【摘要】本文结合某水电站工程，详细阐述了水电站辅助水力机械系统与油系统，其设计涉及各系统组成设备的技术性能、选型、布置方式等要素。水电站辅助机械系统设计时应充分考虑系统可能的影响因素，现有设备制造能力与水平、适用能力、经济指标及各设计环节的技术性能等，以确保水电站辅助水力机械系统设计方案的技术经济合理。
【关键词】水力机械；水电站辅助水力机械系统；油、气、水系统及量测系统；设计方案
1 引言
水电站的水力机械设备主要包括水轮发电机组及其附属设备(主体设备)、辅助水力机械系统设备等，其中辅助水力机械系统一般由油、气、水、量测等几大系统组成，其主要作用是为主体设备提供必要的服务，保证主体设备安全稳定运行。勿容置疑，水电站主体设备的性能、质量、配置及设计操作流程等对水电站安全稳定运行起着关键作用，但经过众多电站的运行事实证明，水电站辅助水力机械系统的设计方案、产品质量、技术性能等同样对水电站的经济安全稳定运行起着不可忽视的作用。本文结合工程实例，着重针对水电站水系统中的供水方式、管道阀门设计、滤水器设置部位、减压阀及安全阀口径选择、排水方式及渗漏泵选择，油、气及量测系统设计方案、设备布置当中的方案考虑的合理性、相互之间的影响等设计应考虑的诸项问题，谈谈设计中的一些体会。
2 工程概况
某水电站位于河干流的上游，为低坝引水径流式电站，是以发电为主的小型水电站工程。采用2台单机容量为10 MW的轴流式水轮发电机组。电站保证出力为4.4 MW，多年平均发电量8 283万kW・h，年利用小时数4 142 h。
3 水电站辅助水力机械系统中水系统的设计
3.1 技术供水方式设计
按照《水力发电厂机电设计规范》，水电站水头为15～120 m时宜采用自流(减压)供水方式、水头大于120m时应进行水泵供水与其他供水方式的比较。在以往的技术供水方案比较中，大多没有考虑这样的事实：目前国内生产的水泵由于制造加工工艺不高，质量尚不稳定，很难保证连续稳定运行；有不少类型的水泵达不到其标注的技术性能要求。如：有的自吸泵或离心泵名牌标注的吸出高度为5～7m，而真正可实现的吸出高度只能达到3m；有不少电站的技术供水泵由于制造、技术参数不达标等种种原因不能正常工作，影响到主设备的安全稳定运行；在方案比较中对由于水泵故障带来的其他损失、水泵的维护成本、水泵的占地面积以及布置上的困难等因素往往没有充分考虑。鉴于通过几个水电站对自流减压供水方式与水泵供水方式的技术经济比较两者在设备投资、能量损耗等指标上相差并不大，甚至水泵供水耗能更多一些，因此考虑到目前国内减压阀技术及应用已相当普遍和成熟、价格也便宜，笔者认为当电站净水头在15～300m之间时宜首选采用自流(减压)供水作为机组技术供水方式。经查证，国内有的水电站水头达306m、升压值达370m也采用自流减压供水方式而且是一级减压，运行状况良好。当然，这么高水头采用的是弹簧式减压阀，若采用隔膜式减压阀，可考虑采用二级、三级减压供水方式。目前，由作者工作单位设计的150～160m水头段的电站如光照、洪家渡等大多采用二级减压供水方式， 120m以下水头段的电站大多采用一级减压方式如引子渡、索风营等，上述电站的技术供水系统运行情况都良好。对多泥沙电站，可考虑双向供水方式，即正、反向供水，定期切换进行反冲洗，以防堵塞；有些中小型水电站也可考虑采用循环供水方式，但这种方式对封河的寒冷地区不太适应，因为其冷却器放在尾水渠中易被冰封冷冻损坏或堵塞等。
3.2 管道阀门设计
为增加可靠性，减少维护工作量，当技术供水采用自流(减压)供水方式时，供水管中的第1道阀门(靠近取水口端)应选取高一级压力等级的阀门。例如：调保升压值为0.9MPa则最好选用1.6MPa的阀门而不要选1.0MPa的阀门；对不宜检修或检修条件较困难时，宜设2道阀门；此外，检修阀门宜选取不锈钢阀门。
3.3 滤水器设置部位
在自流(减压)供水方式中，为了更好地保护减压阀及其附件，保证技术供水系统正常工作，将滤水器放置在减压阀前也是较好的选择。虽然滤水器压力等级提高了会增加一定的成本，但增加数额不大，一般增加10% ～15%，完全可以接受。目前很多水电站均采用这种设计。
3.4 减压阀及安全阀口径选择
作者通过对水电站减压阀选型的对比，发现如果按照减压阀特性曲线中(ΔP ～Q ～D)对应的数据选择技术供水减压阀口径，往往过流量不能满足技术要求。因此，在选取减压阀口径时应将其特性曲线中推荐的数值适当放大1～2号，例如：曲线查得减压阀口径为100mm，则可选为125mm或为150mm等等。对安全阀口径选择，可根据配套的推荐口径选择与主管径相同或选择口径小于主管径1号的安全阀，但由于泄压时水的流速很快，为减小水锤压力，要求安全阀后的管路口径应大于安全阀口径；此外，为了厂内安全，减小水泵工作量，安全阀排水应直接排至下游尾水，不要排至集水井。
3.5 排水系统设计
在水电站排水系统设计时，对中小型电站及尾水位较高的电站，宜采用直接排水方式。这样，既减小了水淹厂房的概率，也减小了设计工作量。因为集水井井盖需要密封，设计难度也较大；对渗漏集水井和检修集水井也宜分开设置，这也是规范所要求的。但是，很多电站的业主要求将两井用连通管连通，这就要求设计单位必须在连通管上加装常闭阀门，该阀门由于其重要性，要求应相当可靠能够锁锭，以避免误操作引起水淹厂房事故的发生。
3.6 蜗壳排水及尾水管排水阀
3.6.1 按照经验及统计，蜗壳排水及尾水管排水阀口径的选取一般取压力钢管及蜗壳进口公称直径的8% ～10%为宜。
3.6.2 目前有些设计者每套机组设置1个尾水管排水(盘形)阀，考虑到该阀门的重要性，笔者建议每套机组最好设置2个，这对设备布置及费用影响甚微。
3.7 渗漏排水泵选择
对尾水位变幅大的水电站，渗漏排水泵选择时应考虑适应不同的扬程，这主要是水泵的工作特性所决定的。按照《设计手册》渗漏排水泵扬程应按照最高尾水位计算，但水电站实际运行中有较长的时期不在最高尾水位，这就导致水泵长期不在最优工况运行，带来水泵效率低、轴承温度高，很容易烧坏轴承。要解决这一问题，可考虑配置两种不同扬程的水泵：按正常尾水位工况(电站机组满发对应的水位)选择一种，按最高尾水位工况选择一种；也可以考虑采用变频方式。
4 水电站辅助水力机械系统中油系统的设计
4.1 绝缘油系统
4.1.1 目前水电站采用的主变压器大多是20～30年免维护型的，除非发生事故需进行大修，一般情况下是不需要更换绝缘油的，因此笔者建议设计中小型水电站绝缘油系统时省略总的供排油管路；对于梯级电站仅在某一较合适的站点设置绝缘油系统，其他站甚至可以省略绝缘油系统；对地理位置较偏僻的独立电站，可仅设绝缘油库及油处理室设备。
4.1.2 对巨型和大型电站，绝缘油库及油处理室尽量距用油设备近一些，以利节能降耗。
4.2 透平油系统
4.2.1 对中小型水电站，可适当简化管路系统设计，如：在各用油部位附近设置活接头，在供排油总管适当位置设活接头，其间可采用软管过渡等，尽量减少不锈钢管的数量及埋管布置。
4.2.2 对梯级电站而言，可考虑在某站设油分析、化验设备，其他站可省略。
4.2.3 对巨型和大型电站，可从有利于运行、维护及检修的角度出发，考虑配置齐全一些。
此外，油系统在设备布置上，为满足防火规范要求，配置的滤纸烘箱应布置在专用的房间内，烘箱电源开关也不能放在室内；油库中油罐的事故排油操作阀门不能与油罐布置在同一房间，应布置在专用的房间内；对室外布置的管路系统，为防止热胀冷缩导致管路损坏，应考虑设置玻纹管连接段。
5 水电站辅助水力机械系统中气系统的设计
5.1 水电站气系统一般包括中压气系统和低压气系统，由于目前气体介质减压阀尚未达到成熟阶段，因此这2个系统在设计时不考虑合用，应尽可能分开设置。
5.2 低压气系统中吹扫及检修供气单元与机组制动供气单元尽可能分开设置，并分别设置相应容积的贮气罐；另外，吹扫及检修供气单元可作为制动供气的备用气源，以保证制动供气的可靠性及供气质量；制动供气应尽可能干燥、清洁，而吹扫及检修供气干燥、清洁度可适当放宽。
5.3 由于供气管路往往较长有一定的管路损失，使气体到达供气设备时压力达不到设备的额定操作压力，因此在选择空压机时其额定排气压力宜比设备的额定操作压力略高一些，相应的贮气罐设计压力也要提高。
6 水电站辅助水力机械系统中水力量测系统的设计
6.1 为保证集水井液位监测与控制，应同时配置2种不同型式的液位控制器，如：压力传感式及浮子式等，两者互为备用。
6.2 监测尾水管压力脉动的传感器宜布置在水轮机的尾水管锥管段，而不宜通过测压管后再设置传感器，因为这样会有衰减影响测量精度。
6.3 在水位计布置上，应有防止水倒灌的措施。
7 水力监测系统
为确保电站安全经济运行，电站设置了全厂性量测仪器仪表和机组段量测仪器仪表。前者包括：上、下游水位采用指示型水位变送器；电站毛水头采用WT2000DP型差压变送器；冷却水温采用WX型温度信号器；拦污栅前、后压差采用WT2000DP型差压变送器；集水井、生活水池、循环水池采用水位变送器。以上水位变送器及压差变送器均通过水位水头监视仪显示、报警。后者包括：蜗壳进口压力、尾水管出口压力采用压力表显示，水轮机工作水头采用WT2000GP型压力变送器并通过水位水头监视仪显示；蜗壳测流采用WT2000DP型差压变送器并通过流量监测装置显示；主轴密封压力、转轮与导叶间压力采用压力表显示；顶盖压力、尾水管进口压力采用压力真空表显示；机组振动、主轴摆度采用振动、摆度探测仪及其检测装置。水位水头监视仪、流量监测装置、振动摆度检测装置与计算机监控系统有通信接口。
8 结语
水电站辅助水力机械系统的设计对水电站安全稳定运行至关重要。确保合理有效的辅机设计，不仅可以降低成本、节约投资，更重要的是可以保证水电站主要设备的安全稳定运行，方便设备运行及检修，延长设备使用寿命。为此，该系统各个细节的设计应当引起设计者的足够重视。
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