6_水轮机特性与特性曲线2解析
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第六章
水轮机选型
水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影
响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、
经济效益。
根据H、N的范围选择水轮机是水电站主要
设计任务之一，目标是使水电站充分利用水能，
安全可靠运行。
一、选型的一般原则
电站的水轮机选型是复杂的系统工程，对工程 的综合效益有重大影响 主要的技术经济因素： 工程的综合利用：发电、航运、防洪、灌溉、养殖、旅游
5、直接查产品样本
直接查设备厂家的产品样本，适用于小型电
站。
6、统计分析法 对大量已建水电站的参数进行统计，得出水 轮机各参数之间的统计关系，再根据本电站的参 数选择。
3、机组台数与运行效率的关系
Z0↑→平均效率↑ (1) 担任基荷时：出力变化小，流量变化稳定， 可用较少的台数，使水轮机可以在较长时间内 以最优工况运行，其平均效率也比较高。
Hale Waihona Puke Baidu
(2) 担任峰荷时：出力变化幅度大，应该选用较 多的台数，以增加其运行灵活性，提高整体运 行效率。
(3) 对于轴流定浆和混流式水轮机，可以选用较多 的台数，而对于轴流转浆式水轮机因其调节性能 好，可以选用较少的机组。 4、机组台数与电站运行维护工作的关系 台数多，运行灵活，事故影响小，但同时增加了 事故的几率，也增加了管理人员、提高了运行费， 所以不宜采用过多的台数。
总之，一般应采用较大的N单，较少的台数，但 一般至少应选2台，少数情况下可选1台。中大 型电站一般选4~6台，根据机组的制造水平和装 机容量也可以选用更多的台数，如葛洲坝共 21 台，装机2715MW，三峡26×700共装机18200MW。
五、水轮机型号及主要参数的确定 依据：N单，特征水头(Hmax、Hmin、Hav、Hr)
1. 有较好的能量特性，在额定水头下能保证发出额 定出力，额定水头以下的机组受阻容量小，水电 站全厂机组平均效率高。 2. 性能要与水电站的整体运行方式和谐一致，运行 稳定，可靠灵活。有良好的抗空蚀和抗磨损性能， 对多泥沙河流的电站更应如此。 3. 结构设计合理，便于安装与操作、检修与维护。
4. 选择生产实力强、制造技术水平高、合作信誉好 的制造厂商。
系统的负荷分配
二、水轮发电机标准同步转速
磁极对数
3
4 750 18 166.7 36 83.3
5 600 20 150 38 79
7 428.6 22 136.4 40 75
8 375 24 125 42 71.4
9 333.3 26 115.4 44 68.2
10 300 28 107.1 48 62.5
3、查系列范围图法
根据水电站的水头范围和单机出力，在系列范
围总图中查出适应的型号，以及对应的转轮直径、
转速及吸出高度。当有两种机型可供选择时，一 般选用较大的直径。
ZZ440系列水轮机应用范围
4、采用套用机组 根据目前国内设计、施工和运行的电站资 料，在特征水头相近、N单适当，经济技术指标相近 时，优先套用已经生产过的机组，这样可以节省设 计时间、尽早供货、提前发电。
12 250 30 100 50 60
14 214.3 32 93.8
同步转速n 1000 磁极对数 16
同步转速n 187.5 磁极对数 同步转速n 34 88.2
第二节 水轮机选择
一、水轮机选型设计的内容 1. 确定机组台数及单机容量
2. 选择水轮机型式（型号）及装置方式
3. 确定水轮机参数D1、n、Hs、Za；Z0、d0
1、 根据水轮机系列型谱选择
型号的选择主要取决于水头。各种水轮机都有
一定的使用范围，根据电站运行水头的范围，直接
查系列型谱，确定水轮机的型号。 如果两种型号均可采用，应进行方案比较。 这种方法有时难以获得最优设计效果。
2、专题研究法 对特别重要的工程或特别大型的水电站， 为了获得最优设计效果，根据水电站的具体参数， 进行专门设计，但所需时间和费用高。
机组：效率、空化、稳定性、尺寸、价格
土建：工程造价、施工难度、工期 制造：设计、毛坯、加工 运输： 安装：
（一）水轮机选型的原始资料
1）水电站的水头和流量：
Hmax、Hmin：运行范围内的最大与最小水头；
设计水头Hd：最高效率点的净水头；
额定水头Hr：能发出额定功率的最小净水头； 加权平均水头Hw，加权平均值； 最大流量qVmax：流经电站的流量的最大值； 额定流量qVr：额定水头、转速，功率时的流量。
5. 考虑适度合理的经济节省原则。
三、所需要的有关资料
1. 水轮机产品技术资料：系列型谱、生产厂家、产品目 录、模型综合特性曲线。 2. 水电站技术资料：河流梯级开发方案、水库的调节性 能、水电站布置方案、地形、地质、水质、泥沙情况、 总装机容量、水电站运输、安装技术条件；水文资料： 特征流量及特征水头、下游水位流量关系曲线。 3. 水电站有关经济资料：机电设备价格、工程单价、年 运行费等。 4. 电力系统资料：系统负荷构成，水电站的作用及运行 方式等。
四、机组台数及单机容量的选择
已知总装机容量(=Z0×N单)，N单不同，D1、n 、Hs、η 均不同。
1、机组台数与机电设备制造的关系
N总一定，Z0多→N单↓→尺寸（D1）小→制造运输容 易→造价高(单位千瓦耗材多、制造量大)。
所以一般选用较大的N单。
2、机组台数与电站投资的关系 Z0多→单位千瓦投资↑→阀门、调速、管道、辐设、 电气等增加→厂房尺寸增加。 N单↓→D1↓→尾水管高度低→开挖少→投资少
2）上下游水位标高（海拔高程）。 3）水电站的装机容量，机组台数，及初步选择 的水轮机转轮型号、参数、直径和转速。 4）调节保证要求值。 5）水电站的水质资料，如河流含砂量及砂粒大 小等。 6）水轮机输水管道尺寸及布置情况。 7）水电站允许的最大挖深值。 8）运输及安装条件。
9）水电站的运行情况，如水电站在电力系统中担 任峰荷或基荷的情况，是否要作调相机运行等。
4. 绘制水轮机运转特性曲线
5. 确定蜗壳、尾水管的形式及其尺寸，估算水轮机
的重量和价格。
6. 调速器及油压装置选择
7. 根据选定的水轮机型式和参数，结合水轮机在
结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向
厂家提出制造任务书，最终双方共同商定机组
的技术条件，作为进一步设计的依据。
二、水轮机选型设计的基本要求
水轮机选型
水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影
响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、
经济效益。
根据H、N的范围选择水轮机是水电站主要
设计任务之一，目标是使水电站充分利用水能，
安全可靠运行。
一、选型的一般原则
电站的水轮机选型是复杂的系统工程，对工程 的综合效益有重大影响 主要的技术经济因素： 工程的综合利用：发电、航运、防洪、灌溉、养殖、旅游
5、直接查产品样本
直接查设备厂家的产品样本，适用于小型电
站。
6、统计分析法 对大量已建水电站的参数进行统计，得出水 轮机各参数之间的统计关系，再根据本电站的参 数选择。
3、机组台数与运行效率的关系
Z0↑→平均效率↑ (1) 担任基荷时：出力变化小，流量变化稳定， 可用较少的台数，使水轮机可以在较长时间内 以最优工况运行，其平均效率也比较高。
Hale Waihona Puke Baidu
(2) 担任峰荷时：出力变化幅度大，应该选用较 多的台数，以增加其运行灵活性，提高整体运 行效率。
(3) 对于轴流定浆和混流式水轮机，可以选用较多 的台数，而对于轴流转浆式水轮机因其调节性能 好，可以选用较少的机组。 4、机组台数与电站运行维护工作的关系 台数多，运行灵活，事故影响小，但同时增加了 事故的几率，也增加了管理人员、提高了运行费， 所以不宜采用过多的台数。
总之，一般应采用较大的N单，较少的台数，但 一般至少应选2台，少数情况下可选1台。中大 型电站一般选4~6台，根据机组的制造水平和装 机容量也可以选用更多的台数，如葛洲坝共 21 台，装机2715MW，三峡26×700共装机18200MW。
五、水轮机型号及主要参数的确定 依据：N单，特征水头(Hmax、Hmin、Hav、Hr)
1. 有较好的能量特性，在额定水头下能保证发出额 定出力，额定水头以下的机组受阻容量小，水电 站全厂机组平均效率高。 2. 性能要与水电站的整体运行方式和谐一致，运行 稳定，可靠灵活。有良好的抗空蚀和抗磨损性能， 对多泥沙河流的电站更应如此。 3. 结构设计合理，便于安装与操作、检修与维护。
4. 选择生产实力强、制造技术水平高、合作信誉好 的制造厂商。
系统的负荷分配
二、水轮发电机标准同步转速
磁极对数
3
4 750 18 166.7 36 83.3
5 600 20 150 38 79
7 428.6 22 136.4 40 75
8 375 24 125 42 71.4
9 333.3 26 115.4 44 68.2
10 300 28 107.1 48 62.5
3、查系列范围图法
根据水电站的水头范围和单机出力，在系列范
围总图中查出适应的型号，以及对应的转轮直径、
转速及吸出高度。当有两种机型可供选择时，一 般选用较大的直径。
ZZ440系列水轮机应用范围
4、采用套用机组 根据目前国内设计、施工和运行的电站资 料，在特征水头相近、N单适当，经济技术指标相近 时，优先套用已经生产过的机组，这样可以节省设 计时间、尽早供货、提前发电。
12 250 30 100 50 60
14 214.3 32 93.8
同步转速n 1000 磁极对数 16
同步转速n 187.5 磁极对数 同步转速n 34 88.2
第二节 水轮机选择
一、水轮机选型设计的内容 1. 确定机组台数及单机容量
2. 选择水轮机型式（型号）及装置方式
3. 确定水轮机参数D1、n、Hs、Za；Z0、d0
1、 根据水轮机系列型谱选择
型号的选择主要取决于水头。各种水轮机都有
一定的使用范围，根据电站运行水头的范围，直接
查系列型谱，确定水轮机的型号。 如果两种型号均可采用，应进行方案比较。 这种方法有时难以获得最优设计效果。
2、专题研究法 对特别重要的工程或特别大型的水电站， 为了获得最优设计效果，根据水电站的具体参数， 进行专门设计，但所需时间和费用高。
机组：效率、空化、稳定性、尺寸、价格
土建：工程造价、施工难度、工期 制造：设计、毛坯、加工 运输： 安装：
（一）水轮机选型的原始资料
1）水电站的水头和流量：
Hmax、Hmin：运行范围内的最大与最小水头；
设计水头Hd：最高效率点的净水头；
额定水头Hr：能发出额定功率的最小净水头； 加权平均水头Hw，加权平均值； 最大流量qVmax：流经电站的流量的最大值； 额定流量qVr：额定水头、转速，功率时的流量。
5. 考虑适度合理的经济节省原则。
三、所需要的有关资料
1. 水轮机产品技术资料：系列型谱、生产厂家、产品目 录、模型综合特性曲线。 2. 水电站技术资料：河流梯级开发方案、水库的调节性 能、水电站布置方案、地形、地质、水质、泥沙情况、 总装机容量、水电站运输、安装技术条件；水文资料： 特征流量及特征水头、下游水位流量关系曲线。 3. 水电站有关经济资料：机电设备价格、工程单价、年 运行费等。 4. 电力系统资料：系统负荷构成，水电站的作用及运行 方式等。
四、机组台数及单机容量的选择
已知总装机容量(=Z0×N单)，N单不同，D1、n 、Hs、η 均不同。
1、机组台数与机电设备制造的关系
N总一定，Z0多→N单↓→尺寸（D1）小→制造运输容 易→造价高(单位千瓦耗材多、制造量大)。
所以一般选用较大的N单。
2、机组台数与电站投资的关系 Z0多→单位千瓦投资↑→阀门、调速、管道、辐设、 电气等增加→厂房尺寸增加。 N单↓→D1↓→尾水管高度低→开挖少→投资少
2）上下游水位标高（海拔高程）。 3）水电站的装机容量，机组台数，及初步选择 的水轮机转轮型号、参数、直径和转速。 4）调节保证要求值。 5）水电站的水质资料，如河流含砂量及砂粒大 小等。 6）水轮机输水管道尺寸及布置情况。 7）水电站允许的最大挖深值。 8）运输及安装条件。
9）水电站的运行情况，如水电站在电力系统中担 任峰荷或基荷的情况，是否要作调相机运行等。
4. 绘制水轮机运转特性曲线
5. 确定蜗壳、尾水管的形式及其尺寸，估算水轮机
的重量和价格。
6. 调速器及油压装置选择
7. 根据选定的水轮机型式和参数，结合水轮机在
结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向
厂家提出制造任务书，最终双方共同商定机组
的技术条件，作为进一步设计的依据。
二、水轮机选型设计的基本要求