我國水電資源蘊藏豐富，可經濟開發的水電資源達3.7億kW，裝機容量小于300MW的中小水電約占到可經濟開發資源量的50%。改革開放以來，隨著經濟和社會的發展對電力日益增長的需求，我國電力工業獲得快速發展，水電建設如火如荼。一些地方中小水電特別是農村水電甚至成為當地經濟可持續發展的支柱，以電代燃料成為維持生態環境良性循環的保障。水輪機是水力發電的關鍵設備之一。水輪機特性的優劣是影響水電站經濟運行的重要因素。水輪機的選型是根據電站的水文、水能等基礎資料，結合工程總體布置和水輪機的水力特性、結構、材料及制造工藝等問題，按照技術先進、經濟合理的原則，選擇和確定水輪機的技術參數。
1 水輪發電機組運行穩定性與選型優化
現代水輪發電機組的單機容量越來越大，最大單機出力已達852MW(長江三峽)。水輪發電機組的運行穩定性，因一些大型或巨型機組發生振動造成損失而受到越來越普遍的重視。水輪機的運行穩定性主要表現為水力振動和機械振動，與水輪機能量特性和空化特性存在一定的相關性，中小型水電站的水輪機選型也應重視穩定性問題，應將穩定性作為重要的技術經濟性能加以研究。應從水輪機的水力設計、結構和部件的設計、機組的安裝等方面，并參考已運行的類似電站的經驗，對可能出現的影響機組運行穩定性的水力、電氣和機械因素進行分析、計算和預測，并選擇預防、控制和改善水輪機運行穩定性的措施。如在水力方面選擇無渦區較寬、水力脈動較小的轉輪模型；選擇較高的水輪機設計水頭；水頭變幅較大的電站設置機組最大出力等。在水輪機過流部件結構和流道方面，如轉輪采用奇數葉片數，采用X形葉型及長短葉片，采用較高的尾水管高度，并設置補氣裝置等。在機組及部件結構設計方面，要求供貨廠商做到機組及部件結構設計合理，并便于檢修；要求加強水輪發電機組整體及部件的剛度、保證水輪發電機定子適宜的剛度、柔度和強度；要求在工廠裝配和現場安裝中特別要保證可能引起振動的關鍵部位的精度和安裝質量。還要核算機組部件的自振頻率，在電站壓力鋼管設計時核算鋼管的自振頻率，避免發生共振。在電站運行中盡可能優化調度等；應盡可能消除振源。同時，為便于對機組的運行狀況進行在線狀態監測、故障診斷和報警，為機組的狀態檢修和電站的安全經濟運行提供依據。另外為了更好使發電機組安全、穩定運行，我們電站主要采取以下幾種方式來對發電機組進行優化改造：
1.1 發電機勵磁裝置改造 要使發電機安全和穩定的運行，發電機勵磁系統的性能是關鍵，我們現在基本上改用了可控雙繞組電抗分流式勵磁，此裝置在雙繞組電抗分流式的基礎上增加了可控硅分流的自動電壓調節器，空載電壓調節范圍大，并網后運行穩定，無功功率調節方便。在主斷路器跳閘后不失磁，附繞組仍有殘壓。在電網停電時提供勵磁電源供給調速器，能迅速將機組關閉，省去了備用電源。
1.2 水輪機調速裝置改造 并網后小型水電站不能調頻，調速器僅作用于正常開、停機、調節正常有功負荷以及事故停機。所以普遍采用電、手動操作器，其結構簡單、投資省而又隨機配套，操作與維護簡單。如果需要有自動調節功能，則可以配上STK-W-3微電腦控制器，就能達到單機自動調頻，并網時按前池水位自動調節有功功率、自動并網合閘等功能。TC操作器是一種技術較先進的新型調速器，除有電、手動操作器的功能外，其特點是關閉時間可以調節，故障時無電源也能自動關閉導水機構；可根據電站實際，整定不同的調保時間值；同時可避免因木石卡塞和手動關機過度損壞導水機構問題，提高了機組運行的安全性。再配上STK-W-3可達到自動調節的目的，是一種值得推廣使用的調速裝置。
1.3 主變的改造 水電站的低壓機組通常是經主變升壓后與10kV配電線路相連接或專線直接接入某一變電站，80年代以前電站選用的都是型號為10±5%/0.4kV系列配電變壓器。由于電站地處偏遠山區，線路長壓降大。發電機經常需要在較高電壓下運行，才能保證發送一定的無功負荷。有的電站電壓值高達440V及以上，其危害：一是在高壓下運行使發電機、變壓器溫升提高、絕緣加速老化，絕緣薄弱環節容易擊穿；二是難以發足無功功率，并影響機組運行的穩定性；三是老型號變壓器能耗大，且運行年久老化，常出現故障影響正常發電，需要及時更新、改造。主變訂貨時必須向生產廠家特別提出，主變的變比一定要滿足0.4/11±5％kV的要求。選用這種變比的變壓器做主變，其輸出電壓要比采用普通配變做主變的輸出電壓高10％，所以可使發電機的運行電壓降回到額定值，則發電機的運行功率因數值也可恢復到額定值，既改善了發電機和主變的運行條件，又可發足無功功率。
2 信息技術用于水輪機參數選擇的探討
基于經濟性的考慮，中小電站水輪機的設計選型，一般是套用現有型譜或模型曲線，較注重其技術成熟程度和運行經驗，而相對較少關注技術的發展趨勢和研究采用最新成果。水輪機技術是一門綜合應用科學和工程技術，現代水輪機科學技術和水電開發之所以取得如此快速的發展，特別是最近10年來的迅猛發展，固然是因為經濟和社會的發展對電力不斷增長的需求和水力發電帶來的經濟利益所推動，但也與經濟發展和其他科學技術(如計算機、信息技術和材料等學科技術)發展的促進密不可分。特別是計算機與信息技術的發展和應用，使水輪機技術的發展得到了巨大的推動和提升，如計算機流體動力學(CFD)水力分析預測技術，有限元結構分析技術(FE)，計算機輔助設計和制造技術(CAD/CAM)等及其他新技術，應用于水輪機水力開發、模型制造、模型試驗和結構分析及水輪機組制造的全過程，不僅使得水輪機的技術性能包括能量特性和空化性能等普遍得到提高(水輪機模型效率最高已達95%)，而且在實用上，結合統計分析和經驗，采用CFD等技術，基于現有水輪機研究和制造的經驗開發研制、改造的常規水輪機新轉輪甚至可以不再進行模型試驗驗證即可投入工程應用，即使進行模型試驗驗證，也大大縮短了從技術開發、產品制造到產品應用的周期，收到事半功倍的效果，經濟效益非常明顯。目前，CFD等信息技術已在國內外有關高校、科研機構及水輪機研發和制造企業逐步推廣，包括一些大型水輪機新轉輪及過流部件的技術開發和設計，其技術將日益成熟和進步，發展和應用前景廣闊。相信對于我國水電工程咨詢設計行業，逐步應用和推廣CFD等信息新技術，將會有助于提升設計質量，加快水電技術發展和水電開發的步伐，有助于提升我國水電開發的水平和經濟效益。這也將會是水力發電設計技術發展的必然趨勢。
3 結語
綜上所述，對中小型水電站水輪機的改造及運行優化，有利于提高中小水電站的經濟效益。中小型水電站在電網中所占比重較小，難以擔當系統的調峰、調頻任務，因此，在中小型水電站機組的選擇和優化時，還應考慮這一特點。 在水電站設計中推廣應用CFD等新技術對水力發電的技術進步具有深遠的意義。
