摘要：中小型水电站作为我国水轮发电体系的重要组成部分，其担负着我国电力工程的重要工作。如何在新建水电站或原有水电站的设备更新中根据电站实际情况进行水轮机的选型与优化是现代水电站技术部门的重要工作。其关系到水轮机组的运行稳定及电站供电的持续稳定。本文就水电站水轮机的选型及优化进行了简要的论述。
关键词：中小型水电站；水轮机选型；优化
水轮机是水力发电的关键设备之一。水轮机特性的优劣是影响水电站经济性的重要因素。水轮机的选型是根据电站的水文、水能等基础资料，结合工程总体布置和水轮机的水力特性、结构、材料及制造工艺等问题，按照技术先进、经济合理的原则，选择和确定水轮机的技术参数。参数优化的目的是通过技术方案的比较，对设备和工程建设的投资、运行费用，设备预期的可用性、可靠性、使用寿命，预期的收益等工程生命周期内的技术与经济因素，及其相互间的影响，进行综合比较和评判，寻求资源利用充分、投资省、收益高的最优方案。为了经济地开发水电资源，合理选择水轮机技术经济参数并进行优化，是水电资源开发、咨询和设计阶段的主要任务，也是水轮机设备采购招标投标的重要工作。
1、水轮机选型
1.1水轮机的选型原则
水轮机的选型设计是水电站设计中的一项重要任务，其计算结果直接关系到水电站的机组能否长期稳定运行、投资的多少、经济效益的高低。它是根据水电站设计部门提供的原始资料及参数，选择合理的水轮机型号和计算水轮机的各种性能参数。一般情况下，先根据水电站的类型、动能计算以及水工建筑物的布置等初选若干个方案，然后进行技术经济比较，再根据水轮机的生产情况和制造水平，最后确定最佳的水轮机型号及尺寸。
1.2水轮机参数选择
针对该水电站的特点，在机组参数选择、型号选择、水力工况、结构设计等方面都需要综合考虑各种因素，采取适合于本电站运行的最优方案。
1.3水轮机转速的选择
水轮机的转速可以参照现阶段相近水头水轮机的比转速水平，结合某电站实际情况和特殊要求来确定。
1.4空化系数的选择。
水轮机空化性能的优劣，是衡量水轮机综合性能的一个重要指标。电站装置空化系数的大小，直接影响电站开挖深度和水轮机运行寿命。在含沙水流中工作的水轮机除了会发生空化外还经常发生泥沙磨损，泥沙磨损与空化现象相伴发生，从而加剧过流部件的空蚀和磨损破坏。因此，合理地选择空化系数，尽可能减少空蚀现象的发生，防止或减轻空化与泥沙磨损的联合作用，同时也可以最大限度地减少磨蚀破坏。
1.5转轮直径的选择。
应选择效率高的转轮型号，而且还要根据水轮机的模型综合曲线和真机工作特性曲线选择工作范围最好的转轮，以保证水轮机运行时有较高的工作效能。另外，选定的水轮机转轮直径应较小，较小的转轮直径将使机组获得较高的转速，从而缩小机组尺寸，降低机组造价。应优先考虑套用已有型号转轮直径接近的机组。
1.6水轮机选型设计中，先考虑可供选择的一种或两种机型方案。
在一种型式的水轮机中，可采用几种型号的水轮机，从技术特性、经济指标、运行可靠性及设计制造经验等方面，经技术经济比较后选定。
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2、水轮机选型优化
2.1水轮机磨蚀与选型优化
众所周知，空化是发生在运行中的水力机械的一种流体动力现象，当空化发生发展，并造成过流部件材料的破坏损耗称为空蚀。在含沙水流中工作的水力机械除了会发生空化外还将发生砂粒磨损，但发生在水力机械中的沙粒磨损不同于一般磨粒磨损，常常与空化现象相伴发生，造成并且加剧过流部件的空蚀和磨损破坏。我国工程和学术界将这种水力机械转轮等过流部件在含沙水流介质中工作时发生的空蚀和沙粒磨损破坏统称为磨蚀。磨蚀导致水力机械性能下降，效率降低，甚至失效。我国中西部地区特别是黄河流域的水电工程，通常都不同程度地遭受到磨蚀损坏，如黄河三门峡、云南六郎洞、新疆喀什三级等水电站水轮机的磨蚀状况是较为典型的例子。
根据国内外的研究和实践，水轮机泥沙磨损强度与水流的含沙量，沙粒的矿物成分、硬度及其形状、粒径，沙粒运动的速度（流道内相对流速）等有关，也与水力模型（包括叶型、流道）的空化特性及过流部件所采用的材料特性有关。我国水电科研、工程设计、水电设备研制与水电运行管理部门，在长期广泛的理论研究和工程实践的基础上，借鉴国内外水电工程的经验教训，从工程总体布置、水轮机参数选择、设备制造选材、工艺和运行调度等方面，总结出了对在含沙水流中工作的水轮机抗磨蚀防护行之有效的措施，概括起来主要为以下6个方面：①优化水沙调度，蓄清排浑或设置沉沙、排沙设施以减少泥沙过机；②采用较低的能量参数如降低水轮机转轮中的相对流速（如控制水轮机转轮出口圆周速度U2≤38～42m/s），以降低磨蚀强度；③水轮机的过流部件采用耐磨蚀性和工艺性好的材料，以及采用先进的材料加工工艺（如采用不锈钢板冲压转轮轮叶），以提高抗磨蚀性能；④过流部件采取表面处理措施，如打磨以提高表面的粗糙度精度、硬度、韧性，或在材料表面喷焊或涂（镀）抗磨蚀的金属或非金属材料等技术和工艺，也可提高抗磨蚀性能；⑤采用五轴数控铣床加工水轮机转轮叶片，以保证型线准确度；⑥适当降低水轮机安装高程以减轻空蚀强度等。
2.2水轮发电机组运行稳定性与选型优化
现代水轮发电机组的单机容量越来越大，最大单机出力已达852MW（长江三峡）水轮发电机组的运行稳定性，因一些大型或巨型机组发生振动造成损失而受到越来越普遍的重视。水力发电是水流推动水轮机组的旋转运动实现能量转换的，导致水轮发电机组出现振动、功率摆动等运行稳定性问题发生，实质是水力发电系统或装置内存在的或运转诱发的动态不平衡因素所致，其表现形式可概括为水力、电气及机械振动等三大类。水力因素包括尾水管的压力脉动，流道内的卡门涡、叶道涡，流道内的不均匀流场及空化，压力输水管道中的水力脉动等。电气因素主要是水轮发电机的不均衡磁拉力。机械振动包括机组自激振动，轴系振动、发电机定子振动、因振动耦联引起的振动及共振等。水轮机的水力设计、机组及部件的结构设计缺陷，制造、装配和安装质量不良，运行因素等，如水封间隙不均，转动部分的质量不平衡，水轮机转轮与密封、水轮发电机转子与定子不同心度差，机组的部件或整体刚度设计不合理，以及水力系统存在的缺陷等都可能引起运行稳定性问题。另外，在系统中担负调峰运行的机组，由于频繁起动、停机等也可能导致或加剧机组的振动，造成转动部件的损坏。总之，引起机组振动影响运行稳定性的原因和机理较为复杂，各种类型和容量的水轮机组都可能发生振动而影响机组的运行稳定性。
中小型水电站的水轮机选型也应重视稳定性问题，应将稳定性作为重要的技术经济性能加以研究。应从水轮机的水力设计、结构和部件的设计、机组的安装等方面，并参考已运行的类似电站的经验，对可能出现的影响机组运行稳定性的水力、电气和机械因素进行分析、计算和预测，并选择预防、控制和改善水轮机运行稳定性的措施。如在水力方面选择无涡区较宽、水力脉动较小的转轮模型；选择较高的水轮机设计水头；水头变幅较大的电站设置机组最大出力等。在水轮机过流部件结构和流道方面，如转轮采用奇数叶片数，采用X形叶型及长短叶片，采用较高的尾水管高度，并设置补气装置等。
3、结语
对中小型水电站水轮机的技术经济参数进行优化，有利于提高中小水电站的经济效益。中小型水电站在电网中所占比重较小，难以担当系统的调峰、调频任务，因此，在中小型水电站机组的选择和优化时，还应考虑这一特点。
参考文献：
[1]王 冰，杨德晔，青长庚．中国水力发电工程（机电卷）[J]中国电力出版社，2010
[2]董毓新．水轮发电机组振动[J]．大连：大连理工 2009
论文作者:段梦华
论文发表刊物:《基层建设》2018年第19期
论文发表时间:2018/8/9
标签：水轮机论文; 机组论文; 水电站论文; 水力论文; 转轮论文; 水轮论文; 部件论文; 《基层建设》2018年第19期论文;