大中型水電站額定水頭選擇探討

秦守田

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春 130021）

1 水頭概述

大中型水電站水頭（或稱(chēng)落差）是水電站上、下游某斷面水位差，是水電站能量的兩個(gè)主要?jiǎng)恿σ刂弧Ｋ娬旧嫌嗡粸樗畮?kù)水位，下游水位一般為水輪機(jī)尾水位。上、下游水位差稱(chēng)為毛水頭，考慮到水流經(jīng)過(guò)水工建筑物時(shí)產(chǎn)生沿程摩阻損失與局部損失，從毛水頭中扣除損失后即得電站凈水頭。水電站常用的特征水頭有以下4種情況：

1）最大水頭（Hmax）：最大水頭為上、下游水位中可能同期出現(xiàn)的最大差值。一般上游水位最高、下游為最低時(shí)出現(xiàn)，它是水輪機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)的一項(xiàng)重要數(shù)據(jù)。

2）最小水頭（Hmin）：最小水頭為上、下游水位中可能同期出現(xiàn)的最小差值。一般為上游水位最低、下游最高時(shí)出現(xiàn)，它是水輪機(jī)在低效區(qū)時(shí)保證水輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的最低水頭。

3）平均水頭（HW）：分為算術(shù)平均和加權(quán)平均水頭兩種，常采用以出力為權(quán)重的加權(quán)平均水頭。

4）額定水頭（Hr）：電站額定水頭是水電站重要的特征水頭，是水輪機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)功率因數(shù)cosφ的條件下，水輪機(jī)發(fā)出額定出力時(shí)所需要的最小水頭。電站額定水頭是歐美各國(guó)一慣的叫法，俄羅斯稱(chēng)之為計(jì)算水頭，我國(guó)從前稱(chēng)為設(shè)計(jì)水頭，現(xiàn)統(tǒng)稱(chēng)額定水頭。

水電站水頭隨著水庫(kù)上、下游水位的變化而變化。具有調(diào)節(jié)能力的水庫(kù)上游水位在正常蓄水位和死水位之間變化，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(xiàn)在水庫(kù)蓄滿時(shí)，最小水頭多出現(xiàn)在水庫(kù)放空時(shí)。無(wú)調(diào)節(jié)能力水庫(kù)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(huì)引起水庫(kù)尾水位上升，導(dǎo)致水頭減小。

2 額定水頭選擇

2.1 額定水頭概述

水電站額定水頭是水輪機(jī)組發(fā)額定容量時(shí)相應(yīng)的最小水頭，也稱(chēng)臨界水頭或計(jì)算水頭。它在水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線上表現(xiàn)為水輪機(jī)出力限制線與發(fā)電機(jī)出力限制線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的水頭，是水電站最重要的特征水頭。水電站額定水頭、預(yù)想出力及受阻容量示意圖見(jiàn)圖1。

2.2 額定水頭計(jì)算方法

圖1 水電站額定水頭、預(yù)想出力及受阻容量示意圖

水輪機(jī)的額定水頭與水輪機(jī)的特性、電力系統(tǒng)的要求、水庫(kù)的調(diào)節(jié)性能、電站的發(fā)電量以及投資等有關(guān)，其選擇應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)電站水頭變化特性、電站加權(quán)平均水頭和電力電量平衡的要求進(jìn)行選擇。具體工程方案比選中往往以電站最大、最小、加權(quán)平均水頭作為水輪發(fā)電機(jī)組額定水頭Hr的基礎(chǔ)，一般可按下式估算：

上述公式是水電工作人員根據(jù)工程的實(shí)際情況總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式，一直被工程設(shè)計(jì)人員所參照和使用。從公式中反映出水輪機(jī)組額定水頭，靠近最小水頭或低于電站的加權(quán)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(jī)組最大限度不受阻，使水電站的受阻容量最小。②額定水頭接近加權(quán)平均水頭HW，可以使電站效率發(fā)揮最大。③電站受阻容量過(guò)大，則系統(tǒng)的有效容量降低，會(huì)影響系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，同時(shí)需要新建電站或增加其他電站的容量，需要付出一定的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。

2.3 額定水頭設(shè)計(jì)思路變化

建國(guó)初期，我們的很多規(guī)程規(guī)范是受前蘇聯(lián)的影響，額定水頭盡量的取低值，以保證電站盡量不受阻、多發(fā)電。近年來(lái)，隨著改革開(kāi)放的逐步深入，西方先進(jìn)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)理念以及成功、失敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)逐步被接受。特別是國(guó)內(nèi)外大型混流式機(jī)組不斷發(fā)現(xiàn)振動(dòng)、葉片裂紋現(xiàn)象，有的甚至在試運(yùn)行期間或運(yùn)行初期，就出現(xiàn)葉片裂紋和穩(wěn)定性問(wèn)題。如大朝山水電站轉(zhuǎn)輪在72h試運(yùn)行期間即發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋。小浪底首臺(tái)投產(chǎn)機(jī)組在運(yùn)行初期發(fā)生大軸嚴(yán)重抖動(dòng)并伴有異常噪音，經(jīng)1 330 h后，發(fā)現(xiàn)13個(gè)葉片全部出現(xiàn)裂紋等問(wèn)題，被迫停機(jī)修復(fù)和改進(jìn)，給電力生產(chǎn)造成較大損失。巴基斯坦塔貝拉水電站11～14號(hào)機(jī)組在運(yùn)行初期轉(zhuǎn)輪葉片就出現(xiàn)裂紋，有的葉片甚至斷裂。經(jīng)專(zhuān)家們研究發(fā)現(xiàn)：運(yùn)行不穩(wěn)定或水力穩(wěn)定性較差的機(jī)組，大多數(shù)為水頭變幅大的混流式機(jī)組。經(jīng)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)于水頭變幅比大的混流式水輪機(jī)，當(dāng)額定水頭定得太低（Hmax/Hr≥1.15），發(fā)電機(jī)出力限制線在高水頭區(qū)過(guò)分地侵入水輪機(jī)高效區(qū)，可能導(dǎo)致大部分高效區(qū)被發(fā)電機(jī)出力限制線限制在外。另外，當(dāng)水輪機(jī)在高水頭、效率低區(qū)域運(yùn)行時(shí)（即小負(fù)荷情況下），由于導(dǎo)葉開(kāi)度小，出現(xiàn)葉片進(jìn)口水流正沖角過(guò)大，造成葉片進(jìn)口邊負(fù)壓面脫流空化而形成葉道渦，由于葉片及轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生振動(dòng)，使應(yīng)力增大，安全性和水力穩(wěn)定性下降。表1統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)外存在運(yùn)行問(wèn)題的部分水輪機(jī)參數(shù)。

表1 國(guó)內(nèi)外存在運(yùn)行不穩(wěn)定問(wèn)題的部分水輪機(jī)參數(shù)

這些水電站的水輪機(jī)在水頭低于額定水頭下均能正常運(yùn)行，但是當(dāng)運(yùn)行水頭高于額定水頭時(shí)，機(jī)組振動(dòng)擺度和尾水管壓力脈動(dòng)隨水頭升高而增大。巖灘機(jī)組在水頭高于設(shè)計(jì)水頭、負(fù)荷低于額定功率的85%運(yùn)行區(qū)時(shí)，因水壓脈動(dòng)、機(jī)組振動(dòng)等因素，引起廠房樓板劇烈共振，使電氣設(shè)備發(fā)生誤動(dòng)作無(wú)法安全運(yùn)行，所以只能在額定功率的90%以上運(yùn)行。潘家口電站機(jī)組在75～85 m水頭下運(yùn)行時(shí)，機(jī)組振動(dòng)、空蝕、噪音十分嚴(yán)重，12年里尾水管錐管曾8次被撕裂，轉(zhuǎn)輪14個(gè)葉片中有11個(gè)在靠近下環(huán)處產(chǎn)生裂紋，空蝕坑深度達(dá)20～25 mm。巴基斯坦的塔貝拉水電站第一臺(tái)和第二臺(tái)分別于1992年5月、7月投入運(yùn)行，初期運(yùn)行時(shí)機(jī)組運(yùn)行正常，但是當(dāng)水頭達(dá)116～118 m以上時(shí)，機(jī)組振動(dòng)明顯增大，水頭高于120 m時(shí)更為嚴(yán)重，被迫停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪上冠與葉片連接處出現(xiàn)長(zhǎng)約200～300 mm的裂紋，經(jīng)歷12個(gè)月進(jìn)行數(shù)十項(xiàng)改造修復(fù)才重新投入運(yùn)行。

大量水電站機(jī)組運(yùn)行實(shí)踐證明，當(dāng)水頭變幅比較小時(shí)，機(jī)組出現(xiàn)穩(wěn)定性能惡化現(xiàn)象并不突出，當(dāng)水頭變幅比較大，而機(jī)組又在高水頭、低效率區(qū)域運(yùn)行時(shí)，就會(huì)造成機(jī)組振動(dòng)超常、葉片裂紋甚至斷裂的現(xiàn)象，甚至嚴(yán)重影響電力生產(chǎn)。美國(guó)墾務(wù)局根據(jù)他們的經(jīng)驗(yàn)，推薦最大水頭與額定水頭之比不大于1.25；DL/T5186-2004《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦最大水頭與設(shè)計(jì)水頭的比值在1.07～1.11之間，同時(shí)兼顧使最小水頭與設(shè)計(jì)水頭的比值不小于0.65。

2.4 重慶市幾個(gè)水電站額定水頭研究

1）藤子溝水電站。藤子溝水電站位于重慶市石柱縣境內(nèi)龍河上游河段上，龍河系長(zhǎng)江右岸一級(jí)支流。工程于2002年開(kāi)工，2006年建成發(fā)電。水庫(kù)正常蓄水位775 m、死水位723 m，為年調(diào)節(jié)水庫(kù)。工程于2002年完成了初步設(shè)計(jì)調(diào)整報(bào)告，報(bào)告中推薦電站的最大水頭194 m，最小水頭127 m，額定水頭153 m，且通過(guò)了專(zhuān)家的審查，由于設(shè)計(jì)較早，當(dāng)時(shí)沒(méi)有過(guò)多注重機(jī)組穩(wěn)定問(wèn)題，該水電站的控制水頭比值Hmax/Hr=1.27，機(jī)組穩(wěn)定性差些，通過(guò)幾年的實(shí)際運(yùn)行情況分析，在高水頭、小出力以及低水頭、大出力水頭段出現(xiàn)機(jī)組震動(dòng)區(qū)，影響了機(jī)組的正常運(yùn)行。

2）蓋下壩水電站。重慶蓋下壩電站位于重慶市云陽(yáng)縣境內(nèi)長(zhǎng)灘河干流上游河段上。長(zhǎng)灘河是長(zhǎng)江南岸的一級(jí)支流，全長(zhǎng)104.18 km，落差1 023 m，流域總面積1 525.9 km2。蓋下壩水電站是長(zhǎng)灘河開(kāi)發(fā)規(guī)劃的第一級(jí)，電站采取混合式開(kāi)發(fā)。水庫(kù)壩址控制流域面積1 077 km2，多年平均流量為32.0 m3/s。水庫(kù)正常蓄水位392 m，死水位352 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容2.03億m3，是一座具有年調(diào)節(jié)性能的大型水庫(kù)。電站裝機(jī)容量為132 MW，多年平均發(fā)電量為3.722億kW·h。最大水頭183.3 m，最小水頭132.2 m，加權(quán)平均水頭為169 m，最大消落深度為40 m。針對(duì)電站的最大、最下和加權(quán)平均水頭，參考諸多電站實(shí)際運(yùn)行情況的調(diào)研總結(jié)，混流式機(jī)組最大水頭與額定水頭的比值在1.15～1.2范圍內(nèi)機(jī)組運(yùn)行比較穩(wěn)定。從已往設(shè)計(jì)的一般經(jīng)驗(yàn)考慮，額定水頭應(yīng)在加權(quán)平均水頭的0.90～0.95倍范圍內(nèi)。據(jù)此擬定153 m、155 m、157 m和159 m 4個(gè)方案進(jìn)行比選，詳見(jiàn)表2。

表2 不同額定水頭方案經(jīng)濟(jì)比較表

蓋下壩電站最大水頭與最小水頭之比為1.387，各額定水頭方案最大水頭與額定水頭比值在 1.153～1.198之間，各方案均滿足 Hmax/Hmin≤1.5、Hmax/Hr≤1.2 或 Hmax/Hmin≤1.6、Hmax/Hr≤1.15的最佳機(jī)組穩(wěn)定條件。從各方案經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果看，額定水頭157 m總費(fèi)用現(xiàn)值最小。據(jù)此推薦該電站的額定水頭為157 m。

3 結(jié)語(yǔ)

水電站額定水頭的選擇是一個(gè)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等綜合性問(wèn)題，若額定水頭較高，當(dāng)水庫(kù)水位較低或電站汛期出現(xiàn)大流量、下游水位大幅度抬高時(shí)，都將使水頭大幅度減小，造成較大的受阻容量；若額定水頭較低，除了存在機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定問(wèn)題外，在水輪發(fā)電機(jī)組額定容量不變時(shí)，需加大水輪機(jī)直徑或相應(yīng)降低機(jī)組轉(zhuǎn)速，從而增加水電站的投資。因此，最佳的額定水頭必須滿足穩(wěn)定的前提，通過(guò)方案投資和電量經(jīng)濟(jì)比較，分析水輪機(jī)預(yù)想出力降低對(duì)電力系統(tǒng)平衡的影響，綜合分析確定。