浅谈小型水电站机组选型设计中的若干问题

姜仁义（常德市水利水电勘测设计院，湖南常德415000）

浅谈小型水电站机组选型设计中的若干问题

姜仁义（常德市水利水电勘测设计院，湖南常德415000）

在小型水电站的开发建设过程中，机组的选择逐渐成为工程投资的热点之一，在实际建设中往往由于水轮发电机组选型不当问题，导致电站效益不尽理想。本文探讨了小型水电站机组选型设计中的注意事项，以供参考。

小型水电站；机组；选型设计

1 引言

水力发电过程中，设计水轮发电机组的设计合理性至关重要，其特性方面的优劣将会直接影响到水电站整体运营的经济性，因而是控制水电站运营质量的重要因素。可见，必须结合相应的技术经济参数合理选择机组，采用适合的水轮机发电机组设备，从而保障小型水电站的日常顺利运行。

2 小型水电站机组选型设计概述

2.1 水轮机选型设计概述

因为水电站所在地不同，其水力资源、开发利用情况必然存在差异，而水电站本身的设计也因地制宜，尤其是工作水头、引用流量范围等，需要依据实际情况而定。而水轮机在自身能量特性、汽蚀特性与强度条件的限制下，所能够适用的水头、流量范围均较窄，水轮机仅能在适用区域内实现正常运行。为确保水电站的运行经济安全与高效率，设计人员应当全面了解各种不同类型水轮机的技术参数、性能特点，从而根据电站基础资料，结合工程的总体布置、水轮机特性等，进行技术方案的综合比较，最终选择资源利用率高、投资省、收益高的最优选型方案。

2.2 常见水轮机机型

小型水轮机的选择，在具体设计过程中，应当尤其注意根据现场的实际情况，通过详细、客观的技术经济比较之后才能确定。

2.2.1 灯沟贯流式水轮机

我国近年来，在灯沟贯流式水轮机的发展较为显著，很多工程中经过实际运用表明，在水头低于25m的情况下，灯泡贯流式水轮机同轴流转桨式水轮机相比，有非常明显的技术经济优势。灯泡贯流式机组的结构形式，与常规的立轴机组存在较大的差异，尤其是在运行、检修、管理方式上有诸多不同，是否采用需要结合实际，征求业主单位的意见。

2.2.2 轴流式水轮机

轴流式水轮机包括两种，即转桨式与定桨式。在小型水电站建设中，轴流定桨式水轮机的运用很多，其主要优势在于结构简单、造价低，且不存在转轮漏油方面的问题。

2.2.3 混流式水轮机

在低水头中、小电站中，混流式水轮机的使用也较为普遍。虽然混流式水轮机的机组选价相对较高，但其空化性能较好，且机组的安装高程较高，能够大大节约土建投资。

2.2.4 水斗式水轮机

80年代以前，由于受到设计、制造、材料水平方面的限制，我国的高水头混流式水轮机运行仍然存在很多问题。

3 小型水电站机组的选型原则与方法

3.1 水轮机选型原则

（1）预先检测设计水头下所发出的额定出力，如果实际低于设计水头，则所设计的机组受阻容量应当尽可能小，使水轮机能够发挥其最大效率。

（2）机组参数和水电站的基本参数应当彼此适应。由于每一种型号的水轮机都有自身所适用的水头范围，其水头上限则主要是根据该型水轮机的强度、汽蚀条件进行制定的；而下限则需要充分考虑能够使水轮机运行效率不会过低。由最大水头计算飞逸转速，控制在配套发电机飞逸转速值以下。

（3）在同等水头的情况下，选择水轮机转速相对较高的，或选择配套发电机造价较低，允许吸出高程较大的，并且以转轮直径小的水轮机为宜，汽蚀系数小且性能较为稳定。

（4）机组台数要求能够适应运行的灵活性要求，确保机组在高效率区的运，通常以2～4台为宜。

（5）如果同一电站有多种机型方案可供选择，则需要视电站具体情况进行方案综合比较，以选择最适合的水轮机机型。发电机则通常是由水轮机制造厂配套供应的，其选型应当与水轮机的选择同步。

3.2 水轮机选型设计方法

在针对小型水电站的水轮机进行设计时，通常运用“查表套用法”，其使用方法简单，而水轮机型号的选择重点是取决于水头设计，设计人员则应当依据水轮机生产厂家所提供的“水轮机产品目录”中，所列的各类机型水轮机性能配套表参数，严格按照“水轮机选型原则”，确定水轮机与发电型号选择。

4 水轮发电机组选型设计实例分析

某水电站的位置处于某河流中上游，距离上游的县城约35km，当地交通条件便利。该电站的最大水头为16.67m，其加权平均水头则为14.21m，最小水头是10.07m，属于低水头工程。而电站的总装机容量是18MW，多年平均发电量达到8644万kW·h。

4.1 水轮机额定水头的确定

设计水轮发电机组时，依据该电站电能加权平均水头14.21m，结合电站动能参数指标和“日平均流量对应水头关系系列表”，充分考虑到当地汛期满发运行需要，经过分析计算可确定水轮机的额定水头设计为13m。

4.2 水轮机参数确定

4.2.1 水轮机比速系数及比转速的选择

为了能够针对水轮机能量、空化以及水利稳定性因素进行全面的、综合的衡量，需要以比速系数及比转速作为综合技术指标，以反映当地水轮机的设计、制造水平。据有关统计资料，该水电站水轮机比速系数k取值在1929～2199之间，相应比转速ns值介于535～610m·kW间较为合理。

4.2.2 机组参数确定

依据现有的模型转轮相关资料，该供电站选择采用轴流式模型转轮。通过将现有各转轮参数计算结果进行比较发现，处于额定水头下，各比选转轮都可以发出额定出力，且水轮机的运行范围都包括模型曲线高效区。而在综合能量特性、空化特性和经济特性等指标上，以ZZ660型号的转轮为优。

4.3 水轮机型式、单机容量和机组台数的确定

该电站水轮机机组运行水头设计范围是10.07～16.67m，因而既可采用灯泡贯流式，也可采用轴流式水轮机。就电站装机拟定以下方案，即选择3台单机容量为6MW的轴流转桨式机组作为最终设计方案，具体如下：

采用3台轴流转桨式机组方案，设计所使用转轮的直径是2.85m。当该地处于枯水季节时，电站来水流量为20m3/s，可确保电站机组仍然维持稳定运行（机组最小发电流量为17.2m3/s）。采用3台轴流转桨式机组的方案，其实际运行更为灵活方便，但由于该电站的单机容量较小、水头变幅也较小，流量变幅却较大，因而辅以“两定一转”装机方案，以实现对降低电站投资、简化运行维护的兼顾，并满足小流量运行要求。

就设备的制造与实际运行维护而言，采用轴流机方案，具备了成熟的相关经验，该方案的机组稳定运行范围较宽，运行灵活可靠，单机故障对电站运行效益影响较小，同时兼顾电站建设的经济性、年发电效益、运行调度的灵活性和可靠性、机组运行稳定性及维护管理方便等因素，该方案为最佳机组设计方案。

5 结语

综上所述，在小型水电站的机组设计选择中，水轮发电机组选型将直接影响到最终的水电站投入运行稳定性与运行效益，因此，要求设计人员必须在一开始就严格按照设计原则，从细节出发，控制好机组选择的各个参数要求，最终保证机组的成本最小、效益最大。

［1］孙毅.中小型水电站水轮机选型设计要点的探讨［J］.商品与质量·理论研究，2014：56～57.

［2］代朝科.水电站水轮机选型设计中主要参数的确定［J］.水利规划与设计，2015（8）：72～73.

［3］张延锋，高敏，杨新光，等.超低水头潮汐电站机组选型设计［J］.西北水电，2014（3）：66～70.

TV734

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2095-2066（2016）30-0087-02

2016-8-15

姜仁义（1982-），男，工程师，本科，主要从事水利机械设计工作。