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水电站工程水力机械设计与优化微探

发表时间：2020/7/14 来源：《基层建设》2020年第6期作者：段敏俐

[导读] 摘要：近些年来，我国的水电站工程越来越受到重视。

        衡阳市水利水电规划设计院湖南衡阳 421000
        摘要：近些年来，我国的水电站工程越来越受到重视。在能源的开发与利用上，水能和电能都非常的重要，因为水电站发电离不开水能和电能，所以水力机械对于水电站来说非常的重要，但因为水力机械是一个复杂的设备，优化水力机械设计对水电站经济运行、稳定性有很大的影响，本文将会对水电站工程水力机械设计与优化微探进行探讨。
        关键词：水电站的好处；问题；水力机械设计；优化
        其实水电站的水力机械的设计过程很复杂，它需要设计、运行、优化等一系列过程。我们也要不断的进行总结、更新。我们也要注重和其他的设计人员交流，并且我们要培养一套属于自己成熟的设计理念与优化方式，本文将会对水电站工程水利机械设计与优化微探进行探讨。
        1水电站的好处
        在生活中，水电站可以为我们的生活带来很多的便利。我们可以利用水电站枢纽集中天然水流的落差形成水头，它还可以汇集、调节天然水流的流量。然后把它输入到水轮机里，经过水轮机和发电机的联合运转，将集中的水能转化为机械能、电能，再经过变压器、高压线、开关站等将电能输入到电网，特别是对偏远地区水利建设有重要意义。
        2水电站常出现的问题
        其实，水电站在日常运行管理中存在很多的问题以及不足。在一些中小型水电站中，管理混乱并隐藏安全隐患，水电站的员工也缺乏专业的培训，这在一定程度上，导致水电站的运行维护人员专业素质普遍偏低，技术也比较落后。并且我国大多数水电站都缺少应急处理事故的能力，运行管理体系上也普遍存在漏洞。我们在设计水力机械的时候，就可以针对这些问题去设计。
        3水轮机的机械设计
        水轮机是利用水流的势能和动能做功的，水轮机分为反击式和冲击式两大类。不同类型的水轮机其结构及适用的水头也不相同，我们根据所建水电站位置、水头范围、流量及装机规模等选择合适的水轮机，这样才可以保证水电站发挥最大的效益。
        3.1水轮机的机型选择
        如何选择水轮机的机型呢？因为在它运行的时候我们需要考虑很多细节问题，毕竟它是一项综合开发资源、利用资源的工程。水轮机的机型选择非常重要，我们可以根据水轮机机型谱选择，适合水电站水头范围的机型就是最合适的。也可以根据水轮机使用范围综合图进行选择，选择时，我们可以参照设计水头和单机出力查图，坐标点所在方框的机型就是最合适的。在它运行的时候，我们要兼顾很多方面，包括水的合理利用、电站的运行效率等问题，我们不仅要考虑这些问题，我们还要考虑水电站的投资预算以及将会带来的收益。
        3.2混流式水轮机的设计
        混流式水轮机也被称作福向轴流式水轮机，它是属于反击式水轮机的一种。水流以辐向流入转轮，然后再轴向流出转轮。
        混流式水轮机的结构紧凑、简单，日常运行维护也相对简单容易，主要部件包括蜗壳座环导水机构顶盖转轮等构成。如果我们要去设计混流式水轮机，必须要了解它的结构特点以及它的性能，还有它的主要部件。混流式水轮机的应用水头范围比较广，可达到20m~700m，它的整体结构比较简单，但它对转轮要求的比较高。而且混流式水轮机的性能比较好，最高效率达95％。
        3.3轴流式水轮机的设计
        轴流式水轮机是指水流进入转轮，沿着叶片流出，将水流能量转化为机械能的反击式水轮机。它的的转轮是由转轮体叶片泄水锥组成。
        轴流式水轮机分为轴流定桨式和轴流转桨式两种。如果水头比较低的话，轴流式水轮机比混流式水轮机有更多明显的特点，因为轴流式水轮机的过流能力比较大，我们在设计这种水轮机的时候，最好选择较小直径的转轮，这样的选择也可以间接的降低投资，当混流式水轮机和轴流式水轮机具有相同的直径，并且一同使用在同一个水头上，轴流式水轮机可以发挥更多的优势。
        3.4 水轮机安装高程的确定对电站投资和设备的影响
        在确定水轮机安装高程的时候，我们需要考虑很多的因素。就比如说，对于立轴反击式水轮机，其安装高程是指导叶中心线高程。

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我们才能确定各种设计的高程，当我们确定水轮机的高程时，除了根据吸出高度外，我们还需要考虑下游水位以及开挖量的影响，以保证选择的安装高程可以保证机组的正常运行，又可以使造价经济合理。
        3.5出力限制线的问题
        对于混流式水轮机和轴流定桨式水轮机来说，还必须注意5%出力限制线。当机组超过95%最大功率运行的时候，虽然它的过流量增加很多，但水头损失也增加了，其效率下降而出力改变较少，调速器不能正常调节，影响机组稳定运行。所以，我们要将水轮机限制在最大出力的95%内运行。
        4 水力机械辅助设备
        辅助水力机械系统的有油、气、水、量测等几大系统。它主要为水轮发电机组及其附属设备提供必要的服务，它要保证它们运行稳定、并且安全。所以，水轮发电机组及其附属设备的性能、结构、配置对整个水电站的运行都非常的重要。但经过水电站长期的运行，发现辅助水力机械系统对整个水电站的运行影响也很大。
        4.1水电站的油系统
        目前，小水电站很多采用的主变压器是免维护型的，一般情况下不要进行绝缘油的更换，所以，无需设计绝缘油系统，小型水电站也可以将透平油系统和绝缘油系统合二为一，小型水电站用油量较小，可以简化管路油系统的设计。如果大型水电站的位置比较偏僻，我们可以只设计绝缘油库。
        当然，我们在设计油系统的同时，要注意相关的防火规范及通风的有关规定。我们要将油罐和排油操作阀门安置到不同的房间，也要注意管路系统的防范。并且，设置挡油坎，砂箱，水电站内也要配备多个灭火器并分布在不同的角落以备不时之需。电站交付运行后，应定期检查各项消防设施。这样我们才可以减少问题的发生。
        4.2水电站的气系统
        压缩空气系统分为中压气系统和低压气系统。但这两个系统在设计的时候不考虑合用，尽量分开设置。在低压气系统中，我们可以将吹扫及检修供气单元作为制动供气的备用气源。我们要保证供气的安全性、可靠性、清洁性。
        4.3技术供水系统
        技术供水对于小型水电站来说是给机组的冷却用水和润滑用水，我们必须确保机组的安全可靠运行，当设计供水系统的时候，我们可以采用不同的供水方式。当一个水库的含沙量比较小的时候，我们可以采用蜗壳单元自流供水，经过过滤器过滤，直接可以供入冷却器使用。如果当一个水库的含沙量较大的时候，我们就要注意冷却器，防止它被泥沙埋没，我们可以设计清洁水池，保证每一个机组能够安全、稳定的运行。
        5.水力机械的优化
        5.1管道阀门的设计
        管道阀门是重要的控制水的地方，因为管道阀门要承受水流的压力，所以我们的设计要满足需求，在阀门的设计中尽量降低导通中的压力，我们的设计人员在选择材料的时候也要注意，我们要使用防变形的材料。另外，我们也要根据水电站的运行情况选择材料。我们对待管道阀门的设计，要提升它运行的可靠性，降低它出故障的频率。
        5.2管路系统的防范
        对于引水式电站，管路系统常常会出现问题，它经常会承受不住压力，所以我们应该让维修人员定期检查管路系统，当然，设计人员也要在设计管路的时候，多考虑计算其工作压力和一些其他因素。
        6结束语
        水电站不仅可以带来效益，也可以提高区域经济。我们在进行水力机械设计的同时，要保证我们的设计的科学、合理、可靠。因为水力机械设计与优化对水电站有着至关重要的影响，设计人员要认真设计，电站运行人员必须认真去修护。我们要保障各个方面的完善，当然，在提高经济效益的同时，我们也要降低运行成本。总之，我们工作人员要注重水力机械的各个方面，水力机械设计与优化对水电站有着至关重要的作用。
        参考文献：
        [1]陶承军.江源水电站水力机械优化设计及设备选择[J].甘肃水利水电技术，2015(7).
        [2]张昌兵.水力机械叶片尾流机理研究[J].四川大学学报(工程科学版)，2015(6).
        [3]张辉，王.越南水电站水力机械辅机设计特点[J].云南水力发电，2015(6).