探索多泥沙电站水轮机的选型和水力设计
时间：2021-02-06 10:04:45 来源：达达文档网 本文已影响 人 
苏艳意
摘 要：我国河流泥沙较多，并且汛期泥沙泛滥，泥沙问题对于水电站来说十分普遍，它会对电站设备造成损害，腐蚀水轮机关键部件，大大降低了工作效率，对电站的平稳运行带来严重威胁。所以这便需要工作人员对机组构件抗泥沙磨损运行的安全性、可靠性等进行全面分析，合理选择水轮机的型号及参数，并采取有效的治理措施。基于此，本文对多泥沙水电站水轮机的选型和水力设计进行分析，并提出了相关选择方案和水力设计措施，希望可以为相关行业工作者提供借鉴。
关键词：泥沙 水轮机 选型 水力设计
中图分类号：TV738 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）07（a）-0096-03
Abstract：
There is a lot of sediment in rivers of our country， and the sediment overflows in flood season. The sediment problem is very common for hydropower stations. It will cause damage to the power station equipment， corrode the key parts of hydraulic turbines， greatly reduce the working efficiency， and pose a serious threat to the stable operation of the power station. Therefore， it is necessary for the staff to conduct a comprehensive analysis on the safety and reliability of the anti sediment wear operation of the unit components， reasonably select the model and parameters of the turbine， and take effective control measures. Based on this， this paper analyzes the type selection and hydraulic design of the water turbine of the multi sediment hydropower station， and puts forward the relevant selection scheme and hydraulic design measures， hoping to provide reference for the relevant industry workers.
Key Words：
Sediment; Water turbine; Model selection; Water conservancy design
泥沙致使水轮机过流构件受到严重的损害，大大影响了机组的工作效率、可利用率和稳定性，不仅造成了电能的损失又增加了维修维护的成本，对电站的安全稳定运行造成了严重的影响。近些年来。因为各流域上游水土的保持状况得到了较大的改善，并且相关部门对于水轮机防腐蚀的重视度和研究也在不断加强，水轮机设计、生产和管理水平都得到了稳步提升。但是磨蚀机理具有一定的复杂性，并且短期内我国河流泥沙治理工作得不到突破性进展，电站的稳步发展受到了严重阻碍。并且设计人员对于水轮机抗泥沙的设计规范性不足，致使水轮机泥沙磨蚀问题仍然普遍存在[1]。基于此，本文从水轮机选型和水力设计出发，提出相关可行性措施。
1 水輪机选型
1.1 基本要求
对水轮机进行选择前首先要对水电站的特点进行分析，主要分析内容有水能特点、水文条件、地质条件、工程地质、电力系统、枢纽设置等，在几个可能实施的方案中选择最优方案[2]。第一，要确保在设计水头下水轮机能够发出额定出力，如果低于设计水头时机组的受阻容量尽量要小。第二，应与水电站水头的变化情况及电站运行方法相结合，进而选择最为适合机型和参数，有效提高电站的运行效率。第三，要确保水轮机的构造和性能与电站水质的要求相符，运行要具有稳定性和灵活性，并且具备一定的抗空化性能。对于多泥沙河流上的水电站，水轮机的参数和过流构件的质量应确保其具有较好的抗辐射性能。第四，要确保机组结构的合理性，一些容易磨损的构件可以更换，并且要确保更换的便利性，为维修维护提供便捷。第五，落实好机组生产供货工作，并且技术水平应达到设计、试验和生产水平。第六，要对机组大型、重型构件的运输进行全面考虑。第七，选择多泥沙高水头电站水轮机，应对泥沙特性等因素进行分析，科学选择水轮机的型号和工作参数，以有效减少泥沙磨损带来的损害。
1.2 机型
通常情况下，水轮机构件的磨蚀量越大，那么其含沙水流相对速度的三次方便更高，二者呈正相关关系。为了有效降低腐蚀程度，在多泥沙电站水轮机的选择环节应尽量选择相对速度较低的类型。例如灯泡贯流式水轮机的最大应用水头在25m以上，在部分电站的最大应用水头仅在13～15m，但应对机组停机状况进行考虑，浓度较高的含沙水中的泥沙可能会对转轮形成堵塞，所以选择了轴流转浆式机组。三门峡电站的最大水头为52m，工程前期使用了轴流转浆式机组，电站饱受泥沙的危害。但是在扩机工程中选择了P045型混流式水轮机，效果得到了显著提升。一般情况下，水头>300～400m的多泥沙电站应该使用腐蚀相对较轻、维修便利的水斗式水轮机，虽然可能一次性投资成本较大，但是其具有较长的腐蚀寿命，并且维修维护相对便利，具有较高的低负荷运转效率，如果考虑长期运行是优先选择[3]。
1.3 额定转速
水轮机转轮的最大相对流速与其额定转速关系密切，后者对前者具有决定性作用。多泥沙电站对于额定转速进行选择的过程中，首先要对转轮口位置的圆周速度进行考虑，要求其小于38～30m/s。导叶位置的相对速度不受到额定速度的影响，所以额定转速对于高水头混流式水轮机有效降低转轮出口流速并没有任何作用，导叶位置才是腐蚀的关键。
1.4 比转速
多泥沙电站选择水轮机时，应该选择比转速相对较低的水轮机，不仅能够有效减缓相对速度，还能够在一定意义上增加水轮机的尺寸，进而有效增强构件的耐磨性能。某电站的最高应用水头为65m，其比转速为182mkW，比转系数k为1354.5，另外某电站的最高应用水头为142m，比转速为161.3mkW，比转系数k为1718.4。相较于水头相同的清水电站，这两个电站水轮机的比转速明显更低，但是运行效果确切，获得效益更大。
1.5 吸出高度
我国目前在混水试验台已经进行了多项关于水轮机清、混水性能的比较实验，根据实验结果可知水轮机的运行效率、运转情况和压力脉动几乎不会受到挟沙水流的任何影响，但是其对初生空化有一定影响，二者呈正相关关系。挟沙含量的增加会导致初生空化系数的不断加大。所以，在对多泥沙电站吸出高度进行确定时应保持相对安全裕度。通常情况下水电站水轮机的初生空化安全系数可以选择1.00～1.05，多泥沙电站应适当增加至1.10～1.15。
2 水力设计
2.1 水力设计几何参数选择
2.1.1 蜗壳
蜗壳内流速较低，通常腐蚀并不明显，所以无需选择大尺寸。但是应保证蜗壳内焊缝和尾部尺寸的平整，防止凹凸不平造成局部腐蚀。
2.1.2 导叶
转轮外部的双环列叶栅由导叶和固定导叶组成，这一位置水流相对速度等于绝对速度，并且从入口处逐层增加，在出口处达到最高值，如果流速过高则会对该位置造成腐蚀。所以应放大导叶布置圆直径，增加导叶相对高度，使用负曲率翼型。选择较多的导叶数，确保固定导叶和导叶数量相同，这样便可以确保水流均匀稳定，并且过多的导叶能够有效降低流速。
2.1.3 转轮
转轮是水轮机能量转换的关键构件，如果磨损严重势必会对水轮机的使用性能造成影响。应根据选择的额定转速和比转速，对单位转速和单位流量进行合理组合。逐渐改变转轮流道断面面积，增加叶片数或者可以将流速平稳的副叶片应用于高水头混流式转轮上。增大叶片包角、叶片长度和叶片面积，确保叶片型线的平直。通过计算流体力学进行全面分析，确保流道内速度场的均匀平稳稳步，最大化降低混流式转轮下的流速和叶片之间的涡流。
2.2 水力性能优化
第一，对叶片进口空化性能进行改善。第二，多泥沙河流的泥沙、水库放水冲沙、排沙多出现于汛期。为了提高防洪库容，延长水库的应用时间，汛期可将库水位降至最低高程附近运转。这时河流流量较大，水轮机需要在低水头、流量较大的区域工作。所以进行水力设计应对水流的流态进行优化，将涡流和二次流降至最低。
3 结语
本文对多泥沙水电站水轮机的选型和水力设计进行分析。对于多泥沙水电站来说，选择合适的水轮机对于防泥沙磨损具有重要作用，所以在进行选择时应对其空蚀性能和运行情况进行详细分析。在选型过程中，选择模型转轮应保证水力性能，水流过机的相对流速较低，这样才能有效降低泥沙对水轮机关键构件造成的损害。并且通过水力设计能够有效减少腐蚀带来的损害，延长水轮机的使用寿命，确保水轮机的稳定性和安全性。
参考文献
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