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德庆县水利水电勘测设计室 广东德庆 526600
摘要：本文主要针对水电站水轮机选型设计中机组的参数展开了研究，介绍了水轮机选型的设计原则，对水轮机选型作了详细的阐述，并比较和分析了水轮机选型的设计方案和影响因素，以期能为有关方面的需要提供参考借鉴。
关键词：水电站；水轮机；选型设计
机组参数的确定，对于水电站水轮机的选型设计起到重要的作用，而水电站水轮机的选型又是整个水电站设计的关键，因此，合理确定机组参数对水电站的设计有着重要意义。基于此，本文就水电站水轮机选型设计中机组的参数进行了研究，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。
1 水轮机选型设计原则
这是水电站设计中的一项主要内容，因此，机型的技术特性要满足电站的设计条件，能在要求的水头和流量变化范围内运行，并具有足够的出力和较高的平均效率，在获得最优动力效益的同时，还要考虑到建设期的施工期限和投资，以及建后运行中的维护检修、设备的耐用性、稳定可靠性、抗汽蚀性能和运行费用。这些是在水电站选型设计中首先要考虑到的，也是必须遵守的原则。
2 水轮机选型
根据水电站的水能条件选择水轮机台数和水轮机型号是选型的第一步，机组台数不同，其转轮直径D1和转速n也不同，机组台数多，运行方式机动灵活，事故造成的影响较小，若电站担任峰荷时，负荷经常变化，适应性强，使每台机组在高效区运行，能提高整个电站的平均运行效率。但机组台数多将增加机电设备配套数量，加大厂房面积尺寸，引起单位千瓦投资的增加。机组台数少，厂房长度可以减小，机电设备数量少，运行管理简单，可降低电站投资，但会降低发电效率。在实际工作中，根据电站大小，要考虑既互相对立、又互相联系的两方面。在大中型水电站中，要考虑系统运行稳定可靠及检修的方便，一般不宜采用单台机组，而且为了方便电器主接线设计，运用偶数台数。对于小型水电站，因装机容量较小，机组台数不宜多，一般选用1～2台，为了制造、安装和维修方便，一个电站应尽量用同一机型。水轮机型号根据电站水头和容量范围，在水轮机系列型谱表或系列应用范围图中初步确定适宜的型号。在相同的条件下，若有两种型号可供选择时，定为待选方案，并对每种型号的主要参数，用模型实验数据绘出模型综合特性曲线进行选择后，通过方案比较，确定最优工况下水轮机在高效率区运行的型号作为电站机组型号。
电站水轮机主要参数的选择必须借助于模型实验，即用尺寸较小的水轮机作室内实验，获得全面性能，将模型实验记录的成果数据还算为H=1mD1=1m的水轮机单位参数，即单位转速n'、单位流量Q1'等，并绘制成模型水轮机主要综合特性曲线，利用相似定律将模型实验成果换算到原型水轮机上去。也就是用模型综合特性曲线（参数变化关系曲线）选择水轮机的主要参数。
2.1 水轮机的转轮直径D1
在水轮机选型中，转轮直径是水轮机的核心，其性能和尺寸决定着水轮机的性能结构和尺寸，转轮的形式也就决定了水轮机的形式。并反映了水轮机的最大出力和适用水头，同时决定着厂房尺寸的大小，平常所说的选用性能好和尺寸小的水轮机就指的转轮直径所决定。则参数D1的确定：
错误！未找到引用源。 （1）
上式中：
N—水轮机的额定出力（kW），N=N电/η电
N电—发电机的额定功率（kW）；
η电—发电机效率（大中型机组η电=96%～98%，中小型机组η电=95%～96%）；
H—设计水头（m）；
Q1'—水轮机单位流量（m3/s），在模型综合特性曲线上的高效区选取；
η—水轮机原型效率，在模型综合特性曲线的
Q1'点处选取，再加修正值Δη，最后根据D1、H设、D1M、HM计算出准确的效率修正值Δη，得出原型最大效率ηmax=ηM.max+Δη；
ηmax—原型最大效率；
ηM.max—模型最大效率；
Δη—原型效率修正值，Δη=1%～3%。
2.2 水轮机转速n
水轮机的转速可随工况的变化而改变，当水轮机和发电机直接连接时，其转速必须与发电机额定转速同步。
即错误！未找到引用源。（r/min） （2）
上式中：
n10—原型水轮机最优单位转速（r/min），根据模型最优单位转速进行修正而得；
H设—电站设计水头（m）。
最后对上面所选的水轮机转轮直径D1和转速n进行检验，看是否符合选型原则。其方法是根据计算出的转轮直径和转速，按原模型相似定律，计算出最大水头和最小水头的单位转速n'1，再根据模型实验计算出最大电站出力和最小电站出力的单位流量Q1'。由两个单位转速和两个单位流量值，在模型综合特性曲线上绘出的四边形水轮机工作范围，若包括了特性曲线中心部分的高效率区，说明选出的两个参数是合适的。否则，应改变参数，重新计算，直至工作范围包括在高效区为止，才能说明选定的参数在设计水头时能发出额定出力，且水轮机效率最高，尺寸最小。
2.3 水轮机最大允许吸出高度Hs
对于选定的水轮机，其动力真空是一定的，吸出高度也就是静力真空值，以海平面的平均大气压为10.33m水柱高计算，当高程在3000m以内时，每升高900m大气压力降低1m。当确定了水电站处的海拔高程，水轮机装置出的大气压力为10.33-错误！未找到引用源。900（m），则水轮机吸出高度应该是：
错误！未找到引用源。 （3）
上式中：
kσ—汽蚀安全系数，取经验值1.05～1.1，单机容量大的水电站长kσ高达1.4；
σ—汽蚀系数，从水轮机模型实验中选取。
汽蚀系数越大，则动力真空越大，越易产生汽蚀，机组安装高程就低，基础开挖困难，土建工程量大。所以，在保证良好的能量特性情况下，应选用汽蚀系数较小的机型，正确地确定吸出高度是确定水轮机安装高程的重要条件，也是水电站设计参数选择的重要内容之一。吸出高度确定后，安装高程也就确定了。
3 水轮机选型设计方案比较
对于在同一水能条件下，选择出合适的不同型号的模型水轮机，进行方案比较，最后选出最优工况下的水轮机。
3.1 水轮机性能比较
（1）所选的水轮机转轮使用水头范围能否满足电站水头变化要求，若电站最大水头超过模型转轮推荐的使用水头范围，则转轮强度满足不了要求；若最小水头低于模型转轮的最小水头，则偏离设计工况，影响机组正常运行。
（2）对所选水轮机额定出力的大小进行比较。
（3）汽蚀性能和吸出高度比较，汽蚀系数σ值大，机组安装高程高，开挖量大。
（4）效率高低比较，比较最高效率和高效区大小，对充分利用水资源是很重要的。
（5）在综合特性曲线上根据最大、最小水头看水轮机工作范围，是否在高效率区运行。
3.2 技术经济指标比较
（1）根据水轮机的平均效率，计算多年平均发电量
（2）水电站总投资计算比较和年运行费比较。
（3）各方案的单位千瓦投资、单位电量投资和电能成本指标的比较。
3.3 技术条件比较
（1）水轮机制造、运输和安装。
（2）各型号水轮机方案的厂房枢纽布置及施工条件。
（3）运行管理费比较。
4 影响因素
摘要：本文主要针对水电站水轮机选型设计中机组的参数展开了研究，介绍了水轮机选型的设计原则，对水轮机选型作了详细的阐述，并比较和分析了水轮机选型的设计方案和影响因素，以期能为有关方面的需要提供参考借鉴。
关键词：水电站；水轮机；选型设计
机组参数的确定，对于水电站水轮机的选型设计起到重要的作用，而水电站水轮机的选型又是整个水电站设计的关键，因此，合理确定机组参数对水电站的设计有着重要意义。基于此，本文就水电站水轮机选型设计中机组的参数进行了研究，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。
1 水轮机选型设计原则
这是水电站设计中的一项主要内容，因此，机型的技术特性要满足电站的设计条件，能在要求的水头和流量变化范围内运行，并具有足够的出力和较高的平均效率，在获得最优动力效益的同时，还要考虑到建设期的施工期限和投资，以及建后运行中的维护检修、设备的耐用性、稳定可靠性、抗汽蚀性能和运行费用。这些是在水电站选型设计中首先要考虑到的，也是必须遵守的原则。
2 水轮机选型
根据水电站的水能条件选择水轮机台数和水轮机型号是选型的第一步，机组台数不同，其转轮直径D1和转速n也不同，机组台数多，运行方式机动灵活，事故造成的影响较小，若电站担任峰荷时，负荷经常变化，适应性强，使每台机组在高效区运行，能提高整个电站的平均运行效率。但机组台数多将增加机电设备配套数量，加大厂房面积尺寸，引起单位千瓦投资的增加。机组台数少，厂房长度可以减小，机电设备数量少，运行管理简单，可降低电站投资，但会降低发电效率。在实际工作中，根据电站大小，要考虑既互相对立、又互相联系的两方面。在大中型水电站中，要考虑系统运行稳定可靠及检修的方便，一般不宜采用单台机组，而且为了方便电器主接线设计，运用偶数台数。对于小型水电站，因装机容量较小，机组台数不宜多，一般选用1～2台，为了制造、安装和维修方便，一个电站应尽量用同一机型。水轮机型号根据电站水头和容量范围，在水轮机系列型谱表或系列应用范围图中初步确定适宜的型号。在相同的条件下，若有两种型号可供选择时，定为待选方案，并对每种型号的主要参数，用模型实验数据绘出模型综合特性曲线进行选择后，通过方案比较，确定最优工况下水轮机在高效率区运行的型号作为电站机组型号。
电站水轮机主要参数的选择必须借助于模型实验，即用尺寸较小的水轮机作室内实验，获得全面性能，将模型实验记录的成果数据还算为H=1mD1=1m的水轮机单位参数，即单位转速n'、单位流量Q1'等，并绘制成模型水轮机主要综合特性曲线，利用相似定律将模型实验成果换算到原型水轮机上去。也就是用模型综合特性曲线（参数变化关系曲线）选择水轮机的主要参数。
2.1 水轮机的转轮直径D1
在水轮机选型中，转轮直径是水轮机的核心，其性能和尺寸决定着水轮机的性能结构和尺寸，转轮的形式也就决定了水轮机的形式。并反映了水轮机的最大出力和适用水头，同时决定着厂房尺寸的大小，平常所说的选用性能好和尺寸小的水轮机就指的转轮直径所决定。则参数D1的确定：
错误！未找到引用源。 （1）
上式中：
N—水轮机的额定出力（kW），N=N电/η电
N电—发电机的额定功率（kW）；
η电—发电机效率（大中型机组η电=96%～98%，中小型机组η电=95%～96%）；
H—设计水头（m）；
Q1'—水轮机单位流量（m3/s），在模型综合特性曲线上的高效区选取；
η—水轮机原型效率，在模型综合特性曲线的
Q1'点处选取，再加修正值Δη，最后根据D1、H设、D1M、HM计算出准确的效率修正值Δη，得出原型最大效率ηmax=ηM.max+Δη；
ηmax—原型最大效率；
ηM.max—模型最大效率；
Δη—原型效率修正值，Δη=1%～3%。
2.2 水轮机转速n
水轮机的转速可随工况的变化而改变，当水轮机和发电机直接连接时，其转速必须与发电机额定转速同步。
即错误！未找到引用源。（r/min） （2）
上式中：
n10—原型水轮机最优单位转速（r/min），根据模型最优单位转速进行修正而得；
H设—电站设计水头（m）。
最后对上面所选的水轮机转轮直径D1和转速n进行检验，看是否符合选型原则。其方法是根据计算出的转轮直径和转速，按原模型相似定律，计算出最大水头和最小水头的单位转速n'1，再根据模型实验计算出最大电站出力和最小电站出力的单位流量Q1'。由两个单位转速和两个单位流量值，在模型综合特性曲线上绘出的四边形水轮机工作范围，若包括了特性曲线中心部分的高效率区，说明选出的两个参数是合适的。否则，应改变参数，重新计算，直至工作范围包括在高效区为止，才能说明选定的参数在设计水头时能发出额定出力，且水轮机效率最高，尺寸最小。
2.3 水轮机最大允许吸出高度Hs
对于选定的水轮机，其动力真空是一定的，吸出高度也就是静力真空值，以海平面的平均大气压为10.33m水柱高计算，当高程在3000m以内时，每升高900m大气压力降低1m。当确定了水电站处的海拔高程，水轮机装置出的大气压力为10.33-错误！未找到引用源。900（m），则水轮机吸出高度应该是：
错误！未找到引用源。 （3）
上式中：
kσ—汽蚀安全系数，取经验值1.05～1.1，单机容量大的水电站长kσ高达1.4；
σ—汽蚀系数，从水轮机模型实验中选取。
汽蚀系数越大，则动力真空越大，越易产生汽蚀，机组安装高程就低，基础开挖困难，土建工程量大。所以，在保证良好的能量特性情况下，应选用汽蚀系数较小的机型，正确地确定吸出高度是确定水轮机安装高程的重要条件，也是水电站设计参数选择的重要内容之一。吸出高度确定后，安装高程也就确定了。
3 水轮机选型设计方案比较
对于在同一水能条件下，选择出合适的不同型号的模型水轮机，进行方案比较，最后选出最优工况下的水轮机。
3.1 水轮机性能比较
（1）所选的水轮机转轮使用水头范围能否满足电站水头变化要求，若电站最大水头超过模型转轮推荐的使用水头范围，则转轮强度满足不了要求；若最小水头低于模型转轮的最小水头，则偏离设计工况，影响机组正常运行。
（2）对所选水轮机额定出力的大小进行比较。
（3）汽蚀性能和吸出高度比较，汽蚀系数σ值大，机组安装高程高，开挖量大。
（4）效率高低比较，比较最高效率和高效区大小，对充分利用水资源是很重要的。
（5）在综合特性曲线上根据最大、最小水头看水轮机工作范围，是否在高效率区运行。
3.2 技术经济指标比较
（1）根据水轮机的平均效率，计算多年平均发电量
（2）水电站总投资计算比较和年运行费比较。
（3）各方案的单位千瓦投资、单位电量投资和电能成本指标的比较。
3.3 技术条件比较
（1）水轮机制造、运输和安装。
（2）各型号水轮机方案的厂房枢纽布置及施工条件。
（3）运行管理费比较。
4 影响因素