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[摘 要]在小型水电站的机组设计选择中，水轮发电机组选型将直接影响到最终的水电站投入运行稳定性与运行效益，因此，要求设计人员必须在一开始就严格按照设计原则，从细节出发，控制好机组选择的各个参数要求，最终保证机组的成本最小、效益最大。
[关键词]水电站机组 选型原则 注意问题
中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）39-0034-01
水力发电过程中，设计水轮发电机组的设计合理性至关重要，其特性方面的优劣将会直接影响到水电站整体运营的经济性，因而是控制水电站运营质量的重要因素。可见，必须结合相应的技术经济参数合理选择机组，采用适合的水轮机发电机组设备，从而保障小型水电站的日常顺利运行。
1 小型水电站机组的选型原则与方法
1.1 水轮机选型原则
（1）预先检测设计水头下所发出的额定出力，如果实际低于设计水头，则所设计的机组受阻容量应当尽可能小，使水轮机能够发挥其最大效率。
（2）机组参数和水电站的基本参数应当彼此适应。由于每一种型号的水轮机都有自身所适用的水头范围，其水头上限则主要是根据该型水轮机的强度、汽蚀条件进行制定的；而下限则需要充分考虑能够使水轮机运行效率不会过低。由最大水头计算飞逸转速，控制在配套发电机飞逸转速值以下。
（3）在同等水头的情况下，选择水轮机转速相对较高的，或选择配套发电机造价较低，允许吸出高程较大的，并且以转轮直径小的水轮机为宜，汽蚀系数小且性能较为稳定。
（4）机组台数要求能够适应运行的灵活性要求，确保机组在高效率区的运行，通常以2～4台为宜。
（5）如果同一电站有多种机型方案可供选择，则需要视电站具体情况进行方案综合比较，以选择最适合的水轮机机型。发电机则通常是由水轮机制造厂配套供应，其选型应当与水轮机的选择同步。
1.2 水轮机选型设计方法
在针对小型水电站的水轮机进行设计时，通常运用“查表套用法”，其使用方法简单，而水轮机型号的选择重点是取决于设计水头，设计人员则应当依据水轮机生产厂家所提供的“水轮机产品目录”中，所列的各类机型水轮机性能配套表参数，严格按照“水轮机选型原则”，确定水轮机与发电型号选择。
2 小型水电站机组选型设计应注意的几个问题
2.1 水电站设计水头的选定
水电站设计水头的确定，在水轮机选型设计中起着至关重要的作用，尤其在低水头电站中更为突出。因此在进行水头测量和计算水头损失时一定要认真，对各方面因素要考虑周全，因为水头的不同会造成机组出力、过流量、转速和效率的不同。例如某小电站，设计水头6.0m，选用ZD760-LH-100，装机为3×200kW，设计年发电量为260万kW·h。电站运行中实际净水头为5.4m，尽管水头只相差0.6m，相差比例仅为10%，但对电站效益的影响却远远超过10%。目前单机运行时最大出力为170kW，3台机并列运行时最大出力僅为470kW，年发电量约为200万kW·h。究其原因主要是设计时沿程与局部水头损失计算不够，未考虑到发电用水对尾水位造成的影响。由于轴流定浆式水轮机高效率区相对较窄，电站机组出力不足，长期无法在高效率区运行，有水也无法多发电，造成年发电量仅为预期的77%。
2.2 设计引用流量的选定
各地区由于年降雨量、降雨分布时间和植被等情况的不同，同样大的流域面积取用的流量应该各不相同。设计引用流量一般取集雨面积F×（0.04～0.06）m3/km2·s。流量的取值一定要根据实际情况确定，取小了不仅水能资源无法充分利用，而且还影响电站效益；取大了会造成投资增大，设备闲置，同样会影响电站效益。因此在设计时应根据是否有水库调节或径流等因素，多设计几个方案进行比较，选择投资效益最大的方案，有时也可以综合考虑未来因素。如是梯级开发的电站，一定要根据上游电站设计流量，再结合支流情况进行综合分析，确定取用流量。现实中经常发现上、下游取用流量不匹配的现象，下游电站要么装机偏小，弃水现象严重，造成水能资源的浪费，要么装机偏大，造成投资浪费和机电设备闲置。
2.3 机组台数和容量的选定
一般小型水电站的机组台数选用2台就可以，台数多会造成投产增大，还会增加今后的运行、维修费用。当然也不能只选择1台，除非有较大的调节库容，否则会造成平均效率低，甚至会出现少水时机组无法发电，只够空载损耗现象。如电站机组台数选用2台时，由于目前水电站设计取用流量一般都大于年平均流量许多，在选择机组容量时，就必须考虑上游来水量的变化情况，合理选择机组容量，使电站机组的最大效率和平均效率都高。笔者认为不一定要按原设计规范要求“选择同型号、同规格的产品”选用机组容量，虽然这样便于备品备件的通用，但目前由于交通和购买备品备件方便，一些小水电站一般都较少备有备品备件，大多是临时采购。因此在选用机组容量时，最好选用一大一小的机组比较适宜，这样更能灵活应对流量与水头的变化，提高机组平均效率，增加发电量。现实中经常发现选用相同容量机组的电站，在来水量够发一台多一些的时候，往往容易出现弃水现象，因为此时发1台机与发2台机的出力差不多（因为多余的水只够另1台机组空载，或只能维持另1台机在极低效率区运行），因此会造成这段时间单机容量15%～20%左右的功率损失。选用大、小机组容量匹配，可以克服以上缺陷，大机容量一般选择为小机容量的1.5～2倍左右。
2.4 水轮发电机组选型与生产厂家选择
水轮机的选型要充分考虑上游来水量和电站水头的变化情况，合理选择机型。如水库坝后式水电站，由于水头变化较大，必须选用对水头和出力变化幅度大时适应性较强的水轮机型。从不同型式水轮机的工作特性曲线查知，斜流式水轮机的最大效率高且高效率区宽，即使机组出力只有额定出力的20%时，效率也在80%以上。其次是轴流转桨式和水斗式水轮机，虽然它们最大效率没有斜流式水轮机高，但在变水头工况下，效率曲线变化平缓，在机组出力只有额定出力的20%时，效率也有70%左右，而混流式此时效率只有50%左右，轴流定桨式此时效率不到20%。在选择机型时，尽量选用新型高效转轮的水轮机，同时要注意不同型式水轮机适用的水头和机组价格，如斜流式水轮机的最大效率高且高效率区宽，但它的适用水头在40～120m之间，假如电站运行的水头不在这范围内，即使该机型性能再好，也不能选用。再如适应水头相同的混流式和轴流定桨式水轮机价格相差近1倍，两种机型最高效率差不多，但混流式比轴流定桨式水轮机的高效率区要宽，如电站装机容量能满足出力变化，保持在较高效率区内运行，就没有必要选用混流式水轮机。相同型号的机组，由于厂家生产工艺和选用材料不同，产品质量与运行效率也不同，当然好的产品价格会高些，但不是较贵价格的产品就一定是较好的，在选择生产厂家时可到已投产的同机型电站去了解机组性能和运行情况。现实中常常可以看到因产品质量差，造成机组效率低，达不到额定出力、水能利用率差和机组振动、发热严重以及经常出故障，或因结构不合理，检修维护操作不方便等现象，严重影响了电站效益。因此在选择生产厂家时不能贪图便宜而盲目选择。
3 结语
综上所述，在小型水电站设计中水轮发电机组的选型与最终水电站投入使用后的效益有着紧密的关系，所以要求设计人员在一开始就必须从细节出发，认真、仔细、严格地控制好每个环节，从而才能保证成本最小、效益最大。
[关键词]水电站机组 选型原则 注意问题
中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）39-0034-01
水力发电过程中，设计水轮发电机组的设计合理性至关重要，其特性方面的优劣将会直接影响到水电站整体运营的经济性，因而是控制水电站运营质量的重要因素。可见，必须结合相应的技术经济参数合理选择机组，采用适合的水轮机发电机组设备，从而保障小型水电站的日常顺利运行。
1 小型水电站机组的选型原则与方法
1.1 水轮机选型原则
（1）预先检测设计水头下所发出的额定出力，如果实际低于设计水头，则所设计的机组受阻容量应当尽可能小，使水轮机能够发挥其最大效率。
（2）机组参数和水电站的基本参数应当彼此适应。由于每一种型号的水轮机都有自身所适用的水头范围，其水头上限则主要是根据该型水轮机的强度、汽蚀条件进行制定的；而下限则需要充分考虑能够使水轮机运行效率不会过低。由最大水头计算飞逸转速，控制在配套发电机飞逸转速值以下。
（3）在同等水头的情况下，选择水轮机转速相对较高的，或选择配套发电机造价较低，允许吸出高程较大的，并且以转轮直径小的水轮机为宜，汽蚀系数小且性能较为稳定。
（4）机组台数要求能够适应运行的灵活性要求，确保机组在高效率区的运行，通常以2～4台为宜。
（5）如果同一电站有多种机型方案可供选择，则需要视电站具体情况进行方案综合比较，以选择最适合的水轮机机型。发电机则通常是由水轮机制造厂配套供应，其选型应当与水轮机的选择同步。
1.2 水轮机选型设计方法
在针对小型水电站的水轮机进行设计时，通常运用“查表套用法”，其使用方法简单，而水轮机型号的选择重点是取决于设计水头，设计人员则应当依据水轮机生产厂家所提供的“水轮机产品目录”中，所列的各类机型水轮机性能配套表参数，严格按照“水轮机选型原则”，确定水轮机与发电型号选择。
2 小型水电站机组选型设计应注意的几个问题
2.1 水电站设计水头的选定
水电站设计水头的确定，在水轮机选型设计中起着至关重要的作用，尤其在低水头电站中更为突出。因此在进行水头测量和计算水头损失时一定要认真，对各方面因素要考虑周全，因为水头的不同会造成机组出力、过流量、转速和效率的不同。例如某小电站，设计水头6.0m，选用ZD760-LH-100，装机为3×200kW，设计年发电量为260万kW·h。电站运行中实际净水头为5.4m，尽管水头只相差0.6m，相差比例仅为10%，但对电站效益的影响却远远超过10%。目前单机运行时最大出力为170kW，3台机并列运行时最大出力僅为470kW，年发电量约为200万kW·h。究其原因主要是设计时沿程与局部水头损失计算不够，未考虑到发电用水对尾水位造成的影响。由于轴流定浆式水轮机高效率区相对较窄，电站机组出力不足，长期无法在高效率区运行，有水也无法多发电，造成年发电量仅为预期的77%。
2.2 设计引用流量的选定
各地区由于年降雨量、降雨分布时间和植被等情况的不同，同样大的流域面积取用的流量应该各不相同。设计引用流量一般取集雨面积F×（0.04～0.06）m3/km2·s。流量的取值一定要根据实际情况确定，取小了不仅水能资源无法充分利用，而且还影响电站效益；取大了会造成投资增大，设备闲置，同样会影响电站效益。因此在设计时应根据是否有水库调节或径流等因素，多设计几个方案进行比较，选择投资效益最大的方案，有时也可以综合考虑未来因素。如是梯级开发的电站，一定要根据上游电站设计流量，再结合支流情况进行综合分析，确定取用流量。现实中经常发现上、下游取用流量不匹配的现象，下游电站要么装机偏小，弃水现象严重，造成水能资源的浪费，要么装机偏大，造成投资浪费和机电设备闲置。
2.3 机组台数和容量的选定
一般小型水电站的机组台数选用2台就可以，台数多会造成投产增大，还会增加今后的运行、维修费用。当然也不能只选择1台，除非有较大的调节库容，否则会造成平均效率低，甚至会出现少水时机组无法发电，只够空载损耗现象。如电站机组台数选用2台时，由于目前水电站设计取用流量一般都大于年平均流量许多，在选择机组容量时，就必须考虑上游来水量的变化情况，合理选择机组容量，使电站机组的最大效率和平均效率都高。笔者认为不一定要按原设计规范要求“选择同型号、同规格的产品”选用机组容量，虽然这样便于备品备件的通用，但目前由于交通和购买备品备件方便，一些小水电站一般都较少备有备品备件，大多是临时采购。因此在选用机组容量时，最好选用一大一小的机组比较适宜，这样更能灵活应对流量与水头的变化，提高机组平均效率，增加发电量。现实中经常发现选用相同容量机组的电站，在来水量够发一台多一些的时候，往往容易出现弃水现象，因为此时发1台机与发2台机的出力差不多（因为多余的水只够另1台机组空载，或只能维持另1台机在极低效率区运行），因此会造成这段时间单机容量15%～20%左右的功率损失。选用大、小机组容量匹配，可以克服以上缺陷，大机容量一般选择为小机容量的1.5～2倍左右。
2.4 水轮发电机组选型与生产厂家选择
水轮机的选型要充分考虑上游来水量和电站水头的变化情况，合理选择机型。如水库坝后式水电站，由于水头变化较大，必须选用对水头和出力变化幅度大时适应性较强的水轮机型。从不同型式水轮机的工作特性曲线查知，斜流式水轮机的最大效率高且高效率区宽，即使机组出力只有额定出力的20%时，效率也在80%以上。其次是轴流转桨式和水斗式水轮机，虽然它们最大效率没有斜流式水轮机高，但在变水头工况下，效率曲线变化平缓，在机组出力只有额定出力的20%时，效率也有70%左右，而混流式此时效率只有50%左右，轴流定桨式此时效率不到20%。在选择机型时，尽量选用新型高效转轮的水轮机，同时要注意不同型式水轮机适用的水头和机组价格，如斜流式水轮机的最大效率高且高效率区宽，但它的适用水头在40～120m之间，假如电站运行的水头不在这范围内，即使该机型性能再好，也不能选用。再如适应水头相同的混流式和轴流定桨式水轮机价格相差近1倍，两种机型最高效率差不多，但混流式比轴流定桨式水轮机的高效率区要宽，如电站装机容量能满足出力变化，保持在较高效率区内运行，就没有必要选用混流式水轮机。相同型号的机组，由于厂家生产工艺和选用材料不同，产品质量与运行效率也不同，当然好的产品价格会高些，但不是较贵价格的产品就一定是较好的，在选择生产厂家时可到已投产的同机型电站去了解机组性能和运行情况。现实中常常可以看到因产品质量差，造成机组效率低，达不到额定出力、水能利用率差和机组振动、发热严重以及经常出故障，或因结构不合理，检修维护操作不方便等现象，严重影响了电站效益。因此在选择生产厂家时不能贪图便宜而盲目选择。
3 结语
综上所述，在小型水电站设计中水轮发电机组的选型与最终水电站投入使用后的效益有着紧密的关系，所以要求设计人员在一开始就必须从细节出发，认真、仔细、严格地控制好每个环节，从而才能保证成本最小、效益最大。