水電站水力機(jī)械設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

姚 杰

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 611130）

縱觀我國(guó)水電站領(lǐng)域的水力機(jī)械發(fā)展進(jìn)程可知，現(xiàn)階段已經(jīng)形成較為先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念及配套技術(shù)，其對(duì)于提高水電站水力機(jī)械的設(shè)計(jì)水平而言具有關(guān)鍵作用。作為技術(shù)人員，需要正確認(rèn)識(shí)水力機(jī)械設(shè)計(jì)工作，梳理設(shè)計(jì)思路，精準(zhǔn)把握設(shè)計(jì)要點(diǎn)，充分提高設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 水電站水輪機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

水輪機(jī)作為水電站水力機(jī)械的重要組成“元素”，設(shè)計(jì)方案必須具有可行性，應(yīng)當(dāng)以統(tǒng)籌兼顧的理念做好設(shè)計(jì)工作，體現(xiàn)在機(jī)型、轉(zhuǎn)輪、主軸導(dǎo)軸承、座環(huán)與蝸殼等方面。

1.1 水輪機(jī)的選型方法

水電站的建設(shè)規(guī)模、運(yùn)行環(huán)境等方面均具有獨(dú)特性，對(duì)水輪機(jī)的要求也不盡相同，需要立足實(shí)際條件，選擇合適型號(hào)的水輪機(jī)，使其能夠適應(yīng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境。在選擇水輪機(jī)發(fā)電設(shè)施時(shí)，必須充分考慮多方面的要求，例如水資源的利用水平、水輪機(jī)內(nèi)部機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、電站的運(yùn)行效率等。在保證水輪機(jī)滿足基本工程需求的前提下，盡可能減少其建設(shè)及運(yùn)維階段的成本投入，提高經(jīng)濟(jì)效益。

以混流式水輪機(jī)為例，根據(jù)其額定水頭，能夠確定額定比轉(zhuǎn)速的上限，而在得到額定比轉(zhuǎn)速的具體值后，根據(jù)需求進(jìn)一步得到臨界空化系數(shù)和電站空化系數(shù)，對(duì)高度做出判斷，即是否滿足設(shè)計(jì)要求。過(guò)機(jī)水流所含泥沙量、運(yùn)行水頭變幅等均是關(guān)鍵參數(shù)，具有重要的參考價(jià)值，有利于修正額定比轉(zhuǎn)速，提高該項(xiàng)指標(biāo)的合理性。確定修正數(shù)據(jù)后，組織有關(guān)于水輪機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)工作，確定合適規(guī)格的水輪機(jī)，確保能夠高效運(yùn)行。

1.2 轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)

以水輪機(jī)的使用功率為參考，組織轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)工作，著重考慮轉(zhuǎn)片的角度、尺寸的優(yōu)化，盡可能提高轉(zhuǎn)輪運(yùn)行的順暢性，減小損耗。若水電站建設(shè)規(guī)模較大，則對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的配套提出較高要求，所需設(shè)施的規(guī)格偏大，宜將結(jié)構(gòu)拆分為多個(gè)細(xì)分部分，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后根據(jù)技術(shù)要求組裝成型，試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并處理，直至轉(zhuǎn)輪高效運(yùn)行為止。轉(zhuǎn)輪的輔機(jī)需要具有足夠的性能優(yōu)勢(shì)，在主體結(jié)構(gòu)安裝到位后方可安裝。

1.3 主軸導(dǎo)軸承的設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，主軸導(dǎo)軸承主要應(yīng)用的是抗重螺栓，針對(duì)主軸采取密封處理措施后，有利于改善主軸的使用條件，提高受力的均勻性，較為合適的是水壓斷面密封的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，兼具維持水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性、提高耐久性的雙重應(yīng)用效果。

1.4 座環(huán)與蝸殼的設(shè)計(jì)

水電站水輪機(jī)的座環(huán)普遍采用上下環(huán)與固定導(dǎo)葉的平板焊接結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)在于能夠有效彰顯抗撕裂厚鋼板的性能優(yōu)勢(shì)，通過(guò)圓弧形導(dǎo)流環(huán)的輔助應(yīng)用，有效改善流態(tài)。對(duì)于蝸殼的設(shè)計(jì)，則需要注重結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)等方面，應(yīng)當(dāng)具備抗壓、穩(wěn)定等多重要求，例如低碳高強(qiáng)度鋼板是較為可行的蝸殼材質(zhì)。

2 輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

除水電站的核心水力機(jī)械外，還配套一系列的輔助系統(tǒng)，對(duì)于主要機(jī)械乃至整個(gè)水電站的運(yùn)行而言起輔助作用，若能合理設(shè)計(jì)，則有利于提高整體效益。輔助系統(tǒng)涵蓋的內(nèi)容較多，包含供水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)等。在設(shè)計(jì)時(shí)，既要保證各子系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，又要考慮子系統(tǒng)間的協(xié)同運(yùn)行需求，即各系統(tǒng)共同配合，構(gòu)筑完善且可行的整體大系統(tǒng)。

2.1 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）供水系統(tǒng)。作用在于冷卻及潤(rùn)滑機(jī)組，要求水量和水質(zhì)均滿足要求。在傳統(tǒng)技術(shù)方式下，取水來(lái)源主要為電站尾水、上游水庫(kù)取水等，但在技術(shù)水平日益提高、產(chǎn)品類別隨之豐富的行業(yè)環(huán)境中，取水來(lái)源途徑擴(kuò)寬，例如地下水、山溪水等均得到廣泛應(yīng)用，具體可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水文條件選定合適的供水方式。

（2）排水系統(tǒng)。作用在于進(jìn)行機(jī)組檢修和廠房的滲漏排水。核心組成有集水井、排水設(shè)備，具體包含射流泵、立式深井泵等。通過(guò)各類基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)同運(yùn)行，發(fā)揮出排水系統(tǒng)應(yīng)有的功能。

（3）壓縮空氣系統(tǒng)。作用在于向油壓裝置和檢修裝置補(bǔ)氣。通常選擇的是自動(dòng)補(bǔ)氣裝置，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于集成自動(dòng)控制、水汽分離等多種功能，有利于提高供氣的質(zhì)量，且精簡(jiǎn)硬件配置，僅需相對(duì)較少的設(shè)備便可以滿足多方面的功能需求，經(jīng)濟(jì)效益突出。

2.2 供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

水電站全年運(yùn)行中，不同季節(jié)的運(yùn)行環(huán)境有所差異，導(dǎo)致冷卻器的用水要求不盡相同。為增強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，可針對(duì)各時(shí)段匹配相適應(yīng)的供水方式。若水含沙量較小，較為適宜的是蝸殼單元自流供水模式，將其作為主供水水源，備用水源可以選擇壩前工業(yè)取水口處的水，在濾水器的過(guò)濾作用下，將處理后的水供入冷卻器內(nèi)。

對(duì)于主軸密封用水，該部分來(lái)自壩頂?shù)母呶凰兀ㄖ魉矗?，得到減壓閥減壓處理后，可以轉(zhuǎn)至軸封內(nèi)，備用水源可以選擇壩前庫(kù)水[1-3]。庫(kù)水含沙量較大時(shí)，容易發(fā)生淤堵現(xiàn)象，例如冷卻器堵塞，考慮到此問(wèn)題，可以為各機(jī)組適配專用的清潔水池，產(chǎn)生的清潔水在清水泵加壓泵送后轉(zhuǎn)移至冷卻器中。運(yùn)行期間冷卻器排出的水則統(tǒng)一流入防堵型水-水熱交換器內(nèi)，對(duì)排出的高溫水予以冷卻，待溫度降低至許可范圍后，送回清水池進(jìn)一步使用，構(gòu)成循環(huán)機(jī)制，充分提高水資源的利用效率。

2.3 水力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

水力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有持續(xù)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)記錄、高效整合數(shù)據(jù)等功能，以各類功能需求為導(dǎo)向，合理設(shè)計(jì)。從組成看，全廠性和機(jī)組段的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為關(guān)鍵部分，各自均有獨(dú)特的運(yùn)行特點(diǎn)，系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 水利監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

全廠性水力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)對(duì)象包含上下游水位、電站水頭、庫(kù)水含沙量、攔污柵壓差等。部分水電站存在泥沙含量較高的特點(diǎn)，需要加強(qiáng)對(duì)泥沙含量的監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)根據(jù)實(shí)際情況采取控制措施，避免出現(xiàn)泥沙淤堵問(wèn)題。對(duì)此，可以適配吹氣式水位監(jiān)測(cè)裝置，除了提供監(jiān)測(cè)功能外，還具備防泥沙淤堵、含沙量修正多重功能。

機(jī)組段水力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)對(duì)象包含進(jìn)出口壓力、過(guò)機(jī)含沙量、流量、水輪機(jī)凈水頭、機(jī)組各組成裝置的振動(dòng)擺度等。

2.4 油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

油系統(tǒng)的核心組成包含抽油泵、存儲(chǔ)裝置、輸送設(shè)備。油的過(guò)濾輸送處理過(guò)程中，將由多臺(tái)設(shè)備協(xié)同參與，為提高運(yùn)行的秩序性，需在各設(shè)備的控制端接入連接線，構(gòu)成完善的整體系統(tǒng)，由內(nèi)部設(shè)備共同運(yùn)行，完成處理工作。油系統(tǒng)的內(nèi)部組成中，要求部分設(shè)備具有移動(dòng)功能，以滿足各角度下的傳輸需求。油系統(tǒng)對(duì)接控制中心，接收到特定的指令后，啟用系統(tǒng)內(nèi)部的相應(yīng)設(shè)備，進(jìn)行特定的操作[4]。

2.5 氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣系統(tǒng)包含兩個(gè)細(xì)分子系統(tǒng)，即中、低壓氣系統(tǒng)。其中，中壓氣系統(tǒng)的關(guān)鍵功能在于給供油壓裝置充氣、補(bǔ)氣，硬件方面可以配置1 m3、4.5 MPa的貯氣罐。對(duì)于低壓氣系統(tǒng)，主要為機(jī)組的制動(dòng)、復(fù)位用氣，可以配置3 m3、0.8 MPa的貯氣罐，用氣從供氣總管上引出。

3 主廠房的設(shè)計(jì)

水力機(jī)械設(shè)計(jì)中，主廠房的設(shè)計(jì)也是不容忽視的內(nèi)容，重要性體現(xiàn)在兩個(gè)方面。

（1）從水電站的結(jié)構(gòu)組成關(guān)系看，主廠房是控制核心，充當(dāng)“主角”。

（2）主廠房的硬件設(shè)計(jì)指標(biāo)關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，影響到其他設(shè)備的參數(shù)指標(biāo)，因此需要提高主廠房的設(shè)計(jì)水平，保證與其他設(shè)備協(xié)同運(yùn)行。

在主廠房的設(shè)計(jì)中，高程、規(guī)模需具有合理性，具體應(yīng)當(dāng)考慮到廠房?jī)?nèi)部各機(jī)組設(shè)備因素，兼顧各類機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行需求，增強(qiáng)廠房設(shè)計(jì)與機(jī)組的協(xié)同性，并針對(duì)細(xì)部做可行性優(yōu)化，使建成后的廠房具有較高的整體運(yùn)行水平。

隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，在先進(jìn)技術(shù)的支撐作用下，廠房的布置逐步趨于優(yōu)質(zhì)化，水輪機(jī)層是水力機(jī)械輔助系統(tǒng)的布置層，應(yīng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。供水系統(tǒng)內(nèi)含豐富的設(shè)備及管路，需要以集約化的方式布設(shè)在該層下游側(cè)及同層的尾水副廠房?jī)?nèi)。檢修排水系統(tǒng)設(shè)備具有輔助作用，將其設(shè)置在主體安裝場(chǎng)下同層的排水泵房?jī)?nèi)。此外，還需要對(duì)副安裝場(chǎng)做合理的規(guī)劃，例如透平油及絕緣油庫(kù)、油處理室，要求在空間布置上具有合理性，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，水力機(jī)械設(shè)計(jì)是水電站前期設(shè)計(jì)工作中的關(guān)鍵內(nèi)容，在電力資源需求增加之下，水力機(jī)械設(shè)計(jì)水平也應(yīng)當(dāng)有所提高，需要專業(yè)人員參與設(shè)計(jì)工作，以準(zhǔn)確的理念為指導(dǎo)，以先進(jìn)的方法為支撐。文中對(duì)水電站水力機(jī)械的設(shè)計(jì)要點(diǎn)展開(kāi)分析。同時(shí)，指出現(xiàn)階段的水電站水力機(jī)械設(shè)計(jì)的不足之處，今后應(yīng)持續(xù)探索，尋求更為可行的發(fā)展路徑，應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法。