综述山区农村小水电站水轮机的选型和设计

摘 要：本文以我国农村小水电站的现状为基础，根据山区农村小水电站的特点结合管理工作经验对水电站的规划和设计方面进行论述。概述了农村小水电站如何根据地理条件和水文地质条件，合理规划，选择适宜的装机容量，保证运行后的效益。

关键词：山区农村；总布置；小水电站；主要建筑物；设计；方案

引言：我国已建山区农村小水电站具有以下一些特点：（1）总体运行调节能力低，机组装机容量比较小，水头高低利用参差不齐的情况；（2）运行管理人员的技术水平普遍较低；（3）随着农村经济的发展，人们的生活方式发生着日新月异的变化，电力需求不断增大，山区农村小水电是加快农村地区经济发展、提高农民生活水平的重要途径。大力发展农村小水电，实施小水电代柴代煤，促进退耕还林还湖还草，促进江河治理，改善农业基础设施，改善生态，保护环境，为可持续发展战略服务。

一、成因及分析

山区农村小水电站有的建成年代早，在设计时不同程度存在一些不合理因素。主要表现在以下几个方面：①装机容量偏小，没有经过精确计算，影响了发电效率。②水轮发电机组选型不当，发电模式不合理。③励磁系统不能适应并网运行。④水能资源利用率低，水电站的经济效益低。

通过仔细调查，分析出以下4点原因：①在设计时没有充分的掌握水文资料，对地势和山形等地理概况了解不全面。②电站的设计方案没有考虑周全。③电站的主要设备选型也不够合理。④自动化程度和环保节能没有达到行业标准要求。

二、解决方案

（一）装机容量的确定

确定装机容量是农村小水电站设计的重要构成部分，因为装机容量的大小影响着水电站的规模和效益与科学合理的开发。装机容量拟定过大，会导致设备运行效率不高等问题，就会间接导致建设成本的增加。如果装机容量拟定过小，则不能最大限度的利用水能资源。合理、高效的利用水能资源，确定装机容量按应如下6个步骤：

（1）对山区农村的水能进行计算，求出保证出力NP以及保证电能EP。

（2）农村小水电站的装机容量年利用小时数一般不超过5000h，因此，在步骤1）之后就要确定年利用小时数的目标值。

（3）确定保证出力倍比系数C。可根据公式N（装）=C×NP计算。计算保证出力倍比系数C要根据山区农村小水电站的具体情况进行计算，可以参考经验数据，从而计算出山区农村小水电站的装机容量，详见表1。

表1保证出力倍比系数C参考表

（4）根据实际情况、机组台数以及标准容量的大小来确定装机容量的方案。通常情况选择相同型号的机组，农村小水电站一般选择一至四台机组，特殊情况可选用大小机组相搭配的方案。

（5）根据设计方案的装机容量数值，结合已算出的水能计算成果求出多年的平均发电量E（年），各个装机容量对应的装机容量年利用小时数h（年）根据公式h（年）=E（年）/N（装）求出。

（6）装机容量的选择应根据计算成果，并参照目标值，选取跟目标值差距最小的方案。

（二）水轮发电机组的选择

水轮发电机组是水电站的主要机电设备。机组选型设计的正确与否，直接关系到电站的造价、出力以及投产后的运行效率等。山区农村小水电水轮发电机组选型中应重点考虑水轮机型号的选择。再根据所选定的水轮机出力、转速和装置形式、发电机效率等配套发电机。

1.型号的选择

水轮机根据水力作用的不同分为2大类：反击式水轮机和冲击式水轮机。在这两大类中，又可细分为6种不同的型号样式。因此，在选择水轮发电机组的时候不仅要从经济成本方面考虑，还要综合考虑不同水轮发电机组型式的流量、高效率区域以及适应水头等方面，才能最大程度的利用水能资源。在运行参数基本相同的情况下优先选择立轴式机型。水头范围在20～40m，采用混流式的水轮发电机组比较好；水头范围

2.机组安装高程的确定

水轮发电机的型号确定后，关键就是发电机机组安装高程的确定，为了尽量避免水轮机转轮被汽蚀以及防止水轮机的转轮转动不良的现象，要求发电机机组的安装高程要低于设备所允许的最大吸出高度，并以此为依据确定水轮发电机机组的安装高程。

式中：Z（下）为水最低水位，m；hs为机理论吸出高度，m；D为轮机转轮直径，m；为电站厂房所在地的海拔高程，m。可以将计算出的数值降低0.2～0.3m确定安装高程以便消除或减轻水轮机汽蚀。

（三）电气主接线的选择

山区农村小水电站的电站运行人员进行各种操作和事故处理的重要依据是电气主接线。山区农村小水电站的装机台数一般不超过4台，总装机容量大多在1000kW以下，正因如此，主变的台数、回路数以及相应的电压等级也比较少。再加上山区农村小水电站的工作人员和技术操作人员的专业素质不是很高，只要满足基本要求的电气主接线拟定好，各项技术参数基本符合要求，再使得接线的形式简单清晰即可。比如在有2台或3台机组的情况时，可以共用1台主变并采用单母线不分段接线的形式。

三、工程枢纽总布置及主要建筑物

水电站枢纽建筑物主要由拦河闸、进水闸、引水渠、进水室、电站厂房、尾水渠等组成。下面就以某座典型的农村小水电站工程为例，该水电站设计水头15m，设计流量33.6m3/s，装机容量4×1000kW，年利用4175h，多年平均发电量1667kW・h，通过该例子简单分析水电站建筑物结构型式。

（一）引水渠

引水渠道对原灌渠进行改造，结构型式为C20毛石混凝土，顶宽0.6m，迎水面为直立墙，背水面坡比1∶0.5，设计比降1.5‰。

（二）进水室

进水室位于灌渠右侧， 与灌渠成90°交角。进水室长7.5m，宽25.38m，底板厚0.9m，底板顶高程30.50m。在进水室末段设4 扇拦污栅， 孔口尺寸5.67m×4.2m（宽×高）。

（三）电站厂房

电站厂房位于灌渠右岸7.5m处，呈一字型布置。上游侧为主厂房，下游侧为副厂房。主厂房上游侧设4孔快速闸门，闸门型式为平面定轮钢闸门。下游尾水管末段设4扇尾水检修闸门，闸门型式为铸铁闸门。主厂房内安装4台ZD660-LH-120型水轮机， 配4台SF1000-14/2150型发电机，设计水头15m，装机容量4×1000kW。电站控制采用计算机监控为主，人工为辅。主厂房分4层，分别为尾水管层、蜗壳层、水轮机层、发电机层。主厂房左侧为安装场，分3层，下两层主要布置相关电气设备。副厂房位于主厂房下游、尾水管上，分3层，分别为电缆及盘型阀层、配电层及中控室。升压站布置在主厂房左侧上游，紧邻安装场，露天式布置，设2.5MVA主变压器2台。

（四）尾水渠

尾水渠分为反坡段和顺坡段。其中反坡段长15m，宽26.28m；顺坡段长175m，设计比降5%。尾水渠采用钢筋混凝土框架结构，完建后覆土绿化。本工程最低尾水位（单台机组发电）为20.44m，最高尾水位（全机组发电）为21.00m。

四、结语

在设计山区农村小水电站时要把握好设计的每一个环节，每个环节都要遵循科学合理的原则。农村小水电站的建设对农村经济的发展，保护生态环境，减轻农民负担方面发挥了不可替代的作用，因此，在设计过程中做好装机容量的确定和水轮发电机组选择，从而使得山区农村小水电站的经济和生态效益最大化、合理化。

参考文献：

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[2]胡斌武.提高小水电站经济效益的一些措施[J].中国农村水利水电，1981（4）：108.

[3]姜丽.谟家水电站总体规划设计[J].水科学与工程技术，2012年（4）：68-70.