對水電站額定水頭選擇的研究

母 洪 流

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

對水電站額定水頭選擇的研究

母 洪 流

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

水電站額定水頭是水輪機組發額定容量時相應的最小水頭，對其進行選擇是一個技術、經濟等綜合性問題。最佳的額定水頭必須在滿足機組穩定的前提下，通過經濟、技術綜合比較，綜合分析出水輪機預想出力以降低對電力系統平衡的影響等進行確定。介紹了大中型水電站額定水頭的選擇方式、方法，提出了從參數選擇、水頭范圍、吸出高度控制、避振運行、補氣方式等提高機組運行穩定性的措施。

額定水頭；最大水頭；最小水頭；水電站

1 概 述

水電站中的水頭(或稱落差)是指水電站上、下游某斷面的水位差，是水電站能量的兩個主要動力要素之一。水利工程水利計算規范(SL104-2015)8.2.12條顯示：水電站最大水頭、最小水頭、算術平均水頭及加權平均水頭等特征值均應按徑流調節計算成果結合可能遭遇的各種運行工況確定。

電站額定水頭是水電站重要的特征水頭，是水輪機在標準功率因數cosφ條件下水輪機發出額定出力時所需要的最小水頭。一般情況下，在額定水頭以下，水輪機不能發出額定出力；在額定水頭以上，調整導水機構或葉片的轉角(對軸流式及沖擊式而言)仍然可以使機組發出額定出力。

具有調節能力的水庫其上游水位在正常蓄水位和死水位之間變化很大，下游水位一般變化較小，其水頭隨上、下游水位的變化而變化，最大水頭出現在水庫蓄滿時，最小水頭多出現在水庫放空時。無調節能力的水庫電站分高水頭和低水頭兩種情況，高水頭電站的水頭一般變化較小，低水頭電站的水頭主要決定于電站下泄流量，由于下泄流量大會引起水庫尾水位上升，導致水頭減小。

2 額定水頭的選擇

額定水頭設計思路變化建國初期，我們的很多規程規范受前蘇聯影響，額定水頭盡量取低值，以保證電站盡量不受阻、多發電。近年來，隨著改革開放的逐步深入，西方先進設計思想和設計理念以及成功、失敗的經驗教訓逐步被接受。特別是國內外大型混流式機組不斷發現振動、葉片裂紋現象，有的甚至在試運行期間或運行初期就出現葉片裂紋和穩定性問題。經有關學者研究發現：運行不穩定或水力穩定性較差的機組，大多數為水頭變幅大的混流式機組。進一步的研究發現：對于水頭變幅比大的混流式水輪機，當額定水頭定得太低(Hmax/Hr≥1.15)，發電機出力限制線在高水頭區過分地侵入水輪機高效區，可能導致大部分高效區被發電機出力限制線限制在外。另外，當水輪機在高水頭、效率低區域運行時(即小負荷情況下)，由于導葉開度小，出現葉片進口水流正沖角過大、造成葉片進口邊負壓面脫流空化而形成葉道渦。由于葉片及轉輪產生振動，使應力增大，安全性和水力穩定性下降。表1為有關已建和在建電站額定水頭選擇中出現的問題。

額定水頭高， 機組將有更寬的穩定運行功率范圍， 既方便電站參與電網調頻運行， 亦為機組安全運行創造了更好的條件。有文獻記載:“機組穩定運行功率范圍過窄是導致俄羅斯薩揚電站8.17事故的重要原因之一”。

國內外存在運行不穩定問題的部分水輪機當其運行水頭低于額定水頭時均能正常運行，但是，當運行水頭高于額定水頭時，機組振動擺度和尾水管壓力脈動隨水頭升高而增大。

水輪機的額定水頭應與機組運行、電力系統對電站運行方式的要求、水庫運行方式及綜合利用要求、電站的經濟性等因素綜合考慮后確定。在具體的工程方案比選中，往往以電站最大、最小、加權平均水頭作為水輪發電機組額定水頭Hr的基礎，一般可按下式估算：

Hr=0.9 HW (河床式電站)

Hr=0.95 HW (壩后式電站)

表1 已建和在建電站額定水頭選擇中出現的問題一覽表

上述公式是水電工程技術人員根據工程的實際情況總結出來的經驗公式，一直被工程設計人員所參照和使用。公式中反映出水輪機組額定水頭、靠近最小水頭或低于電站的加權平均水頭HW，分析其原因，主要有以下幾方面：①額定水頭趨近最小水頭Hmin，可以使電站的水輪機組最大限度地不受阻，使水電站的受阻容量最小。②額定水頭接近加權平均水頭HW，可以使電站效率發揮最大。③電站受阻容量過大，則系統的有效容量降低，將會影響到電力系統的安全性、穩定性；同時，需要新建電站或增加其他電站的容量，這將付出一定的經濟代價。所以，機組額定水頭的選擇需要處理好動能經濟和運行穩定性之間的矛盾。很顯然，經濟效益應建立在安全可靠運行的基礎上，應服從于安全可靠運行。

國內外部分大容量、水頭變幅大的水輪機的出力隨著我國電力系統的工作內容不斷擴大， 受阻出力多為汛期季節性電能， 在既考慮到減少受阻出力，又不過分強調受阻出力、兼顧水輪機穩定運行性能的前提下， 對水頭變幅大的電站，國內現傾向于提高額定水頭、加大水輪機的額定出力而不設最大出力。對于水頭變幅比較大的水電站，在額定水頭與最高水頭相差太大的情況下，為了降低高水頭下水輪機的振動， 往往要設定機組的最大出力，以改善水輪機在高水頭運行區域，達到降低振動的目的。

對用于中低水頭的中高比速混流式水輪機，建議：控制水頭比值Hmax/Hr≤1.08～1.19； 對用于中高水頭的中低比速混流水式水輪機，建議控制水頭比值Hmax/Hr≤1.13～1.34。如果超過上述數值， 建議增大機組容量。

國內外許多大型水電機組均設置了水輪機最大出力和發電機最大容量，除增大調峰和備用能力外，對水庫調節性能差的電站，可以爭取更多的季節性電能。國內二灘、溪洛渡、三峽等電站正是為了上述目的設置了最大出力和最大容量。國內外部分大容量、水頭變幅大的水輪機出力參數統計情況見表2。

從經濟性方面考慮：機組額定水頭高，發電效率也高，發電量亦比較大，機組引用流量也較小，從而可以使土建工程投資有所減少；但機組容量受阻的可能性增大，有可能使機組的容量效益受到損失，反之，亦然。這就存在經濟比較問題。應當根據電站水庫的庫容特性、機組特性曲線、電力系統調峰出力要求以及水庫的綜合利用要求等，計算不同額定水頭方案的電量、受阻容量、替代火電容量等指標，即可確定各方案的經濟指標，從而達到經濟比較的目的。

表2 國內外部分大容量、大水頭變幅水輪機出力參數統計表

綜合分析不同額定水頭方案電站的受阻情況、運行效率、動能經濟指標以及水輪機運行的穩定性，各方案受阻容量和電量略有差別但較小，考慮電力系統的實際情況，以及兼顧機組運行穩定性要求推薦額定水頭。

尤其值得注意的是：老撾南騰2水電站是一個混合式開發電站。為降低投資，采用了改變水庫運行方式、讓水庫水位盡量維持高水頭(取額定水頭高值)以減少隧洞的直徑，減少工程投資，無疑是一個不錯的設計理念。

3 結 語

水電站額定水頭的選擇是一個集技術、經濟等綜合性問題。若額定水頭較高，當水庫水位較低或電站汛期出現大流量、下游水位大幅度抬高時，都將使水頭大幅度減小而造成較大的受阻容量；若額定水頭較低，除了存在機組運行穩定問題外，在水輪發電機組額定容量不變時，需加大水輪機直徑或相應降低機組轉速，從而增加水電站的投資。因此，在水電站額定水頭選擇階段，應將水輪機的穩定性放在首位，并綜合考慮動能經濟指標、機組參數匹配、機組制造可行性等因素，從而擬定合理、可行的參數。

額定水頭、設計水頭均屬水輪發電機組最主要的參數。控制最大水頭與額定水頭的比值Hmax/Hr能保證最高水頭時導葉開度不致于過小而落入運行不穩定區；分析研究表明：為使水輪機運行具有較好的穩定性，Hmax/Hr的數值應在1. 1～1. 2之間。

對于水頭變幅比較大的水電站，在額定水頭與最高水頭相差太大的情況下，為了降低高水頭下水輪機的振動，往往要設定機組的最大出力，以改善水輪機在高水頭運行區域，達到降低振動的目的。

[1] 秦守田.大中型水電站額定水頭選擇探討[J].東北水利水電，2013 ，(11)：7 - 8

[2] 黃奮杰，黃 駿 關于水輪發電機組額定水頭選擇的探討 [J].云南水力發電，2004，20(1)：72 -75.

[3] 鮑偉民，朱惠君，武賽波.糯扎渡水電站額定水頭選擇 [J].水力發電，2005，31(5)：73 -74.

[4] 王亞林.小灣電站水輪機額定水頭論證[J]. 東方電機，2002，30(1)：26 -31.

TV7;TV72

B

1001-2184(2017)05-0079-03

2017-01-10

母洪流(1959-)，男，四川蓬安人，教授級高級工程師，學士，從事水電規劃經濟工作.

(責任編輯李燕輝)