某水電站額定水頭探析

江曉銳

【摘?要】文章對某堤壩式開發水電站水頭特性進行了分析，并提出發電最低運行水位要求，在此基礎上通過多方案技術經濟比較確定電站額定水頭。通過文章的研究，對同類型水電站額定水頭的選取提供經驗參考。

【關鍵詞】電站;水頭;探析

Analysis of the rated head of a hydropower station

Jiang Xiao-rui

（Xinjiang Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute?Urumqi?Xinjiang?830000）

【Abstract】This paper analyzes the head characteristics of a dam-type development hydropower station， and proposes the minimum operating water level requirement for power generation. On this basis， the rated head of the power station is determined through technical and economic comparison of multiple schemes. Through the research of the article， it provides an empirical reference for the selection of the rated head of the same type of hydropower station.

【Key words】Power station;Water head;Analysis

1. 基本概況

某水利樞紐工程主要承擔灌溉、防洪任務，兼顧發電。水庫正常蓄水位1700m，相應庫容11.48億m3，死水位1590m，死庫容1.26億m3，調節庫容10.22億m3。電站采用堤壩式開發，利用落差220m。電站裝機容量750MW，裝設三臺等大機組，單機容量250MW。電站保證出力45MW，多年平均年發電量19.28億KW.h。

2. 發電最低運行水位選擇

（1）水庫正常蓄水位1700m相應最大水頭221.3m，正常蓄水位至死水位1590m水位差110m，水庫最大消落深度達50%，超出水輪機組運行范圍。結合水輪機技術水平，提出機組運行最大消落深度按照30%左右控制，在此基礎上，針對電站發電最低運行水位擬定了1629m、1634m、1639m三組方案進行比較，各方案特征指標見表1。

（2）上述擬定各方案對工程灌溉及防洪均不產生影響。從動能指標來看，方案1到方案3隨著最低發電運行水位抬高，方案間電量呈遞減趨勢，其中方案1和方案2多年平均年發電量相對較大;從機組運行穩定來看，最低發電運行水位越高，電站發電最大消落深度越小，對機組穩定運行越有利，三組方案中方案2和方案3相對較優;從各方案投資來看，方案1到方案3隨著最低發電運行水位抬高，工程投資呈遞減趨勢，但變化幅度不大;從不同方案經濟指標來看，各方案經濟凈現值差異較小，其中方案2相對最大;從差額內部收益率比較結果來看，方案1-方案2差額內部收益率為4.03%，說明方案2優于方案1，方案2-方案3差額內部收益率為9.40%，說明方案2優于方案3;從經濟指標來看，方案2為三組方案中的較優方案。綜合來看，方案2為三組方案中的較優方案，因此，選擇電站發電最低運行水位為1634m，相應加權平均水頭為197.5m。當庫水位高于1634m，利用灌溉出庫水量發電，當庫水位低于1634m，考慮機組穩定運行電站停機不發電，但水庫正常供水。

3. 額定水頭擬定

（1）水輪機額定水頭Hr是機組發出額定出力的最小水頭。本樞紐工程是具有灌溉、防洪、兼顧發電等綜合利用任務的水利樞紐工程，根據水庫運行調度方式，汛期水輪機在低水頭大流量條件下運行，非汛期水輪機在高水頭小流量條件下運行，水輪機最優效率區的工作區域應既滿足蓄水期在較高水頭下穩定運行和多發電量的要求，又兼顧汛期在較低水頭下能靠近無空化或低空化區運行，以減輕磨蝕損壞。

（2）合理選擇額定水頭直接關系機組的穩定運行性能和電站發電效益，以及機組設備投資、土建投資和水庫運行方式等。電站加權平均水頭197.5m，為確定額定水頭，對電站的長系列水頭分布范圍進行統計，其結果見表2。

（3）電站最大水頭為221.3m，最小水頭為148.5m，加權平均水頭為197.5m。水輪機額定水頭比較是在裝機容量、機組臺數確定的前提下進行的，因此不同額定水頭方案的裝機容量均為750MW、機組臺數均為3臺，單機容量均為250MW，各額定水頭比較方案樞紐布置均相同。從表2可看出，電站水頭較長時間分布在197.5m以上，因此額定水頭應靠近加權平均水頭，以獲取更多電量，同時應兼顧低水頭的運行穩定性需求。根據本電站的運行特性、水頭分布特點及規范要求，參照類似水電站的設計經驗，按照額定水頭與加權平均水頭比值0.95～1.0的范圍，擬定191m、194m、197m三個額定水頭方案進行比選，不同額定水頭方案比較情況見表3。

4. 額定水頭選擇

本電站為高水頭電站，正常發電運行水頭變化范圍相對較大，各額定水頭方案額定效率相同，從機組穩定運行條件分析，額定水頭191m、194m、197m對機組穩定運行影響不大;從機電方面比較，三個方案水輪機額定效率均為0.925，額定轉速分別為200r/min、214.3r/min、214.3r/min，轉輪直徑分別為4.45m、4.40m、4.35m，均在同一個水平，水輪發電機組的設計、制造、運輸均不存在制約因素，均可行，各額定水頭方案均可行;從動能指標來看，方案1到方案3隨著額定水頭增大額定流量有所減小，方案間電量呈遞減趨勢，但變化幅度不大;從工程投資來看，方案1到方案3隨著額定水頭增大，由于轉輪直徑減小，機組總重量降低，方案間工程投資呈遞減趨勢，但變化幅度不大;從不同方案經濟指標來看，各方案經濟凈現值差異較小，其中方案2相對最大;從差額內部收益率比較結果來看，方案1-方案2差額內部收益率為極小值，說明方案2優于方案1，方案2-方案3差額內部收益率為8.94%，說明方案2優于方案3;從經濟指標來看，方案2為三組方案中的較優方案。綜合來看，方案2為三組方案中的較優方案，因此，選擇電站額定水頭為194m。電站加權平均水頭為197.5m，水輪機額定水頭與加權平均水頭的比值為0.98，在設計規范要求的0.95～1.0的范圍內;電站最大水頭為221.3m，最大水頭與額定水頭比值為1.14，在設計規范要求的小于1.15范圍內，對于機組運行穩定性較為有利。

5. 結語

承擔綜合利用任務的水電站工程，必須充分考慮“電調服從水調”原則。對于堤壩式開發的水電站，在興利調度過程中遇到消落深度過大的情況，需分析電站水頭分布特性，如水庫消落深度超出水輪機組正常運行范圍，則應考慮設置發電限制水位，以保障機組安全運行。本文所研究的水電站是這類工程的典型代表，文章在充分考慮上述因素基礎上進行額定水頭選取，希望在類似工程設計過程中能夠起到一定借鑒作用。