè)備損失。在油庫的布置設(shè)計過程中，技術(shù)人員要保證排油閥和油罐之間的距離，保證生產(chǎn)安全。

4 結(jié)束語

綜上所述，在水電站的機械設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計過程中，設(shè)計人員要了解優(yōu)化設(shè)計工作對于水力發(fā)電效率以及發(fā)電過程的安全性的影響，設(shè)計人員要從多個方面進(jìn)行水電輔助機械設(shè)備的設(shè)計，降低水電站運行中的成本，方便設(shè)備的檢修過程，推動我國水力發(fā)電事業(yè)的建設(shè)。

[1]姚建國，朱惠君，武賽波，等.糯扎渡水電站水力機械設(shè)計的主要特點[J].水力發(fā)電，2012（09）：79～82+99.

[2]吳宏軒.思林水電站推力軸承及導(dǎo)瓦安裝施工工藝改進(jìn)[J].貴州水力發(fā)電，2010（03）：63～66.

[3]楊永棟.淺析水電站工程水力機械設(shè)計與優(yōu)化[J].黑龍江科技信息，2014（09）：6.