淺析水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)

張強(qiáng)

摘要：水輪發(fā)電機(jī)時(shí)指以水輪機(jī)為原動(dòng)機(jī)將水能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機(jī)。水流經(jīng)過水輪機(jī)時(shí)，將水能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)軸又帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能而輸出。本文以對X水電站調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析為例。從初步選擇，對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合比較，到選定最優(yōu)方案，確定水輪機(jī)型號HLA511-LJ-410、選擇4臺(tái)機(jī)組，來介紹水輪機(jī)選型方法。

一、水輪機(jī)類型的確定

由所給出的原始數(shù)據(jù)克制水輪機(jī)的運(yùn)行水頭范圍為52-76米，則可供選擇的水輪機(jī)型式有混流式、斜流式以及軸流轉(zhuǎn)漿式三種。斜流式水輪機(jī)適用于水頭變幅大的電站，轉(zhuǎn)輪葉片可以轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)雙重調(diào)節(jié)，處于高效率區(qū)的流量和出力范圍大，效率曲線比較平坦。但目前由于其制造工藝復(fù)雜，技術(shù)要求高，故很少使用。而混流式水輪機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠、效率高，能適應(yīng)很寬的水頭范圍等特點(diǎn)，技術(shù)十分成熟，是目前國際國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的水輪機(jī)機(jī)型，安裝檢修均具有強(qiáng)有力的技術(shù)保障，且由于本次設(shè)計(jì)的電站水頭變化范圍較小，且負(fù)荷變化較大，故決定采用混流式水輪機(jī)。

根據(jù)原始資料中的最高水頭76米，查《混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型譜參數(shù)表》，經(jīng)過初步比較判斷選擇6個(gè)型號的轉(zhuǎn)輪，其詳細(xì)參數(shù)見下表

經(jīng)過對這幾個(gè)機(jī)型的參數(shù)的初步比較，可以看出A511-35型、HL220.46型及A248-35型模型水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的單位轉(zhuǎn)速、單位流量、最高效率以及限制工況點(diǎn)的單位流量均比較高，且高效率區(qū)較寬，可使原型機(jī)獲得較高的轉(zhuǎn)速和較大的通過流量，從而在相同出力的情況下縮小機(jī)組的尺寸，同時(shí)模型機(jī)的氣蝕系數(shù)較小，有利于電站的穩(wěn)定運(yùn)行，故選取上述三個(gè)水輪機(jī)機(jī)型進(jìn)行計(jì)算.

二、機(jī)組臺(tái)數(shù)的確定

由原始資料可知，該水電站的裝機(jī)容量為280MW，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在合理要求的情況下，可采用3 臺(tái)、4臺(tái)、5 臺(tái)機(jī)組的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算比較。

三、水輪及裝置方式的確定

設(shè)計(jì)電站的最大水頭是76米，且裝機(jī)容量屬于大機(jī)組，故應(yīng)按立式布置方式。

四、水輪機(jī)選型計(jì)算

分別對以上九個(gè)方案進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定各模型轉(zhuǎn)輪型號的最優(yōu)方案。確定轉(zhuǎn)輪直徑和同步轉(zhuǎn)速等參數(shù)，步驟如下：

（1）、根據(jù)電站的總裝機(jī)容量及其機(jī)組的臺(tái)數(shù)，確定單機(jī)的出力Nr，然后計(jì)算轉(zhuǎn)輪直徑D1，最后根據(jù)算出的轉(zhuǎn)輪直徑，查水輪機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)直徑D1；

（2）、原型水輪機(jī)的最高效率ηT0的計(jì)算，計(jì)算效率修正值確定△η，最后求出原型機(jī)的效率ηT，并判斷單位參數(shù)是否需要修正；

（3）、計(jì)算單位轉(zhuǎn)速的修正值△n并判斷其否需要修正，然后計(jì)算原型機(jī)最優(yōu)工況下的單位轉(zhuǎn)速（n110）T，并根據(jù)其計(jì)算值確定標(biāo)準(zhǔn)值（與發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速一致）；

（4）、在各水頭下計(jì)算模型機(jī)的轉(zhuǎn)速，畫線看轉(zhuǎn)速是否通過高效率區(qū)；

（5）、計(jì)算水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭下的出力pr和最小水頭小的出力pmin，判斷出力是否滿足pmin

（6）、根據(jù)以上指標(biāo)綜合考慮，選擇方案二，方案五，方案七

五、待選方案的綜合比較

結(jié)合運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線對各水輪機(jī)的各項(xiàng)綜合指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算及比較，最終確定水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號。其中，所計(jì)算的指標(biāo)主要有：

1、吸出高度：水輪機(jī)的吸出高度Hs是指下游水面至轉(zhuǎn)輪葉片上壓力最低點(diǎn)之間的距離，是一個(gè)相對值，直接關(guān)系著水輪機(jī)的氣蝕性能

2、比轉(zhuǎn)速：與水輪機(jī)的運(yùn)行工況有著密切的聯(lián)系，其下限受能量指標(biāo)（出口動(dòng)能損失）的限制，上限受到氣蝕條件的限制。

3、平均效率：機(jī)組平均效率是衡量機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，機(jī)組的平均效率越高，其經(jīng)濟(jì)性就越好，工作在高效率區(qū)的機(jī)率就越高。

4、飛逸轉(zhuǎn)速：飛逸轉(zhuǎn)速是衡量機(jī)組安全性的重要指標(biāo)。

5、受阻容量：機(jī)組受阻容量為單臺(tái)機(jī)組容量與最小水頭下機(jī)組的最大出力之間的差值。

由運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線可看出，方案七的高效率區(qū)明顯少于其他兩個(gè)方案，所以最終只對方案二和方案五進(jìn)行綜合比較。

從表1-5比較看出HL511-LJ-410型的平均效率、最高效率、吸出高度、安裝高程和比轉(zhuǎn)速都比HL220-LJ-410型大，且飛逸轉(zhuǎn)數(shù)和受阻容量相差不大，所以選擇HL511-LJ-410型水輪機(jī)。

結(jié)束語

電力系統(tǒng)對不同水電站有不同要求，例如基荷、腰荷、調(diào)頻、調(diào)峰、事故備用或幾項(xiàng)組合，每個(gè)電站機(jī)組的實(shí)際情況不一樣，如機(jī)組結(jié)構(gòu)、監(jiān)控信號、頻率、水頭、操作要求等，這些都對水輪機(jī)的造型要求不同。因此，需要從多方面進(jìn)行水輪機(jī)的選擇和使用，在滿足“可靠性、靈敏性、穩(wěn)定性”的基礎(chǔ)上考慮水電站發(fā)展的需要，包括建設(shè)智能化、數(shù)字化水電站，滿足和適應(yīng)當(dāng)前技術(shù)及發(fā)展的需要，保證水電站的安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

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