高水头小型水电站设计优化及应用

摘　要：根据我国小型水电站多为高水头、引水式的小容量水电站的特点，结合实际工作情况，通过对主要的小型水轮发电机设备制造厂及投用后的小型水电站的实地走访，对高水头小型水电站的水轮机设计选型进行优化，在机组订货和施工设计时就采取相应改进措施，达到控制投资、增加实效的目的。

关键词：高水头；小型水电站；设计优化
一、小型水电站水轮发电机组的选型措施要点
　　由于水电站的选址及设计必须根据开发河段的水力资源和开发利用的情况的不同进行选择，根据水电站的工作水头和引用流量范围的不同，为了使水电站经济安全和高效率的运行，就会有不同类型和型式的水轮机来适应各种水电站建设的需要。
　　水轮发电机由于其自身能量特性、汽蚀特性和强度条件的限制，每种水轮机适用的水头和流量范围比较窄，因此由设计制造厂做出多种很多系列和尺寸类型的水轮发电机对水电站水能条件进行一一适应，不仅仅增加了设计和制造的任务，而且也耗费了大量的人力和生产成本。因此，在我国水轮机的选型一般采用系列化、标准化和通用化进行制造，特别是小型水电站的水轮发电机，可以简单按照《中小型反击式水轮机使用范围综合图》进行选择。这样对于生产厂家来说，就尽可能的减少水轮机系列，对控制系列品种及备品备件的生产配套，以及加速生产降低成本上更为高效。但是由于简单的选型一般会造成与实际情况的较大误差，因此必须进行优化修正，针对电站的实际情况进行动态微调，而这也成为小型水电站水轮机选型的主要课题。
　　水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益，因此在水电站设计中要按拟建电站的运行条件和需求选择合适的水轮机，使水电站可以充分利用水能，安全可靠的运行。在进行水轮机选型时应收集以下资料：①各类型水轮机产品的技术资料，包括水轮机系列型谱、生产厂家、产品目录、模型综合特性曲线等数据。②水电站拟建站址的相关技术资料，包括河流梯级开发方案、水库的调节性能、水电站布置方案、地形、地质、水质、泥沙情况、总装机容量、水电站运输、安装技术条件等等。③当地的水文、水能资料，包括特征流量及特征水头(Qmax、Qmin、Qav、Hmax、Hmin、Hr、Hav)、下游水位流量关系曲线等。④拟建水电站相关的技术经济数据及资料，比如水电站机电设备的造价、工程单价及概预算，水电站运行效益计算、偿还贷款措施及电站维护费用投入等等。
　　根据这些资料进行综合考虑，小型水电站一般根据水轮机系列型谱选择水轮机型号。水轮机型号的选择主要取决于水头。各种水轮机都有一定的使用范围，根据电站运行水头的范围，直接查系列型谱，确定水轮机的型号。如果两种型号均可采用，则应进行方案比较。在我国，目前较为常用的方式是根据目前国内设计、施工和运行的电站资料，在特征水头相近、基础数据适当，经济技术指标相近时，有限套用已经生产的机组，这样就可以节省设计时间。而在进行优化微调时，确定了水轮机的型号后，通过计算水轮机的主要参数，用系列应用范围图选定参数为主，计算参数为辅的方式，优化设计精度。
　　二、小型水轮发电机组的构造类型及优劣势比较
　　小型水轮发电机组一般有冲击式水轮机和混流式水轮机两种应用较广的构造方式。冲击式水轮机构造简单、出力变化时对机组效率影响较小，特别是其折向器的作用对调度保护比较有利，可节省调压井等水工建筑物的造价。但是由于其转速较低，机组体积大；发电效率不高，而且导致水工建筑物及引水渠构造较为复杂，不太适用于一些引水式的小型水电站建设。
　　而混流式水轮机则刚好相反，它转速高，机组体积小，运转可靠效率较高，并且有适应水头范围宽的优势，还可利用尾水管回收能量，进而减少厂房开挖工程，投资效率及回报率更高。但是由于其在低负载时机组效率降低较多，在水位不稳定的地区难以发挥效用。
　　三、两种小型水轮发电机组价格及生产情况对比
　　经过对广西、云南、福建、浙江几个省及自治区主要水轮发电机设备制造厂的实地走访，大部分厂家表示这两种机型都可以生产供货，但是对高转速机组的运行都有所担心，进而推荐采用冲击式机组较多。在初步报价上，两种机型的水轮机和发电机主设备价格相差较大，冲击式的机组是混流式机组的一倍以上。
　　在初步设计方案的研讨中，设计院提出，如果选用混流式机型，经过对这两种机型的辅助设备配套和水工建筑物不同方案的投资对比，在土建、水工部分的造价上选用混流式机组的话还可以节省很大一部分投资。而且在水源及水能稳定的水利条件下，整个运行将较为理想。高水头水电站一般时间在较高出力区运行，既使蓄水区域的水库水位变化，机组也可以在较高效率范围内运行，因此针对高水头的水电站，选择混流式水电站比冲击式水电站更为高效。
　　四、实地考察高转速混流式水轮发电机组的运行问题
　　根据厂家提供的资料对广西、云南及福建三省已经投入使用的混流式水轮发电机组进行实地考察，特别考察其稳定运行状态。经考察已建成并发电的龙岩大片溪水电站和漳平岭兜水电站的４台机组，发现其运行主要问题有：机组转速高、噪音大，轴承温度偏高，轴承润滑油为油泵供油外循环水冷却系统，设置了重力油箱、回油箱、油泵及冷却水池等设施，维护工作量大，而且由于供油或供水系统发生故障时，容易发生被迫停机维修而影响正常发电，稳定性较差。
　　五、高水头小型水轮机组设计优化措施
　　针对运行中的高水头小型水轮机组的运行维护困难这样的情况，设计院与设备制造厂家进行了方案研讨，做出以下优化措施建议：
　　1、推力轴承采用尼龙轴瓦，改进导轴承底瓦冷却装置降低轴承温度，同时润滑油改为自供内循环，取消油泵供油外循环冷却系统。简化供油供水系统，减轻运行人员的维修工作量及事故发生率。
　　2、供水采用顶盖取水，改变水泵供水方案，施工设计时技术供水系统改为以顶盖取水为主，水泵供水为备用的设计方案，并在供水总管设置压力控制器和排水电磁阀等元件，电气自动化回路设计中增加了供水压力过高时的自动排水降压，过低时自动开启供水泵增加供水压力和水量。
　　3、发电机采用空冷器密闭循环空气冷却，并采用密闭降噪等方式降低机组噪音影响。
　　六、优化设计措施的试 运行效果分析
　　在三斗水库电站中，采用了以上的水轮发电机组优化措施，经过该电站交付运行并完成72小时试运行之后，对其优化措施效果进行分析如下：
　　1、试运行时大坝蓄水尚未达到设计高程，水库水位754.00ｍ，电站毛水头167.6ｍ，导水叶开度76%时发电机出力即达到1250kW，其顶盖取水的供水压力、水量，各部温度以及甩100%负荷的压力、转速上升率均能符合设计和运行条件的要求。
　　2、作为高水头小转轮卧式混流式水轮机采用顶盖取水，按设备制造厂的技术资料，技术供水的压力为0.1MPa～0.2MPa，每台机空冷器需水量34ｍ3/h，推力轴承7ｍ3/h，加2个导轴承总需水量约55ｍ3/h；试运行时测得机组空载时供水总管压力0.21MPa～0.27MPa，供水量61ｍ3/h，满载时供水压力0.3MPa，供水量73ｍ3/h，随着大坝的继续砌筑和水库水位的升高，顶盖取水的压力和水量还将加大，可满足机组自空载至满载时技术供水的需要。
　　3、取消轴承润滑油，由油泵供油外循环冷却的供油系统方案可行。2台机组在72小时试运行中，以电阻法测得推力轴承温度为48℃～50℃，导轴承为32℃～38℃，发电机定子温度在70℃左右，均符合设备制造技术文件和规范规定长期安全运行的要求。
　　4、机组运行稳定、噪音明显降低机组安装各部间隙、摆度达到规范的优良水平。在甩100%负荷时，测量推力轴承最大振幅0.01mm，垂直振幅0.005mm～0.015mm，联轴器摆度0.2mm～0.25mm，机组运行稳定。
　　七、结束语
　　经过电站设计优化及试运行表明，采用混流式发电机组的高水头小型水电站，经采用设计优化措施后，整体运行情况良好，优化措施得力，经济效益客观。而这一系列设计优化选型措施将为今后高水头、小容量的水轮发电机组选型设计扩大选型范围提供了很好的借鉴经验。
　　参考文献：
　　1.刘惠娟.高水头小流量电站引水系统方案优化研究[J],南水北调与水利科技,2010年05期
　　2.李正.高水头小型水轮机转轮的设计制造优化[J],大电机技术,2010年02期