摘要： 本文一方面介紹了小型水輪機設(shè)計選型的方式和方法，另一方面探討了交界水頭段的水輪機的型式選擇。對小型水電站水輪機實際選型設(shè)計工作有一定指導意義。
關(guān)鍵詞： 小型水電站；水輪機；選型設(shè)計
中圖分類號：TK73 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）26-0080-02
1 小型水輪機設(shè)計選型的方式和方法
在對水輪機進行選型時，其核心思想在于能否合理準確的確定出水輪機的一些關(guān)鍵參數(shù)。盡管小型水輪機能夠產(chǎn)生的能量有限，但是卻影響著由其組成的小型水電站的運行效益，然而水輪機的運行效益在很大程度上受一些參數(shù)左右[2]。水輪機參數(shù)的確定方法主要有兩種，其一是參照現(xiàn)有水輪機模型相關(guān)數(shù)據(jù)資料或通過對比水輪機型譜來確定應(yīng)選水輪機，其二是借鑒應(yīng)用實踐經(jīng)驗，并依據(jù)比轉(zhuǎn)速，結(jié)合統(tǒng)計比較法來選擇出應(yīng)選的水輪機參數(shù)。以上兩種水輪機選型方法，其全面性均有所欠缺。例如參照現(xiàn)有水輪機模型相關(guān)數(shù)據(jù)資料或通過對比水輪機型譜來確定水輪機，經(jīng)常會因資料不全，無法甄選出參數(shù)更佳的機型；而借鑒經(jīng)驗，結(jié)合統(tǒng)計比較法來選擇參數(shù)的水輪機，往往針對性不強，極易造成小型水輪機生產(chǎn)廠家的制造能力無法匹配應(yīng)用要求[3]。
這種現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因在于市場和生產(chǎn)廠家制造技術(shù)能力在很大程度上影響著小型水輪機選型工作。首先，小型水電站成本投入不大，建設(shè)周期相對較短，廠家能夠獲取的利潤空間較小，因此，一般不會針對特定水電站重新設(shè)計水輪機；其次，部分大型水輪機生產(chǎn)廠雖然掌握先進機型的制造技術(shù)，但卻不屑于生產(chǎn)小型機組，而部分專業(yè)從事小型水輪機生產(chǎn)的廠家，其制造能力和所掌握的的生產(chǎn)技術(shù)也有限。此外，部分中小水輪機設(shè)計院，其所掌握的轉(zhuǎn)輪模型和設(shè)計技術(shù)較為落后，而小型水電站設(shè)計周期短，投入小，致使設(shè)備選型時出現(xiàn)廠家代替選型的現(xiàn)象。針對上述情況，筆者通過查閱相關(guān)文獻資料，并結(jié)合自身多年水輪機選型經(jīng)驗，總結(jié)了一些小型水輪機選型的設(shè)計要點，其具體如首先下：
首先，在對小型水輪機進行選型設(shè)計工作時，一般選取技術(shù)相對成熟并已經(jīng)投放過市場的機型，因此，選型設(shè)計人員應(yīng)重點留意不同地質(zhì)環(huán)境下各水頭段內(nèi)已經(jīng)投放運行的水電站所用的水輪機組，收集這些機組的資料，并有針對性的關(guān)注融入新興技術(shù)的機型資料。其次，與小型水輪機生產(chǎn)商建立長期的溝通交流關(guān)系，以便能夠充分了解其生產(chǎn)技術(shù)與生產(chǎn)能力。最后，優(yōu)化選型設(shè)計思路。在項目可行性評估過程中，應(yīng)結(jié)合水電站的基本參數(shù)，收集生產(chǎn)廠家的資料，在經(jīng)過生產(chǎn)制造能力摸底的基礎(chǔ)上，預(yù)估出能夠使水輪機保持良好運行狀態(tài)的參數(shù)范圍，同時篩選出候選生產(chǎn)廠家及機型；招標過程中，應(yīng)與水電站項目業(yè)主互相配合，對各種水輪機組招標方案進行探討，以確定出技術(shù)經(jīng)濟相對符合期望的機型。此外，在小型水電站水輪機選型設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)所具備的條件挑選出參數(shù)性能相對優(yōu)越、經(jīng)濟性相對較好的方案，不可一味追求高參數(shù)，投入運行的水輪機組還應(yīng)對其進行后期跟蹤，以了解其穩(wěn)定性情況。
2 交界水頭段的水輪機的型式選擇
不同于大型水輪機，交界水頭段的小型水輪機在選型時需綜合考慮水電站周圍地質(zhì)地貌、技術(shù)要求、經(jīng)濟能力等。
2.1 燈泡貫流式水輪機和軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機 近10年來，燈泡貫流式水輪機在我國被大量應(yīng)用，實踐證明，相比于傳統(tǒng)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機，燈泡貫流式水輪機在25米以下水頭端擁有較好的經(jīng)濟性。其中，燈泡貫流式水輪機應(yīng)用過程中有以下幾方面需要注意：
�、偃绻谝恍⿳{谷或深山中建設(shè)水電站，因水電站所處的河道很窄，導致洪峰流量相對較大，在很大程度上增大了水電站下游尾水位變幅，因此要求洪水位需設(shè)計得較高。而如若仍選擇燈泡貫流式水輪機，即便采取臥軸布置方式，也無法避免因水電站下部開挖程度較大而大量增加 防洪土建成本的情況。
�、跓襞葚灹魇剿啓C制造起來比較困難，目前國內(nèi)大部分中小水輪機生產(chǎn)廠家未能掌握較好的轉(zhuǎn)輪模型，且受設(shè)計水平、生產(chǎn)能力制約。在進行招標時，應(yīng)嚴格限制實力不允許的廠家參與。
③部分引水式小型水電站，燈泡貫流式水輪機組GD2不夠大，無法滿足調(diào)保要求。
�、懿煌趥鹘y(tǒng)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機，燈泡貫流式水輪機組在運行和檢修方面均不同。
2.2 軸流式水輪機和混流式水輪機 軸流式水輪機通常分為兩種，分別是轉(zhuǎn)槳式和定槳式。其中定槳式水輪機主要應(yīng)用于小型水電站中。其結(jié)構(gòu)不復雜、造價成本低，并且不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪漏油問題，但是因其結(jié)構(gòu)問題，其運行效率較低，穩(wěn)定性有待提高。此外，一些高海拔地區(qū)的徑流式低水頭電站，因其流量變化大，會直接影響定槳式水輪機的運行效益，造成水輪機空載運行或小負荷運行時振動較為劇烈，使實際流量大于初始設(shè)計流量，增大了水頭損失，即便在水輪機導葉全開的情況下，仍然不能以額定功率做功。因此，軸流定槳式水輪機應(yīng)盡量應(yīng)用于轉(zhuǎn)輪直徑小于2米的情況下。
混流式水輪機主要應(yīng)用于低水頭小型水電站中，其機組選價相對較高，但是空化性能優(yōu)越，Hs值也比較大，安裝機組時高度較高，因此土建成本較低。相比于軸流定槳式水輪機，混流式水輪機運行過程中的穩(wěn)定性較好。同時當其處于高尾水位工作環(huán)境下，不會出現(xiàn)定槳式水輪機的抬機問題。
近些年，軸流式水輪機經(jīng)過不斷研發(fā)與創(chuàng)新，大大提高了其運行效率和穩(wěn)定性，并且因其負荷調(diào)節(jié)具有較大的范圍，可以有效縮減機組數(shù)量，降低了機組選價，雖然其做功受空化條件影響，但不可否認的是在汛期下游尾水較高時，其出力裕度仍然比混流式水輪機出色。此外，軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機通過合理增大轉(zhuǎn)輪直徑和抬高水輪機組安裝高程，能夠使其應(yīng)用于小型水電站時增強其空化性能，雖然其Hs值較小，土建成本較高，但是其發(fā)電機的造價相比混流式而言極低，且能保持較大的出力裕度。綜合比較，軸流式水輪機相比混流式水輪機具有投資成本小的優(yōu)勢。
2.3 水斗式水輪機與混流式水輪機 由于我國高水頭混流式水輪機受設(shè)計水平、制造能力、原材料加工技術(shù)制約，使得上世紀80年代以前小型水電站主要應(yīng)用水斗式水輪機。而隨著我國設(shè)計制造水平的提升，高水頭混流式水輪機已經(jīng)逐漸應(yīng)用于高水頭水電站中。相比于水斗式水輪機，混流式水輪機因其采用了大軸頸導師葉、高剛度頂蓋以及長、短葉片轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)，提升了抗磨蝕性和運行穩(wěn)定性，并且其機組造價低相對較低，運行水頭可達500m，但將其應(yīng)用于小型水電站時，還需注意以下問題：
�、俑咚^混流式水輪機Hs值通常為負值，機組安裝高程極低，遇到深山峽谷，土建成本很高。
②高水頭混流式水輪機轉(zhuǎn)速很高，當機組容量設(shè)計不夠大時，極易出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超出額定范圍，需要重新增大轉(zhuǎn)輪直徑以降低轉(zhuǎn)速。加大經(jīng)濟投入的同時，還會降低運行效率與穩(wěn)定性。
3 結(jié)束語
隨著國民經(jīng)濟和國家現(xiàn)代化進程的迅猛發(fā)展，使得在城市化建設(shè)中需要越來越多的水電工程，通過掌握小型水輪機設(shè)計選型的方式和方法，并了解一些常見各類交界水頭段水輪機性能的優(yōu)缺點，對于提升小型水電站運行效率和經(jīng)濟效益而言至關(guān)重要。
參考文獻：
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