中小型水电站水轮机选型与优化的探讨
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摘要：水轮机是水力发电系统的重要组成部分之一，从而使得水轮机的优劣成为了影响水电站经济性的重要因素。本文分析了影响中小型水电站水轮机发电效率的因素，对于水轮机的选型与优化做了探讨。
关键词：中小型水电站;水轮机;选型;优化
引言：
我国水电资源蕴藏量较为丰富，目前来看可用作经济开发的水电资源可达3.7亿Kw，同时，在我国水电站发电体系的构建中，中小型水电站的发电量占了整体水电系统发电量的50%。随着我国改革开放的不断深入，我国电力工业得到了巨大的发展，其中各种中小型水电站的建设数量不断上升，因此，为了提高这些中小型发电站的发展效率从而对我国总体水力发电系统进行发电效率的提高，进行中小型水电站的发电系统优化是具有重要意义的。水轮机是水力发电站中发电系统的重要组成设备，因此，在进行总体水力发电系统的优化之前，先要进行水轮机的机型选择与优化。
一、水轮机磨蚀与选型优化
在水力发电系统的运行过程中，会产生水力机械的空化现象。空化是发生在水力机械存在下的流体功力现象，在空化作用下发生的水力机械的磨损称为空蚀。在水轮机的发电过程中，水流一般是会带有一些砂砾的，这使得在水轮机空蚀的基础上进一步加深了水轮机的磨损现象。我国水利工程界统一将水力发电过程中水轮机的空蚀和磨损称为磨蚀。磨蚀会导致严重的水轮机性能下降，在长期失修的情况下会造成水轮机出现损坏，因此，在水轮机的选型上，首先要针对当地水质以及发电系统的因素进行防止和减少磨蚀现象的水轮机选型和优化。
影响水轮机磨蚀的因素众多，主要与水流的强度、水流含沙量、砂砾矿物成分、粒径大小、硬度等，除此之外，还与水轮机本身的结构设计一级材料存在联系。因此，针对于这些影响因素，在水轮机的选型和优化上需要从两个方面着手。一方面，要进行水流中的砂砾矿物的排除和减少，可以通过蓄清排浑以及加强排沙设施的构建来完成，除此之外，还应当在水流通过水轮机之前降低水流的能量等;另一方面，就要针对于水流中砂砾的类型进行水轮机的选型和优化，一般来说需要注意以下3个方面：
（1）在水轮机的过流部件的选择中，选取耐磨性能以及工艺性能较好的材料，同时需要针对于這部分材料进行适合于在水体中工作的材料加工工艺，主要还是进行材料的耐腐蚀和耐磨加工，例如通过材料打磨提高水轮机表面的精度以及刚度等，同时为了提高水轮机的耐腐蚀性能，应当在水轮机表面进行镀锌等抗腐蚀加工。
（2）在水轮机叶片的选择上，应当针对于其发电过程中的型线准确度为基准，选择五轴数控铣床所加工的水轮机叶片。
（3）为了降低水轮机发电过程中的空蚀现象，应当在水轮机的安装过程中降低其安装高程，从而有效防止水轮机的空蚀现象。
二、水轮机稳定性与选型优化
水轮机的选择和优化过程中，除了需要考虑其磨蚀现象外，还应当在选型优化上考虑其运行稳定性。我国目前最大的水轮机发电出力已经可以达到852MW（长江三峡），因此，在水轮机的选型和优化上，也需要针对于我国目前中小型水电站的发电量提升进行运行稳定性的考虑。
水力发电的发电原理是通过水流推动水轮机将水能转化为电能的过程。因此，随着我国中小型发电站的发电量不断增加，在水轮机的机械能转换中，存在着运行不稳定的现象，其主要水轮机运行所导致的振动以及功率摆动等，这些稳定性的问题对整体水力发电站的安全性具有一定程度上的威胁，因此，在水轮机的选型与优化上，应当根据水力发电站的发电量以及构造特点，综合分析后进行水轮机的优化。
在中小型水力发电站的稳定性问题上，应当从水轮机的水力设计、结构以及相关部件、机组安装等进行优化。应当对可能引起水轮机运行不稳定的相关因素，例如水力、电气以及机械因素综合考虑和分析计算，从而得出预防水轮机不稳定运行问题的措施。如在水力方面选择无涡区较宽、水力脉动较小的转轮模型;在水轮机水头的选择上根据水力发电站特点选择较高的水轮机设计水头;将水头变幅较大的电站设置成机组最大出力等。除了水力方面，在水轮机内部过流部件的选择上，应当选择叶片数为奇数、叶片形状为X型以及长短叶片类型等，在尾水管的安装上设置较高的位置，同时设置补气装置等。
三、结语
水电站发电系统的主体设备是水轮机，但因水力发电过程中水流中的含沙量以及水轮机本身的腐蚀和空蚀等，使得水轮机在选择上要进行耐磨蚀材料的选择和加工;除此之外，针对于水轮机发电过程中不稳定现象的发生，在水轮机的选型和发电机组的设置上，要进行改善不稳定问题的相关优化和设置，从而在整体上保证水轮机发电过程中的稳定性。综上，水轮机的选型和优化上要考虑诸多因素，从而才能使水轮机在发电过程中拥有一个安全和稳定的运行环境。
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