論五強溪水電廠擴機項目水輪機額定水頭選擇

杜凱堂

(五強溪水電廠，湖南常德415000)

論五強溪水電廠擴機項目水輪機額定水頭選擇

杜凱堂

(五強溪水電廠，湖南常德415000)

結(jié)合五強溪水電廠擴機項目的實例，分析了額定水頭選擇的一般原則，針對水輪機運行水頭變幅大時不穩(wěn)定情況，敘述了如何進行經(jīng)濟技術(shù)方案比較確定合適額定水頭的過程。

額定水頭；選擇；五強溪水電廠；擴機項目

五強溪水電廠位于湖南省沅陵縣，安裝有5臺單機容量240 MW的混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量1 200 MW，1996年12月投入商業(yè)運行。

五強溪水庫調(diào)節(jié)特性為季調(diào)節(jié)，非汛期全部水能均可用于發(fā)電，在汛期，水庫防洪任務(wù)重，棄水多。電廠投產(chǎn)以來年均水量利用率僅80.69%。為有效利用水庫汛期棄水，擬擴機容量500 MW，年均可增加發(fā)電量5.43億kWh，水量利用率為89.97%。

1 水輪機額定水頭選擇

1.1 水輪機額定水頭選擇的重要性

額定水頭是水輪機的一個重要參數(shù)。根據(jù)參考文獻〔1〕的定義:“額定水頭為水輪機在額定轉(zhuǎn)速下，輸出額定功率時所需的最小水頭”。當電站項目的裝機容量確定以后，選擇合適的額定水頭，可以使項目獲得良好的經(jīng)濟效益、節(jié)省投資，保證機組運行安全。

1.2 中低水頭混流式水輪機額定水頭的選擇

對于新建的大中型水電廠，額定水頭的選擇參考文獻〔2〕中有明確規(guī)定:水輪機/水泵水輪機額定水頭的選擇應(yīng)根據(jù)水電廠的運行水頭及出力范圍、水輪機/水泵水輪機運行特性及其穩(wěn)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(diào)節(jié)特性與運行方式、機組在電網(wǎng)中的作用及其運行方式，以及輸水系統(tǒng)水頭損失等因素綜合考慮，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較選定。同時，對于中高水頭水輪機，額定水頭建議在加權(quán)平均水頭的0.95～1倍的范圍內(nèi)選取。對于調(diào)節(jié)性能差的水電廠，應(yīng)盡量保證水電廠發(fā)足裝機容量。

實踐中，通常根據(jù)情況按下列經(jīng)驗公式計算選取額定水頭

在(1)式中，以最小水頭Hmin為基礎(chǔ)，額定水頭略高于最小水頭，機組的水頭利用率高，電站受阻容量小，特別適合水庫調(diào)節(jié)性能好，最大水頭與最小水頭相差不大的情況。

在(2)和(3)式中，以加權(quán)平均水頭為依據(jù)，考慮流道水力損失的差異，河床式電站與壩后式電站略有不同。對于最高水頭與最低水頭變化大，水庫調(diào)節(jié)性能一般的電站，按這種方法選擇額定水頭，機組的水頭利用率高〔3〕。

在(4)式中，以Hmax和最低水頭Hmin為基準，額定水頭遠離最大水頭Hmax，對于水庫庫容大、調(diào)節(jié)性能很好、水頭變幅大的電站，采用相對更低(遠離最大水頭)的水頭作為機組額定水頭的趨勢。機組的水頭利用率更高〔4〕。

上述經(jīng)驗計算公式都是以電站的電量、效率等動能經(jīng)濟指標作為依據(jù)，而未考慮水輪機自身特性的選擇方法。運行實踐證明，在機組尺寸、容量不很大的情況下是可行的，運行中出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象并不突出，即使偶爾發(fā)生其影響也不很大。

水頭變幅大的大容量機組在運行中出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，1992年首先在巴基斯坦塔貝拉水力樞紐11，12號機上出現(xiàn)。檢修中發(fā)現(xiàn)尾水管錐管里襯振裂，底環(huán)與座環(huán)聯(lián)接螺栓全部松動，葉片靠上冠處出現(xiàn)裂紋。在高水頭運行工況，隨著導(dǎo)葉開度的減少，轉(zhuǎn)輪上冠葉柵脫流明顯增強，渦帶增大，渦核出現(xiàn)真空，脈動壓力和振動明顯增加。1993年瑞士Dorfler P K發(fā)表的《高比速混流式模型水輪機在較大部分負荷下壓力脈動的觀察》介紹了當比轉(zhuǎn)速ns＞200 m·kW時，都存在高部分負荷的壓力脈動現(xiàn)象，當ns≤200 m·kW時，模型轉(zhuǎn)輪沒有出現(xiàn)高頻脈動現(xiàn)象〔5〕。

額定水頭附近的渦流可以通過選用適當?shù)霓D(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)、合適的葉片形狀、配套的泄水錐和導(dǎo)葉等來消除。例如，巖灘水電站一期工程，安裝有4臺HLA296－HJ－800混流式水輪機，機組投入運行后，額定水頭位于62 m以上時，在部分高負荷工況下，發(fā)電機層地板出現(xiàn)劇烈振動，發(fā)電機蓋板響聲較大，1995年初發(fā)現(xiàn)3號機轉(zhuǎn)輪葉片有貫穿性裂紋，裂紋始于上冠和下環(huán)焊縫處，逐步往葉片中部延伸，中部裂紋遠多于上冠和下環(huán)處，其后相繼發(fā)現(xiàn)其它3臺機均出現(xiàn)類似的情況〔6〕。更換新型號轉(zhuǎn)輪才解決問題。

對于水頭變動幅度太大的水電廠，實踐證明，當不在最優(yōu)工況附近運行時，高水頭工況比低水頭危害更大。為了保證水輪機在高水頭下安全運行，目前通常的做法是，針對最高水頭，選擇一個合適的額定水頭和設(shè)計水頭。有文獻提出建議，在水輪機參數(shù)選擇中，Hmax/Hopt比值不宜過大，最好不要超過1.1～1.15〔7〕。三峽選擇設(shè)計水頭的經(jīng)驗，三峽的加權(quán)平均水頭為90.1 m，在技術(shù)設(shè)計審查階段，專家組根據(jù)塔貝拉的教訓(xùn)，建議Hmax/Hopt比值取為1.15左右。在招標書中受墾務(wù)局準則的影響，將這一比值定為≤1.25。六家投標商提出Hmax/Hopt的比值在1.04～1.17之間，多數(shù)在1.10～1.15之間。在評標中，四家參與的投標商對Hopt作了修改，修改后Hmax/Hopt的比值非常接近，在1.10～1.12之間。根據(jù)這些比值所得出的特性曲線，葉道渦初生線除高水頭區(qū)特小負荷區(qū)外均在運行范圍之外。中標的兩家供貨商的Hmax/Hopt分別為1.10和1.12〔8〕。

2 水輪機額定水頭的選擇過程

該電廠建成于上世紀90年代，受當時歷史條件的限制，水量利用率不是很高。20多年的運行實踐表明，水庫在汛期會大量棄水。為將汛期水量轉(zhuǎn)化為電量，擬擴機500 MW，2臺250 MW混流式機組。

擬定擴機機組的運行方式為，擴機機組全時段投入華中電網(wǎng)運行，不只限定在汛期發(fā)電。擴機機組參與調(diào)頻調(diào)峰運行。

擴機項目水輪機基本參數(shù)，見表1。

表1 水輪機基本參數(shù)m

擴機機組汛期出力不受阻的臨界水頭為40.8 m，按長系列徑流調(diào)節(jié)計算成果統(tǒng)計，電站最大水頭52.5 m(若考慮極端運行工況最大水頭為58.9 m)，最小水頭33.8 m(若考慮極端運行工況最小水頭為33.4 m)，加權(quán)平均水頭46.13 m，汛期加權(quán)平均水頭43.37 m，非汛期加權(quán)平均水頭49.79 m。

1)現(xiàn)有機組額定水頭的選取及運行工況

該電廠在初步設(shè)計時，立足在國內(nèi)制造機組，考慮當時國內(nèi)的設(shè)計水平和制造能力，設(shè)計水頭44.5 m單機容量240 MW的機組，水輪機直徑達8.6 m，單機過流量617 m3/s。這種大流量和大直徑的機組當時國內(nèi)制造上已很困難，如果降低額定水頭，機組直徑還需加大，國內(nèi)制造、運輸困難。

從水頭保證率來看，現(xiàn)機組額定水頭44.5 m偏高，相應(yīng)的保證率偏低，電站技術(shù)施工階段計算，全年額定水頭保證率66.5%，汛期額定水頭保證率33.5%，在汛期，機組出力受阻較為嚴重、受阻幾率較大。

2)擴機機組預(yù)可研階段額定水頭初擬

湖南電力系統(tǒng)缺乏的主要是汛期調(diào)峰容量，從合理發(fā)揮擴機電站容量效益的角度分析，五強溪水電廠擴機項目除了充分利用汛期棄水多發(fā)電量外，還應(yīng)考慮在汛期盡可能少受阻。五強溪水庫防洪任務(wù)較重，汛期5—7月水庫水位要求降到汛限水位98.00 m運行，擴機后電站全廠額定流量為4 513 m3/s，考慮凌津灘汛期水位在50 m運行的頂托影響時相應(yīng)下游水位為54.90 m，扣除擴機機組滿發(fā)水頭損失后，擴機機組汛期不受阻的臨界水頭為40.8 m。從充分發(fā)揮擴機項目容量效益方面分析，機組額定水頭不應(yīng)高于40.8 m。

3)擴機機組預(yù)可研階段初擬的額定水頭校核

該擴機項目立足從國內(nèi)采購水輪發(fā)電機組，對中低水頭段混流式機組而言，我國的制造水平處在世界先進水平前列。擴機項目預(yù)可研階段，從發(fā)揮五強溪水庫的最大經(jīng)濟效益出發(fā)，將水輪機的額定水頭初擬為41.5 m。五強溪水電廠擴機機組的特點是，運行水頭變幅大，尺寸大，在電網(wǎng)參與調(diào)頻調(diào)峰。國內(nèi)類似機組穩(wěn)定運行區(qū)窄，從運行安全出發(fā)，必須調(diào)研國內(nèi)水輪機的制造水平和機組實際運行情況，根據(jù)調(diào)研成果選擇可靠的參數(shù)區(qū)域，再進行經(jīng)濟成果比較以確定合適的水輪機額定水頭。

國內(nèi)各廠家都沒有可套用的水輪機轉(zhuǎn)輪，都需要重新開發(fā)。需確定合適的水力開發(fā)參數(shù)。

①從控制投資規(guī)模而言，應(yīng)盡可能選擇較高的水輪機額定比轉(zhuǎn)速。同時，為了保證水輪機有良好的水力性能，應(yīng)調(diào)研國內(nèi)運行良好的電站。

根據(jù)相近水頭段電站水輪機基本參數(shù)表(見表2)和國內(nèi)某大型水電設(shè)備制造廠混流式水輪機額定比轉(zhuǎn)速統(tǒng)計曲線，選擇了以下4個方案進行比選。

表2 相近水頭段電站水輪機基本參數(shù)表

方案一，額定水頭41.5m，額定轉(zhuǎn)速62.5r/min，比轉(zhuǎn)速299.60 m·kW；方案二，額定水頭42.5 m，額定轉(zhuǎn)速62.5 r/min，比轉(zhuǎn)速291.42 m·kW；方案三，額定水頭42.5 m，額定轉(zhuǎn)速68.2 r/min，比轉(zhuǎn)速317.91 m·kW；方案四，額定水頭43.5 m，額定轉(zhuǎn)速68.2 r/min，比轉(zhuǎn)速308.24 m·kW。

②考慮水輪機高水頭區(qū)的運行穩(wěn)定性。為了使最優(yōu)工況水頭盡量靠近水輪機的額定水頭，通過選擇合適的Hmax/Hr比值確定額定水頭。

擴機項目，長徑流統(tǒng)計的最大水頭52.5 m；考慮極端運行工況，最大水頭為58.9 m。根據(jù)上面選定的幾個水頭方案，按長徑流的最大水頭52.5 m計算Hmax/Hr比值，52.5 m/41.5 m＝1.26，52.5 m/42.5 m＝1.23，52.5 m/43.5 m＝1.20，根據(jù)本文在上面提到的合適Hmax/Hr比值范圍，顯然，額定水頭為43.5 m時，Hmax/Hr＝1.2可以保證在大部分時間水輪機在較高水頭下安全穩(wěn)定運行。

考慮部分極端情況，最大水頭為58.9 m，計算Hmax/Hr比值如下，58.9 m/41.5 m＝1.42，58.9 m/42.5 m＝1.38，58.9 m/43.5 m＝1.35。這種比值明顯偏大，比較現(xiàn)在五強溪運行的水輪機，Hmax/Hr＝60.1 m/44.5 m＝1.35。58.9 m/43.5 m與60.1 m/44.5 m相等，五強溪水電廠現(xiàn)在的水輪機已安全運行20多年，因此，選擇43.5 m能保證擴機機組在極端工況下不會出現(xiàn)設(shè)備安全問題。

③從能量指標比較。各額定水頭方案能量指標見表3。多年平均電量、汛期電量、水量利用率等指標在40.5 m、41.5 m、42.5 m、43.5 m差異不大，40.5 m最高，43.5 m偏低，但幅度很小。

表3 各額定水頭方案能量指標表〔9〕

綜合上述技術(shù)經(jīng)濟指標，在4個方案中，選擇水頭43.5 m作為五強溪水電廠擴機項目的水輪機額定水頭比較合適。

3 結(jié)語

選擇合適的水輪機額定水頭，可以保證水輪機在常態(tài)下安全穩(wěn)定運行，創(chuàng)造最佳的經(jīng)濟效益。根據(jù)水庫的特性，按項目效益最大化考慮可選的額定水頭范圍。對于大容量和大尺寸機組，為保證水輪機投運后的安全穩(wěn)定運行，需進行技術(shù)校核。在技術(shù)論證上，必須充分理解電站的水庫運行特性，水輪機投入商業(yè)運行后的運行方式，水輪機的前沿技術(shù)水平和制造業(yè)狀況。由于模型水輪機不能充分反映原型水輪機的實際運行情況，尚需調(diào)研類似水輪機的運行資料。綜合上述各項資料，在技術(shù)上確定水輪機額定水頭可選范圍。對上述符合經(jīng)濟和技術(shù)的方案進行最后比選，確定在電站投資規(guī)模和投入商業(yè)運行后水輪機各項經(jīng)濟指標在最優(yōu)水平的水輪機額定水頭參數(shù)。

〔1〕中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.水輪機基本技術(shù)條件:GB/T 15468—2006〔S〕.北京:中國標準出版社，2006.

〔2〕中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范:DL/T5186—2004〔S〕.北京:中國電力出版社，2004.

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〔9〕中南勘測設(shè)計研究院有限公司.五強溪水電站擴機工程可行性研究報告(初稿)〔R〕.2015.

表1 鵝城軟啟動器與華新變頻器誤報警次

4 結(jié)束語

由于主泵運行只需高、低兩種轉(zhuǎn)速，并不要調(diào)節(jié)多種轉(zhuǎn)速，盡管變頻器功能強大，但主泵只使用了變頻器的一種調(diào)速功能，且變頻器保護檢測的靈敏性也降低了主泵運行的穩(wěn)定性。而變極調(diào)速的方法只需設(shè)計兩種接線方式分別對應(yīng)兩種轉(zhuǎn)速，并加裝軟啟動器用于電機啟動，這種回路設(shè)計不但實現(xiàn)了主循環(huán)泵的功能要求，還降低了經(jīng)濟成本。且軟啟動器運行時間短，高速啟動完成后，則通過旁路進行工作，而變頻器則長期運行，運行可靠性降低。綜上所述，相較于變頻器調(diào)速啟動的方式，主泵采用變極調(diào)速并利用軟啟動器配合啟動的方式具有更好的運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，目前新建的800 kV特高壓換流站閥水冷系統(tǒng)主泵均采用該啟動方式。

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〔8〕李龍蛟.復(fù)龍站閥水冷流量保護跳閘隱患分析及處理〔J〕.華中電力，2012，25(3):15-19.

作者簡介

黃晨，男，漢族，湖南郴州人，工程師，大學(xué)本科學(xué)歷，從事高壓直流輸電系統(tǒng)運行維護工作。

Selection of hydro-turbine rated head for Wuqiangxi Hydropower Plant extension project

DU Kaitang
(Wuqiangxi Hydropower Plant，Changde 415000，China)

Combining with examples of Wuqiangxi extension project，this paper analyzes the general principles of the selection of rated head.It focus on when the turbine operating head amplitude is large，instabilities occuring，the process of how to compare the economic and technical scheme determine the appropriate rated head.

rated head selection；Wuqiangxi Hydropower Plant；extension project

TK734.2

B

1008-0198(2017)01-0046-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.01.011

杜凱堂(1962)，男，湖南雙峰人，高級工程師，學(xué)士，長期從事水電廠技術(shù)管理工作。

湖南發(fā)展委:發(fā)展能源(2016)982號.

2016-06-15 改回日期:2016-09-05