【摘要】改革開放以來，中國的科學(xué)技術(shù)水平取得了新的進(jìn)展，各項(xiàng)技術(shù)方面也在不斷突破自身的前提下取得飛速發(fā)展。在開發(fā)與利用能源的過程中，電能是十分重要的方面，而電能的開發(fā)離不開水電站，水電站承載著借助水力發(fā)電的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)部分，因此水力機(jī)械的開發(fā)及安裝使用就顯得十分重要。本文擬從水力機(jī)械設(shè)計(jì)中的水輪機(jī)、輔助系統(tǒng)、廠房等部分入手，進(jìn)而分析水電站中輔助系統(tǒng)的合理利用，并最終得出水力機(jī)械科學(xué)安裝的具體途徑。
【關(guān)鍵詞】水電站；水力機(jī)械設(shè)計(jì)；安裝
回顧我國水電站的水力機(jī)械的設(shè)計(jì)過程，它經(jīng)過了多年的設(shè)計(jì)改良與實(shí)際的投入運(yùn)用，并進(jìn)行多次的技術(shù)總結(jié)與實(shí)踐更新，在注重同國外的交流與合作的基礎(chǔ)上，已經(jīng)形成了比較成熟的設(shè)計(jì)理念與安裝技術(shù)，并且通過已有的經(jīng)驗(yàn)與不斷的創(chuàng)新發(fā)展總結(jié)出了一套相對(duì)來說較適合本國特色的設(shè)計(jì)與安裝規(guī)程。
一、水輪機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)
水輪機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)需要綜合考慮水電站的運(yùn)行需求、不同水輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、水輪機(jī)的設(shè)計(jì)工藝及材料等因素，以保證水輪機(jī)可以滿足性能的要求。
1、水輪機(jī)的機(jī)型選擇
水電站是一項(xiàng)大型的開發(fā)與利用水資源的工程，在這項(xiàng)環(huán)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，需要考慮到很多的細(xì)節(jié)問題。首先要注意到的就是水輪機(jī)的設(shè)計(jì)與安裝問題，水輪機(jī)設(shè)發(fā)電的主要設(shè)施，它的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與科學(xué)安裝在整個(gè)工程中占有著十分重要的地位。水輪機(jī)是一種比較重要的設(shè)備，在選取與使用它的過程中要做到科學(xué)合理。同時(shí)需要注意的環(huán)節(jié)與因素有很多，水的合理利用是最首要的問題，也要兼顧電站在工作中的施工效率，當(dāng)然機(jī)械是否能夠穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)也是很重要的方面。另外水輪機(jī)的選取還要把投資的成本和可能帶來的經(jīng)濟(jì)效益等因素考慮進(jìn)來。
2、技術(shù)目標(biāo)參數(shù)決定的水輪機(jī)選取
水輪機(jī)的綜合性能公式為。利用該公式，可以確定水輪機(jī)其他的性能。以混流式水輪機(jī)為例，利用水輪機(jī)的額定水頭可以確定初選額定比轉(zhuǎn)速，根據(jù)最大水頭可以確定額定比轉(zhuǎn)速的上線，進(jìn)一步，根據(jù)額定比轉(zhuǎn)速可以對(duì)臨界空化系數(shù)和電站空化系數(shù)進(jìn)行查詢，然后確定高度是否滿足要求。進(jìn)而根據(jù)過機(jī)水流所含泥沙量的多少、運(yùn)行水頭變幅、水電站地理環(huán)境等對(duì)額定比轉(zhuǎn)速進(jìn)行修正。根據(jù)修正數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，以選擇最為適當(dāng)?shù)乃啓C(jī)。
3、轉(zhuǎn)輪
轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)水輪機(jī)的使用功率來進(jìn)行，對(duì)轉(zhuǎn)片的角度與尺寸進(jìn)行優(yōu)化，將運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的損耗降至最小。若水電站的建設(shè)規(guī)模較大，基礎(chǔ)設(shè)施很難使用車輛運(yùn)送到場(chǎng)地中，可按結(jié)構(gòu)進(jìn)行分離，施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)組裝，焊接過程中要重點(diǎn)注意各結(jié)構(gòu)的完整性，避免撞擊造成結(jié)構(gòu)表面發(fā)生形變，影響運(yùn)轉(zhuǎn)速度。轉(zhuǎn)輪的輔機(jī)要經(jīng)過精細(xì)化處理才可使用，可在主體結(jié)構(gòu)安裝完成后再進(jìn)行，避免施工過程中精準(zhǔn)度發(fā)生變化。長(zhǎng)度超出5米的結(jié)構(gòu)可動(dòng)用起重設(shè)備來完成安放。
4、主軸導(dǎo)軸承及主軸的密封
當(dāng)前的主軸導(dǎo)軸承通常采用的是抗重螺栓，或是由可調(diào)節(jié)楔子板支撐的油浸式扇形分塊瓦軸承，在這個(gè)環(huán)節(jié)中對(duì)主軸采取密封的方案能夠保證主軸的受力均勻，主要采用的事水壓端面的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣不僅能夠保證水輪機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且能夠延長(zhǎng)其使用壽命。
5、座環(huán)與蝸殼
現(xiàn)常用的座環(huán)設(shè)計(jì)為上下環(huán)與固定導(dǎo)葉的平板焊接結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)方式充分利用各部分的抗撕裂厚鋼板優(yōu)勢(shì)，配合圓弧形導(dǎo)流環(huán)可以改善流態(tài)。為進(jìn)一步對(duì)座環(huán)進(jìn)行校正和固定，還可以添加一些專用設(shè)備對(duì)座環(huán)各部件進(jìn)行深加工。蝸殼的材料選取需要滿足保證水輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行、耐抗壓等條件，因此蝸殼的材料可以使用低碳高強(qiáng)度鋼板。
二、輔助設(shè)備系統(tǒng)
一些輔助系統(tǒng)的安裝應(yīng)注意得問題也有很多，這些小的系統(tǒng)設(shè)備看似簡(jiǎn)單，實(shí)則也同等重要，在水利機(jī)械設(shè)計(jì)中，合理的分工與合作是十分必要的，這些小的輔助系統(tǒng)就起到了完善與鞏固主系統(tǒng)的作用，同時(shí)如果合理的利用好這些設(shè)施，也可以增加設(shè)備的工作效率，并取得很好的整體效益。
1、機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)
輔助系統(tǒng)主要包括供水、排水系統(tǒng)；壓縮空氣系統(tǒng)；水力測(cè)量系統(tǒng)；供油系統(tǒng)等。這些輔助系統(tǒng)可以豐富水電站的功能，提高水力設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定度。供水系統(tǒng)主要用來對(duì)機(jī)組進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，因此該系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)和水量的要求較高。該部分的水源可通過多種設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)的取水來源有電站尾水、上游水庫取水等，隨著機(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化和增加，取水來源又增加了山溪水、地下水、轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)漏水。特別是頂蓋取水技術(shù)，可以在保證經(jīng)濟(jì)性能的前提下，提高供水可靠性。排水系統(tǒng)主要用于機(jī)組檢修和廠房的滲漏排水。該系統(tǒng)所采用機(jī)械設(shè)備主要包括集水井和新型排水設(shè)備，如立式深井泵、射流泵、承壓式壓力傳感器等。壓縮空氣系統(tǒng)主要用于向油壓裝置和檢修裝置補(bǔ)氣。為保證供氣質(zhì)量，該系統(tǒng)引入了自動(dòng)補(bǔ)齊裝置，這種裝置對(duì)自動(dòng)控制、水氣分離、冷卻功能等進(jìn)行了集成，可以更加安全便捷的實(shí)現(xiàn)功能要求。
2、技術(shù)供水系統(tǒng)
為適應(yīng)不同季節(jié)水輪機(jī)各部位冷卻器的用水要求，確保機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，采取不同時(shí)段不同的供水方式。當(dāng)庫水含沙量較小時(shí)，技術(shù)供水以蝸殼單元自流供水為主供水水源，壩前工業(yè)取水口為備用水源，經(jīng)電動(dòng)濾水器過濾后直接供入機(jī)組各部位的冷卻器，但主軸密封用水以設(shè)在壩頂?shù)母呶凰貫橹魉唇?jīng)減壓閥減壓后供給入軸封，并以壩前庫水為備用水源；當(dāng)庫水含沙量較大時(shí)，為防止泥沙對(duì)各部位冷卻器造成淤堵，每臺(tái)機(jī)組專設(shè)一個(gè)的清潔水池，清潔水由清水泵加壓后送入各部位的冷卻器，由冷卻器排出的升溫后的清潔水進(jìn)入防堵型水―水熱交換器進(jìn)行冷卻，然后送回清水池循環(huán)使用，防堵型水―水熱交換器的冷卻用水由蝸殼取水口或工業(yè)取水口供給。
3、水力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
水電站的自動(dòng)化水平設(shè)計(jì)要求機(jī)組及全廠各部位的電量及非電量均應(yīng)做到自動(dòng)取值，在線監(jiān)測(cè)，并且所有被監(jiān)測(cè)的量均送入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。水力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由全廠性和機(jī)組段兩個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，全廠性水力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)有上游水位、下游水位、電站水頭、各自攔污柵壓差、庫水含沙量及工業(yè)取水口水溫等項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)，針對(duì)本電站多泥沙的特點(diǎn)，水位的監(jiān)測(cè)采用防止泥沙淤堵并帶有含沙量修正功能的吹氣式水位監(jiān)測(cè)裝置，該裝置不僅可以修正含沙量對(duì)水位帶來的誤差，而且通過雙通道水位計(jì)還可以監(jiān)測(cè)庫水的含沙量變化。機(jī)組段水力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要設(shè)有蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管進(jìn)出口壓力、尾水管壓力脈動(dòng)、過機(jī)含沙量、水輪機(jī)凈水頭、流量、效率、機(jī)組各部位的振動(dòng)擺度等項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)。 4、油系統(tǒng)
油系統(tǒng)由抽油泵、存儲(chǔ)裝置與輸送設(shè)備組成。在對(duì)油進(jìn)行過濾輸送處理時(shí)，多個(gè)設(shè)備會(huì)同時(shí)運(yùn)行，要在每臺(tái)設(shè)備的控制端接入連接線，組成穩(wěn)定的系統(tǒng)，共同完成處理工作。系統(tǒng)中的部分設(shè)備應(yīng)具有移動(dòng)功能，方便完成不同角度的傳輸任務(wù)�？刂浦行陌l(fā)出指令后負(fù)責(zé)供應(yīng)與排除的管道同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。功能不同的管道會(huì)連接相應(yīng)的處理設(shè)備，彼此之間互不干擾，為檢修工作提供了便捷。
三、主廠房布置
在水力機(jī)械設(shè)計(jì)的同時(shí)。廠房也是一項(xiàng)很重要的環(huán)節(jié)因素，廠房的設(shè)備布置以及科技化的程度，都將影響著整體的工作進(jìn)程。因此，綜合各方面的因素考慮，合理的利用現(xiàn)有的設(shè)備資源，科學(xué)化的選址，各方面的協(xié)同合作，這些方面綜合起來考慮，才會(huì)建造出一項(xiàng)合乎科學(xué)與具有實(shí)際可操作性的項(xiàng)目工程。主廠房的布置是水力機(jī)械設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分，這不僅僅是由于主廠房是整個(gè)水電站的控制核心，還在于，主廠房的硬件設(shè)計(jì)指標(biāo)決定了其他設(shè)備的參數(shù)指標(biāo)和安裝過程。在主廠房的布置中，其高程和規(guī)模應(yīng)該考慮安裝在廠房中的各個(gè)機(jī)組設(shè)備因素。廠房的設(shè)計(jì)方式應(yīng)該與機(jī)組要求相一致，并根據(jù)實(shí)際工作需求更改對(duì)局部進(jìn)行優(yōu)化。隨著技術(shù)的進(jìn)步，廠房的布置也得到了改進(jìn)和完善。水輪機(jī)層為水力機(jī)械輔助系統(tǒng)主要設(shè)備的布置層，技術(shù)供水系統(tǒng)的設(shè)備及管路布置在該層下游側(cè)及同層的尾水副廠房?jī)?nèi)，廠內(nèi)滲漏排水、檢修排水系統(tǒng)設(shè)備以及壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)備布置在主體安裝場(chǎng)下同層的排水泵房和空壓機(jī)室內(nèi)。在副安裝場(chǎng)下有透平油及絕緣油庫和油處理室。
結(jié)論：
水電站的前期準(zhǔn)備工作與中間的施工過程以及事后的總結(jié)方面，科學(xué)技術(shù)都有滲透進(jìn)來。特別是在數(shù)據(jù)的加工處理以及繪圖方面，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)揮了很好的作用，水電站的機(jī)械設(shè)計(jì)方面在保持合理有效的機(jī)制的同時(shí)也在日趨完善。當(dāng)然，就我國目前的水電站單方面來說，在水力機(jī)械設(shè)計(jì)與改造這一塊還有進(jìn)步空間，我們需要根據(jù)選址及地理因素不斷地改良設(shè)計(jì)方案，從而提高其運(yùn)行效率。
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