浅谈水电站水机选型设计

浅谈水电站水机选型设计

郝树涛

郝树涛（青海黄河上游水电开发有限责任公司工程建设分公司青海西宁810000）

摘要：水轮机是水电站中最主要的动力设备之一，它关系到水电站工程投资、安全运行、动能指标及经济效益等重大问题，正确地进行水轮机选择是水电站设计中的主要任务之一。影响水电站水机选型设计的因素众多，本文通过对水机选型设计原则的分析介绍了水电站水机选型的一般内容，并分别以大小水电站为例探讨了水机选型的一些要点问题。

关键词：水机选型；原则；磨蚀

一、水电站水机选型设计及其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。

水轮机选型设计的一般原则如下：（1）所选水轮机要具有较高的能量特性。不仅要选择额定工况下ηmax较高的水轮机转轮型号，而且还要根据水轮机的工作特性曲线，即η＝f（N）及η＝f（H）曲线，选择平均效率最高的水轮机型号，使水轮机在负荷和水头变化的情况下具有最高的平均运行效率。（2）所选水轮机不仅要具有良好的空蚀性能，还要有较好的工作稳定性能，运行要灵活、平稳、安全和可靠。

（3）所选水轮机的尺寸应较小，结构要合理、先进，便于运输、安装、运行及检修。（4）转轮选择比较时，应尽可能选用ns较高的水轮机，这样转速较高，相应的机组尺寸就小，并且使所选的水轮机经常在最优区运行。选择转轮参数时应该使n11值稍高于n110，而且Q11值应接近于Q11max。（5）水轮机分为混流式、轴流式、贯流式、斜流式、冲击式等几种类型。一般地，混流式水轮机适用水头为50~700m，轴流转浆式水轮机适用水头为3~70m，贯流式水轮机适用水头为2~25m，斜流式水轮机适用水头为40~200m，冲击式中斜击式水轮机适用水头为50~400m、双击式水轮机适用水头为10~150m。

（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。

二、水电站水机选型应用（一）大型水电站水机选型某一级水电站为引水式电站,位于A河中游,是水能梯级开发规划中的第4级水电站。该电站设计水头104m,总装机容量为50MW(2*16+2*9MW)保证出力5.34MW,年发电量1.89亿kWh。

A河泥沙中多为石英沙,且为大粒径石英沙,对水轮机的磨损特别严重;要求水轮机具有较高的耐磨性,以减少机组的检修次数和转轮的更换次数。在水轮机转轮的选取上采取了以下措施:（1）选用高水头转轮用在低水头电站。选用400m水头的转轮(JF2058、JF1606)用在100m左右压力水头的电站,有利于降低泥沙对转轮的磨损。（2）降低水轮机的转速。16MW机组选择了428.6r/min,9MW机组选择了375r/min。（3）降低安装高程。（4）转轮材料采用了ZG270-500号钢加热喷金属粉末Ni67,保护、减轻转轮的磨损。

水轮机转轮参数还要根据比转速ns、单位转速n11单位流量Q11、装置汽蚀系数选择。该电站比转速ns为170~190m/kW,单位转速nc1为66~71r/min,计算出相应的单位流量Q11为0.6~0.8m3/s。装置气蚀系数与汽蚀系数有直接关系,参照国内已建电站和各种统计经验公式,本电站16MW装置汽蚀系数为0.083~0.116,计算出相应的吸出高度为-0.586~-2.914m;9MW装置汽蚀系数为0.063~0.097,计算出相应的吸出高度为-0.93~2.60m,经综合比较,两种机组吸出高度拟定在-1.2m。

6MW的机组选择了HLJF2058转轮。HLJF2058转轮的气蚀系数最小,计算点气蚀系数0.022;计算点单位流量Q11=0.580L/s较小,计算点效率93.56%较高;从工作范围上,HLJF2058转轮适中,其他机型稍偏;从模型最高效率上看,HLJF2058转轮最高。

9MW的机组选择了HLJF1606转轮。HLJF1606的转轮气蚀系数最小,计算点气蚀系数0.023;计算点单位流量Q11=0.400L/s较小;计算点效率93.60%较高;从工作范围上,HLJF1606转轮适中,其他机型稍偏;从模型最高效率上看,HLJF1606转轮最高。

为了减轻空蚀对机组的影响，采取措施如下：（1）针对水电站多年平均含沙量达4.19kg／m3的高泥沙水质，为防止含沙水流对导叶轴径的磨蚀和降低导叶漏水量，水轮机导叶上、下轴径均镶套不锈钢衬套，并采用耐磨性材料做的防沙密封环保护结构，导叶与顶盖、底环接触的上、下端面均采用防漏水的黄铜条密封结构，不仅有利于导叶本身的抗泥沙磨蚀，也有利于顶盖、底环的抗泥沙磨蚀，具有优良的抗磨蚀性能。（2）水轮机导叶采用优质材料整体铸造后经数控机床精确加工，在相邻导叶关闭位置的整个接触立面上设计有不锈钢焊层，在导叶的上、下端面设计不锈钢覆盖，不仅提高了导叶本身的抗泥沙磨损性能，也有利于顶盖、底环的抗泥沙磨蚀。（3）水轮机转轮的桨叶采用防空蚀、抗泥沙磨损性能较好的不锈钢材料制造，叶片采用VOD或AOD技术精炼铸造，并进行表面硬化处理，叶片型线采用五坐标数控机床加工，完全保证叶片过流面质量，使转轮叶片的空蚀、抗泥沙磨损性能进一步的提高。

由于受尾水管涡带、卡门涡、止漏环的结构或间隙不当、通流部件的水力不平衡等问题影响，机组容易出现振动问题。为解决这一问题在水轮机结构设计上应采用先进、成熟的设计方案，在制造上采用先进的制造工艺，整体提升水轮机的总体性能水平。如：减轻尾水管涡带，向水压脉动区补气等。

（二）小型水电站水机选型某县小河边水电站的使用水头在79～80．8m的范围内，设计水头为80.0m，在该水头范围内可适用的水轮机型式有两种：斜击式与混流式。本电站水轮机在混流式水轮机和斜击式水轮机进行选择。

斜击式与混流式水轮机的优缺点比较如下：混流式水轮机特点是应用水头较高，范围较大，结构简单，运行可靠，效率高，是现代应用最广泛的水轮机之一。但由于叶片固定，负荷变化较大时，效率显著下降。

斜击式水轮机，喷嘴出来的射流，在进口与转轮平面成一角度(约为22．5°)。这种水轮机用在中小型水电站中，水头适用范围在400m以下。斜击式水轮机转轮需装在最高尾水以上，不利于提高电站水头利用率，但可简化厂房排水设施和降低厂区防洪要求，改善厂内潮湿程度。斜击式水轮机转轮在大气中运行，汽蚀磨损较轻，而且多集中在针阀、喷嘴等部位，检修、更换零部件较方便。斜击式水轮机具有双重调节机构，易将压力上升和转速上升控制在较低的数值，使机组有较好的调节保证参数。

从以上的两种机型的分析比较，这两种机型各有优点，但从水轮机的效率、水头利用率等关系到电站的经济效益方面来考虑，混流式水轮机较斜击式水轮机优越，而且混流式水轮机转轮具有结构简单、安装方便、调试简捷、操作维护方便、安全可靠性高、运行费用省、水头利用率高等优点；从国内电站统计资料来看在该水头下使用混流式水轮机较多，在综合考虑各种因素，推荐本电站选用混流式水轮机。

根据本电站相关参数资料，现初步拟定HLA550型与HL548两种水轮机进行比较，其模型参数见表1。

表l小河边水电站所选机型转轮模型参数比较表

表1看出，HLA550方案与HL548方案的使用水头均可满足本电站的要求。但从单位流量方面看，HLA550方案比HL548方案高，在最优工况下HLA550型水轮机的模型效率高于HL548型水轮机模型效率0.1个百分点，再从气蚀系数来看，在限制工况下HLA550型水轮机的气蚀系数和HL548型水轮机气蚀系数相同。综合比较水轮机的各项模型参数，本阶段拟定选择HLA550型水轮机作为小河边水电站的装机机型。水轮机型号为HLA550-WJ-55，并采用卧式布置，金属蜗壳。水电站拟定装机两台，总装机容量为1000kw。

参考文献：[1]张维聚.引水径流式水电站水轮机磨蚀及治理[J].价值工程,2011年32期.[2]高瑜,赵明琴.乌江沙沱水电站水轮机选型分析[J].水力发电,2013年7期.[3]刘大恺主编.水轮机第三版.北京：中国水利水电出版社，1996.[4]哈尔滨大电机研究所编.水轮机设计手册.北京：机械工业出版,1976.11.