电站设计中电站参数及水轮机参数合理选择

李怀蓉

(云南省昭通市水利局质监站 657000)

1 概述

正确地选择电站参数及水轮机参数，是电站设计中的重要任务。这个问题解决得正确与否对电站建设的速度，投资、发电量及预想出力的多少、整个运转期间水资源利用的程度、电厂运转的经济性、灵活性都有很大影响。水轮机选型设计是一项很重要的工作。由于地方上技术力量薄弱，人才数量总量不足，人员素质难与当前迅猛开发的水电站步伐相匹配，对水轮机参数概念不清、理解模糊，对电站技术经济比较分析做得少或根本未做，通常仅简单地查一查产品目录或直接委托厂家选择水轮机。因论证单一，导致机组选型不当，给电厂运行带来了很多隐患，如:运行工况偏离最优工况较远，机组效率不高，汽蚀、振动加剧。这些隐患大大增加了机组检修工作量，缩短了机组检修周期及电站的使用寿命;其次因电站参数选择不当，电站厂房地坪高程选择不合理，常常浪费了宝贵的水资源，给电站带来了本可以避免的经济损失。

2 装机容量及单机容量的确定

a.昭通地区的电站除极少数外，均属经流式电站。电站装机容量选择主要根据水资源利用条件，综合考虑当地电力系统电力电量平衡及负荷预测、电站的保证出力、水轮机联合运行在高效率区的要求，以及现有厂家生产的可能性。装机容量通常为保证出力的1.5～2.5倍(目前因资源紧缺，该值趋于取大值)。

b.单机容量应根据系统的日负荷曲线，结合电力系统中事故备用容量所占系统容量的比重来确定，一般考虑单机容量略大于电站的保证出力及系统中的事故备用容量，并使所选机组适于电站水头运行范围。以鱼井电站为例，水文分析计算的保证出力为603kW，选定的单机容量为630kW。

c.机组台数应根据电厂所占系统比重、运行时的平均效率、电站机电设备、土建投资及运行费用综合考虑，一般考虑2～4台，当电站容量超过系统负荷的30%以上时，以3～4台为宜，这样既保证了电站运行的高效率，又可避免机组事故停机对系统造成的影响，还可避免因机组台数不合理的增加，带来厂房等一系列的机电、土建投资的增加。

3 电站水头(位)的选择

3.1 前池水位确定

因昭通地区水电站大都属径流式电站，电站各特征水头主要是前池各特征水位与电站尾水位的差值。一般情况下，前池的正常水位取渠道末端的正常水位，而前池最高及最低水位应根据电站丢弃全负荷时产生的最高涌波水位及电站突然增加负荷时产生的最低涌波水位确定。

假定矩形渠道水深为h时，则按下式确定前池水位:

式中 v0——渠道起始的流速;

v——渠道变化后的流速;

h0——渠道起始的水深;

h——渠道变化后的水深。

由上式可计算出丢弃负荷时的波高及突然增加负荷时的最大水位下降。以此确定前池的最高水位及最低水位。根据最低水位可进一步确定压力管道的顶部高程。通常管顶应保证在最低水位以下2～4m。水力条件好时取小值，反之取大值。否则，会造成因淹没深度不能满足压力管道进气而影响电站稳定运行的情况。对径流式电站，通常以电站上、下游正常高水位之差减去流道内的沿程及局部水头损失，作为电站设计水头，一般设计水头取电站平均水头。电站上游水位即前池正常水位，下游水位即电站正常尾水位，而电站的正常尾水位一般以一台机组发出额定出力时的水位(该水位可按明渠均匀流公式求得)确定。

3.2 尾水位确定

尾水管的淹没深度应保证在小流量时能达到30～50cm以上，保证尾水管不进气。此外，尾水渠设计应尽可能使尾水出流顺畅，并保证尾水出流时有足够的净空高度，不应有过高的涌浪出现，与下游河流的衔接应顺畅，以免影响机组出力。

4 合理确定地坪高程及安装高度以提高电站使用水头

4.1 厂房地坪高程确定

小型径流式电站的设计水头为前池正常水位与尾水位之差再扣除流道所有损失。在具体确定电站水头时，电站厂房地坪高程是一个关键因素。对于卧式机组，通常∇中(机组中心线高程)=∇尾+HS，而地坪高程∇地=∇中-h(机组中心线至地面高度)，所以∇地=∇尾+HS-h，对于小型卧式机组而言，地坪高程的确定意味着电站水头的确定。而电站厂房地坪高程，在电站设计中，一般都按30～50年一遇设计洪水加安全超高确定。但人们的观念上始终担心厂房被淹而故意将厂房地坪提高几米，这样无形中浪费了电站几米水头。在昭通地区的很多已运行电站中，电站尾水跌落十几米或几米才掉进河里的现象屡见不鲜。事实上，昭通地区各县的电网都存在枯水期电能紧张、洪水期电能富余的情况。为使枯水期能多发电，适当降低厂房地坪高程对提高电站使用水头，尤其是增加枯季电能是相当合适并具有普遍现实意义的。一般根据水文水能推算成果，按30～50年一遇的设计洪水位或略高水位作为厂房坪高程，是符合昭通地区实际情况的。因昭通地区的河流均为山区河道，河水陡涨陡落，电站处在下游开阔地区，因受洪水淹没的威胁，可适当采取简单的工程措施防洪;当电站所处的下游河道狭窄、河水湍急时，应结合厂区枢纽布置，采取相应的防洪措施，并作技术经济比较论证。

4.2 安装高度的确定

水轮机运行检修工作量、机组使用寿命主要取决于水轮机过流部件汽蚀破坏，而汽蚀破坏程度主要取决于水轮机的安装高度HS。在电站设计中，要在满足临界汽蚀要求的情况下，结合水轮机转轮材料、叶片型线改善汽蚀条件，而不能一味地依靠降低水轮机安装高程达到减轻汽蚀的目的。水轮机吸出高度HS一般按下式计算:

式中 Δ——电站设计尾水位;

H——电站设计水头;

δ——汽蚀系数，由综合特性曲线查得;

Δδ——修正汽蚀系数。

根据上式计算出的HS值，结合土建、机组运行工况选取适当的HS值。对小型卧轴反击式水轮机，HS一般推荐取正值。

以镇雄五德二级电站为例，装机2×2000kW，选用HL110—WJ—84机型，原设计HS=-0.25m，后修改为2.0m，增加水头2.25m，降低了土建投资，每年可增加几万元发电收入，经过十多年运行表明，HS取值是恰当的。

如果对同一电站，有两种以上机型选择，而HS对于比速高的机型为负值，比速低的机型为正值，则应选择后者，这样可多利用电站水头，而机组尺寸增加所带来的土建投资增大几乎可以忽略。另外，应尽量避免选用机组极限水头的机型。以威信鱼井电站为例，电站装机2×630kW，设计水头48m，根据型谱，可选用HL220及HL240，电站设计水头48m，接近HL240的极限使用水头，HS为负值。最后选用HL220，HS=+2.25，可多利用两米多的水头，投产运行以来，情况良好;但HS若是正值，且很高，则不能满足机组临界汽蚀的要求，机组运行必定出现严重的汽蚀、振动。以镇雄法地电站为例，装机2×400kW，选用 HL260—WJ—71机型，原设计HS=+4.2 25m，大大超过了临界汽蚀要求，经计算后建议将HS修改为2.8m，这样，最大限度地利用了水头，又确保了机组满足临界汽蚀的要求。

综上所述:水轮机吸出高度HS值，既不能太大，也不能太小，必须在满足临界汽蚀要求的前提下，选取较大的数值或参考已运行同类电站机型的情况取值。为避免汽蚀发生，又不致造成电站水头浪费，还可提高电站主厂房地坪高程，减少主厂房的土建开挖工程量，降低土建投资，提高电站经济效益，以利于厂区的防洪和运行维护。

5 转速确定

但对同一水头，若有两种以上机型的转速可供选择时，则不能仅按转速的高低为选择标准。因为速高的水轮机尺寸会较小，可降低机电设备投资，但安装高程亦低，土建费用又会增加，两相比较投资不一定减少。此时，应对额定转速作出合理的方案比较，对小型机组而言，水轮机的额定转速不应超过1000r/min。否则会出现难以忍受和难以解决的噪声和振动。

6 水轮机运行综合特性曲线的运用

在水轮机选型设计中，应通过绘制水轮机运转特性曲线，复核所选水轮机的实际工作范围。根据所绘制的综合特性曲线能直观准确地反映出水轮机运转范围，看到所选水轮机是否处于最优工况运行。运用水轮机运转特性曲线图还能为确定今后电厂内机组的最优运行方式提供依据。

7 结语

对一个电站而言，电站参数及水轮机参数一经选定后，就很难再有改变的可能了，而电站参数选择不合理所带来的损失常被人误解为是固有的，且较为隐蔽，往往不能引起足够的重视。当前昭通地区中、小水电开发步伐较为迅猛，但由于专业技术人员欠缺，人才力量不足，从业人员缺乏相关经验，导致在开发的小电站中，未能使电站的水能资源得到最大限度的利用，对国家的资源造成了浪费，给企业的效益也带来了一定影响。本文就小水电站开发中普遍存在但又较为隐蔽的电站以及水轮机参数的合理选择提出了一些观点，以期与同行互相交流，取长补短。