水轮机选型设计

水轮机的选型设计

水轮机选型是水电站设计中的一项重要任务。水轮机的型式与参数的选择是否合理，对于水电站的动能经济指标及运行稳定性、可靠性都有重要的影响。

水轮机选型过程中，一般是根据水电站的开发方式、动能参数、水工建筑物的布置等，并考虑国内外已生产的水轮机的参数及制造厂的生产水平，拟选若干个方案进行技术经济的综合比较，最终确定水轮机的最佳型式与参数。

一、水轮机选型的内容、要求和所需资料

1．水轮机选择的内容

⑴确定单机容量及机组台数。

⑵确定机型和装置形式。

⑶确定水轮机的功率、转轮直径、同步转速、吸出高度及安装高程、轴向水推力、飞逸转速等参数。对于冲击式水轮机，还包括确定射流直径与喷嘴数等。

⑷绘制水轮机的运转综合特性曲线。

⑸估算水轮机的外形尺寸、重量和价格。

⑹根据选定的水轮机型式与参数、结合水轮机在结构、材质、运行等方面的要求，向制造厂提出制造任务书。

2．水轮机选择的基本要求

水轮机选择必须充分考虑水电站的特点，包括水能、水文地质、工程地质以及电力系统构成、枢纽布置等方面对水轮机的要求。在几个可能的方案中详细地进行以下几方面的比较，从中选择出技术经济综合指标最优的方案。

⑴保证在设计水头下水轮机能发生额定出力，在低于设计水头时机组的受阻容量尽可能小。

⑵根据水电站水头的变化及电站的运行方式，选择合适的水轮机型式及参数，使电站运行中平均效率尽可能高。

⑶水轮机的性能及结构要能够适应电站水质的要求，运行稳定、灵活、可靠，有良好的抗空化性能。在多泥沙河流上的电站，水轮机的参数及过流部件的材质要保证水轮机具有良好的抗磨损、抗空蚀性能。

⑷机组的结构先进、合理，易损部件应能互换并易于更换，便于操作及安装维护。

⑸机组制造供货应落实，提出的技术要求应符合制造厂的设计、试验与制造水平。

⑹机组的最大部件和最重部件要考虑运输方式与运输的可行性。

3．水轮机选型所需的原始技术资料

水轮机的型式及参数的选择是否合理、是否与电站建成后的实际情况相吻合，在很大程度上取决于对原始资料的调查、汇集和校核。根据初步设计的深度和广度的要求，通常应具备下述的基本技术资料。

⑴枢纽资料：包括河流的水能总体规划、流域的水文地质、水能开发方式、水库的调节性能、水利枢纽布置、电站类型及厂房条件、上下游综合利用的要求、

工程的施工方式和规划等情况。还应包括经过严格分析与核准的水能基本参数，诸如电站的最大水头、最小水头、加权平均水头、设计水头，各种特征流量、、，典型年（设计水平年、丰水年、枯水年）的水头、流量过程线。此外还应有电站的总装机容量、保证出力以及水电站下游水位流量关系曲线。

⑵电力系统资料：包括电力系统负荷组成、设计水平年负荷图、典型日负荷图、远景负荷；设计电厂在系统中的作用与地位，例如调峰、基荷、调相、事故备用的要求以及与其他电站并列调配运行方式等。

⑶水轮机设备产品技术资料：包括国内外水轮机型谱、产品规范及其特性；同类水电站的水轮机参数与运行的经验、存在问题等。

⑷运输及安装条件：应了解通向水电站的水陆交通情况，例如公路、水路及港口的运载能力（吨位及尺寸）；设备现场装配条件，大型专用加工设备在现场临时建造的可能性及经济性；大型部件整件出厂与分块运输现场装配的比价等。

除上述资料外，对于水电站的水质应有详细的资料，包括水质的化学成分、含气量、泥沙量等。

二、水轮机选型的基本方法

目前世界上各国在设计水电站中选择水轮机的方法不尽相同，主要方法可以概括为下面几种。

⒈应用统计资料选择水轮机

这种方法以已建水电站的统计资料为基础，通过汇集、统计国内外已建水电站的水轮机的基本参数，在把它们按水轮机型式、应用水头、单机容量等参数进行分析归类。在此基础上，用数理统计法作出水轮机的比转速、单位参数与应用水头的关系曲线= 、=、= 以及电站空化系数与比转速的关系曲线等，或者用数值逼近法得出关于这些参数的经验公式。当确定了水电站的水头与装机容量等基本参数

后，可根据统计曲线或经验公式确定水轮机的型式与基本参数。按照选定的水轮机参数向水轮机生产厂提出制造任务书，由制造厂生产出符合用户要求的水轮机。这种方法在国外被广泛采用。

⒉按水轮机系列型谱选择水轮机

在一些国家，对水轮机设备进行了系列化、通用化和标准化，制定了水轮机型谱，为每一水头段配置了一种或两种水轮机转轮，并通过模型试验获得了各型号水轮机的基本参数与模型综合特性曲线。这样，设计者就可以根据水轮机型谱与模型综合特性曲线选择水轮机的型号与参数。我国与原苏联都曾颁布过水轮机型谱。水轮机型谱为水轮机的选型设计提供了便利，可使选型工作简化与标准化。但要注意不可局限于已制定的水轮机型谱，当型谱中的转轮性能不能满足设计电站的要求时，要通过认真分析，研究新的水轮机方案，并与生产厂家协商，设计、制造出符合要求的水轮机。同时，要不断发展、完善、更新水轮机的型谱。

3．用套用法选择水轮机

这种方法是直接套用与拟建电站的基本参数（水头、容量）相近的已建电站的水轮机型号与参数。这种方法多用于小型水电站的设计，它可以使设计工作大为简化。但要注意必须合理套用，要对拟建电站与已建电站的参数进行详细的分析与比较，还要考虑不同年代水轮机的设计与制造水平的差异，90年代设计的电站若直接套用60年代电站的水轮机，往往会使水轮机的参数偏低。因此，必要时对已建电站的水轮机参数做适当修正后再套用。

我国过去应用较多的方法是按照水轮机型谱选择水轮机。但随着水电开发的进展，旧的水轮机型谱已不能满足目前水电站设计的需要，设计者常采用不同的选型方法相互结合、相互验证，以保证水轮机选型的科学性与合理性。

三、机组台数选择

对于一个确定了总装机容量的水电站，机组台数的多少将直接影响到电厂的动能经济指标与运行的灵活性、可靠性，还影响到电厂建设的投资等。因此，确定机组台数时，必须考虑以下有关因素，经过充分的技术经济论证。

⒈机组台数对工程建设费用的影响

机组台数的多少直接影响单机容量的大小，单机容量不同时，机组的单位千瓦造价不同，一般，小机组的单位千瓦造价高于大机组。一方面，小机组的单位千瓦金属消耗高于大机组，另一方面，单位重量的加工费也较大。除主要机电设备外，机组台数的增加，要求增加配套设备的台数，主副厂房的平面尺寸也需增加，因此，在同样的装机容量条件下，水电站的土建工程与动力厂房的成本也随机组台数的增加而增加。

⒉机组台数对电站运行效率的影响

当采用不同的机组台数时，电站的平均效率是不同的。较大单机容量的机组，其单机效率较高，这对于预计经常满负荷运行的水电站获得的效益较显著。但是，对于变动负荷的水电站，若采用过少的机组台数，虽单机效率高，但在部分负荷时由于负荷不便在机组间调节，因而不能避开低效率区，这会使电站的平均效率降低。电站的最佳装机台数，要通过电厂的经济运行分析来确定。

此外，机组类型不同时，台数对电站运行效率的影响不同。对于固定叶片式水轮机，尤其是轴流定桨式水轮机，其效率曲线比较陡峭，当出力变化时，效率变化剧烈。若机组台数多一些，则可通过调整开机台数而避开低负荷运行，从而使电站的运行效率明显提高。但是，对于转桨式水轮机或多喷嘴的水斗式水轮机，由于可以通过改变叶片角度或增减使用喷嘴的数目而使水轮机保持高效率运行，因此，装有这些机组的水电站，机组台数对电站运行效率的影响较小。

⒊机组台数对电厂运行维护的影响

机组台数较多时，其优点是运行方式灵活，发生事故时对电站及所在系统的影响较小，检修也容易安排。但台数较多时，运行人员增加，运行用的材料，消耗品增加，因而运行费用较高。同时，较多的设备与较频繁的开停机会使整个电站的事故发生率上升。

⒋机组台数对设备制造、运输与安装的影响

机组台数增加时，水轮机和发电机的单机容量减小，则机组的尺寸小，制造、运输及现场安装都较容易。反之，台数减小则机组尺寸增大，机组的制造、运输、安装的难度也相应加大。因此，最大单机容量的选择要考虑制造厂家的加工水平及设备的运输、安装条件。此外，从发电机转子的机械强度方面考虑，发电机转子的直径必须限制在转子最大线速度的允许值之内，机组的最大容量有时也会因此受到限制。

⒌机组台数对电力系统的影响

对于占电力系统比重较大的水电厂及大型机组，发生事故时对电力系统的影响较大，考虑到电力系统中备用容量的设置及电力系统的安全性，在确定台数时，单机容量不应大于系统的备用容量，即使在容量较小的电网中，单机容量也不宜超过系统容量的1/3。

⒍机组台数对电厂主接线的影响

由于水电厂水轮发电机组常采用扩大单元主结线方式（超大型机组除外），故机组台数多采用偶数。同时为了运行方式的机动灵活及保证机组检修时的厂用电可靠，除了特殊情况和农村小电站外，一般都装两台以上机组。

对于装置大型机组的水电厂，由于主变压器的最大容量受到限制，常采用单元接线方式，因此机组台数的选择不必受偶数的限制。

以上与机组台数有关的诸因素，许多是既相互联系又相互矛盾的，在选择时应针对主要因素，进行综合技术经济比较，选择出合理的机组台数。

四、水轮机型式的选择

根据水电站的实际情况正确地选择水轮机的型式是水轮机选型设计中的一个重要环节。虽然各类水轮机有明确的适用水头范围，但由于它们的适用范围存在着交叉水头段，因此，必须根据水电站的具体条件对可供选择的水轮机进行分析比较，才能选择出最合适的机型。

㈠各类水轮机的适用范围

大中型水轮机的类型及其适用的水头范围如表6-5示。

表6-5 水轮机的类型及适用范围

各类水轮机的适用范围除了与使用水头有关外，还与水轮机的容量有关，同一类型同一比转速的水轮机，在小容量时使用水头较低，在容量较大时使用水头较高。为了便于选择水轮机的型式，制定了水轮机应用范围图，见图6-28。

从表6-5及图6-28中可看出，各类水轮机的应用水头范围是交叉的，其中，存在交界水头段。在水轮机选择时，若同一水头段有多种机型可供选择，则需要认真分析各类水轮机的特性并进行技术经济比较以确定最适合的机型。

不同类型的水轮机具有不同的适用范围与特点，各类水轮机的特点可概括如下。

图6-28 各类型水轮机应用范围图