小型水电站水轮机选型与优化的探讨.doc

中小型水电站水轮机选型与优化的探讨 　　　　　　　作者：梁章堂　甘肃省水利水电勘测设计研究院 摘 要：为了研究影响中小型水电站水轮机优化选型的主要因素，根据中小型水电站的特点及代表水轮机技术特性的各参数之间相互关系，论述了水轮机考虑抗磨蚀和运行稳定性时，其技术经济参数选择和优化的方法、途径，并对信息技术用于水轮机的选型和优化做了初步探讨。关键词：中小型水电站；水轮机选型；优化；磨蚀；运行稳定性；计算机流体动力学 我国水电资源蕴藏丰富，可经济开发的水电资源达3.7亿kW，装机容量小于300MW的中小水电约占到可经济开发资源量的50%。改革开放以来，随着经济和社会的发展对电力日益增长的需求，我国电力工业获得快速发展，水电建设如火如荼。一些地方中小水电特别是农村水电甚至成为当地经济可持续发展的支柱，以电代燃料成为维持生态环境良性循环的保障。 水轮机是水力发电的关键设备之一。水轮机特性的优劣是影响水电站经济性的重要因素。水轮机的选型是根据电站的水文、水能等基础资料，结合工程总体布置和水轮机的水力特性、结构、材料及制造工艺等问题，按照技术先进、经济合理的原则，选择和确定水轮机的技术参数。参数优化的目的是通过技术方案的比较，对设备和工程建设的投资、运行费用，设备预期的可用性、可靠性、使用寿命，预期的收益等工程生命周期内的技术与经济因素，及其相互间的影响，进行综合比较和评判，寻求资源利用充分、投资省、收益高的最优方案。为了经济地开发水电资源，合理选择水轮机技术经济参数并进行优化，是水电资源开发、咨询和设计阶段的主要任务，也是水轮机设备采购招标投标的重要工作。 水轮机技术特性(包括能量特性、空化特性和运行稳定性)与经济性，以及代表水轮机技术特性的各参数(比转速ns、单位转速n1、单位流量Q1、水轮机效率η、空化系数σ等)之间，存在着相互制约、相辅相成的辩证关系。水轮机技术经济参数的选择和优化是一项复杂的系统工程。本文根据中小型水电站的特点，探讨了水轮机的磨蚀和运行稳定性以及选择和优化水轮机技术经济参数的途径，对信息技术的发展和应用于水轮机选型和优化问题，也进行了初步探讨。 1 水轮机磨蚀与选型优化 众所周知，空化是发生在运行中的水力机械的一种流体动力现象，当空化发生发展，并造成过流部件材料的破坏损耗称为空蚀。在含沙水流中工作的水力机械除了会发生空化外还将发生砂粒磨损，但发生在水力机械中的沙粒磨损不同于一般磨粒磨损，常常与空化现象相伴发生，造成并且加剧过流部件的空蚀和磨损破坏。我国工程和学术界将这种水力机械转轮等过流部件在含沙水流介质中工作时发生的空蚀和沙粒磨损破坏统称为磨蚀。磨蚀导致水力机械性能下降，效率降低，甚至失效。我国中西部地区特别是黄河流域的水电工程，通常都不同程度地遭受到磨蚀损坏，如黄河三门峡、云南六郎洞、新疆喀什三级等水电站水轮机的磨蚀状况是较为典型的例子。 根据国内外的研究和实践，水轮机泥沙磨损强度与水流的含沙量，沙粒的矿物成分、硬度及其形状、粒径，沙粒运动的速度(流道内相对流速)等有关，也与水力模型(包括叶型、流道)的空化特性及过流部件所采用的材料特性有关。我国水电科研、工程设计、水电设备研制与水电运行管理部门，在长期广泛的理论研究和工程实践的基础上，借鉴国内外水电工程的经验教训，从工程总体布置、水轮机参数选择、设备制造选材、工艺和运行调度等方面，总结出了对在含沙水流中工作的水轮机抗磨蚀防护行之有效的措施，概括起来主要为以下6个方面：优化水沙调度，蓄清排浑或设置沉沙、排沙设施以减少泥沙过机；采用较低的能量参数如降低水轮机转轮中的相对流速(如控制水轮机转轮出口圆周速度U2≤38～42m/s)，以降低磨蚀强度；水轮机的过流部件采用耐磨蚀性和工艺性好的材料，以及采用先进的材料加工工艺(如采用不锈钢板冲压转轮轮叶)，以提高抗磨蚀性能；过流部件采取表面处理措施，如打磨以提高表面的粗糙度精度、硬度、韧性，或在材料表面喷焊或涂(镀)抗磨蚀的金属或非金属材料等技术和工艺，也可提高抗磨蚀性能；采用五轴数控铣床加工水轮机转轮叶片，以保证型线准确度；适当降低水轮机安装高程以减轻空蚀强度等。 含沙河流上的水电站水轮机参数的选择与优化，应根据水流含沙情况(包括含沙量、粒径、成分、硬度等)和河道输沙特点，电站在系统中的地位及系统对电站的运行要求，电站可能选择的防护措施，包括水库运用及水沙调度、电站运行调度、检修制度等运行管理措施的应用等，分析、预测水轮机运行过程中可能发生的磨蚀及其破坏程度，提出水轮机参数的选择方案，要根据经济合理的原则对方案进行全面的分析评价、选优。 中小型水电站(包括农村水电站)一般都要并入电网运行，且其水轮机设备尺寸一般不大(低水头水电站除外)，制造、安装技术难度相对较小，检修也较方便。此外，河道径流和输沙量一