玉龍水電站機組額定水頭選擇設計

李 陽

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 電站概況

玉龍喀什水利樞紐工程位于新疆和田，其建設任務為：在保證向塔里木河下泄生態水量目標的前提下，通過與烏魯瓦提水利樞紐聯合調度，以調控生態輸水、灌溉補水為主，結合防洪，兼顧發電等綜合利用。水庫總庫容5.39億m3，正常蓄水位2 170 m，電站裝機容量200 MW，為Ⅱ等大(2)型工程。電站建成后可向南疆四地州輸送5.20億kW·h的電量。

2 電站基本參數

(1)電站動能指標

裝機容量200 MW，多年平均年發電量5.20億kW·h，年利用小時數2 600 h。

(2)尾水位

校核洪水位1 977.07 m，設計洪水位1 976.48 m，正常尾水位1 966.07 m，設計尾水位1 962.56 m。

(3)水輪機工作水頭

最大水頭207.10 m，最小水頭109.13 m，全年加權平均水頭161.20 m，汛期加權平均水頭154.20 m，非汛期加權平均水頭177.40 m。

3 額定水頭選擇

水輪機額定水頭是指機組發出額定出力的最小水頭。

額定水頭的選擇應根據水電廠的運行水頭及出力范圍、水輪機運行特性及其穩定運行的要求、水電廠出力受阻及電量損失的限制條件、水庫調節特性與運行方式、機組在電網中的作用及其運行方式，以及輸水系統水頭損失等因素綜合考慮，經技術經濟比較選定。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。

本電站全年加權平均水頭161.2 m，汛期加權平均水頭154.2 m，非汛期加權平均水頭177.4 m。水輪機最大工作水頭與最小工作水頭之間差距約100 m，Hmax/Hmin=1.91，水頭變幅很大。根據本工程調度運行方式,電站建成后將按“電調服從水調”模式運行。

一般來說，對于水頭變幅較大的電站，額定水頭越低，在高水頭區域運行時越不穩定，容易導致機組產生高頻振動；額定水頭越高，在低水頭區域出力受阻就越嚴重。因此，選擇合理的水輪機額定水頭尤為重要。

為確定機組額定水頭，對規劃專業提供的長系列月平均及汛期旬平均水頭、流量數據，按全年、非汛期、汛期及汛期分旬平均水頭、流量分布進行了統計(見表1、表2)。

表1 各統計時段流量、水頭極值

表2 各時段水頭統計

從表2可以看出，非汛期月均水頭在高水頭附近出現概率較高，水頭在190 m及以上出現的概率占比已超過35%；汛期月均水頭在145～165 m之間出現的概率占比也超過30%。

考慮本電站機組在非汛期運行時長約為8個月，此時段機組多數時間運行在較高水頭，且流量最大值不超過36 m3/s。因此，機組額定水頭的選擇應在保證機組長期穩定運行的前提下充分提高發電效益，故額定水頭不宜過低。

同時，根據本工程調度運行方式、年內流量分布特點及表2的統計成果可以看出，汛期流量充沛但機組月均水頭及分旬水頭均較非汛期有大幅降低。從充分利用汛期的水量及水能資源，減少機組在低水頭運行時的出力受阻和氣蝕，避免機組在高水頭運行時誘發振動的角度而言，機組額定水頭的選擇也不宜過高。

經多次試算發現，如將額定水頭靠近汛期運行水頭選取，非汛期運行時有較大可能導致高水頭振動；而將額定水頭靠近非汛期運行水頭選取，汛期運行時必然導致出力受阻及空蝕加劇。由于該矛盾不可調和，故機組額定水頭的確定十分困難。

為確定機組額定水頭，向國內數家水輪發電機組生產制造商及科研院所進行了咨詢。咨詢結果表明，各咨詢單位均無可適應玉龍樞紐水頭變幅及運行方式的轉輪，多數咨詢單位建議水輪機采用下拆方案；即配備2個不同額定水頭的水輪機轉輪(汛期低水頭轉輪，非汛期高水頭轉輪)以適應機組不同時期的運行要求。另有部分咨詢單位建議針對玉龍水利樞紐工程的實際工況進行轉輪模型專項研發。考慮模型轉輪研發周期長、費用高，研發成果是否符合預期尚不明確，本階段初定機組采用下拆方案，通過更換不同額定水頭的轉輪及相應附件以適應本工程特點。同時，考慮非汛期最大流量不超過36 m3/s的限制，采用下拆方案的機組容量只需滿足非汛期過流要求即可，其余機組額定水頭的選擇應在滿足汛期大流量、偏低水頭運行要求的前提下，盡可能多發電以提高電站的經濟效益。

3.1 汛期低水頭轉輪額定水頭的選擇

為確定汛期轉輪的額定水頭，對表2中的汛期月均及汛期分旬水頭統計成果進行整理后如下所示(見表3)。

表3 汛期水頭統計成果整理

從表3可以看出，在不考慮流量限制及機組運行工況的前提下，機組的額定水頭越低，實際運行水頭高于機組汛期額定水頭的概率就越高。根據本工程實際情況，考慮汛期機組應盡可能多140 m出力，結合表3統計成果，初擬汛期額定水頭方案如下所示(見表4)。

表4 初擬汛期額定水頭方案

3.2 非汛期高水頭轉輪額定水頭的選擇

為確定非汛期轉輪的額定水頭，對表2中的非汛期月均水頭統計成果進行整理后如下所示(見表5)。

表5 非汛期水頭統計成果整理

從表5可以看出，非汛期實際運行水頭較汛期有較大提高。考慮電站機組在非汛期運行時長約為8個月，此時段內機組運行水頭較高，且該時段流量最大值不超過36 m3/s，非汛期額定水頭的選擇應在保證機組長期穩定運行的前提下充分提高發電效益，結合表5統計成果，初擬非汛期額定水頭方案如下所示(見表6)。

表6 初擬非汛期額定水頭方案

3.3 不同額定水頭的組合方式

為保證機組無論汛期還是非汛期，多數時間均能夠發足出力，根據表4和表6，按汛期及非汛期滿發概率基本相同的原則，初擬了以下5個額定水頭組合方案進行技術經濟比選(見表7、表8)。為便于比較，額定水頭技術經濟比選時裝機方案統一按2×30 MW+2×70 MW考慮。

表7 初擬額定水頭組合方案

表8 不同額定水頭比較

從表8可知，各方案水輪機轉輪直徑相差不大，機組制造與運輸難度系數相當。隨著額定水頭的提高，轉輪尺寸減小、重量減輕，靜態總投資及多年平均發電量均隨額定水頭的提高而減少。

從水輪機運行范圍而言，提高額定水頭會使真機的運行區域在水輪機模型綜合特性曲線向上移動，減小運行區與振動區的交叉范圍，達到降低振動影響的目的。同時，由于玉龍樞紐年內來流量多在汛期，此時機組運行水頭較低，為有效增加汛期發電量，額定水頭也不宜過高。

對于本工程而言，汛期及非汛期的額定水頭越低，滿發概率越高；但考慮本工程水頭變幅極大，在流量充沛的前提下，只需保證多數時間機組能夠發足出力即可。方案一和方案二的滿發概率分別約為80%和75%，略偏高；方案四和方案五的滿發概率分別約為55%和45%，略偏低；方案三的滿發概率約為65%，較為合適。

經綜合分析比較，本階段初定水輪機汛期額定水頭為140 m，非汛期額定水頭為170 m。

4 結 語

玉龍喀什水利樞紐工程的建設，是確保玉龍河生態供水的需要，是玉龍河流域防洪減災、促進地區經濟社會發展的需要。通過參數計算分析和比選，確定水輪機額定水頭，對今后工程的實施建設具有一定指導作用。

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