MMK水電站水輪機(jī)額定水頭的選擇

【摘要】文章結(jié)合MMK水利樞紐工程電站初步設(shè)計(jì)，對(duì)于具有調(diào)節(jié)庫(kù)容水頭變幅大的水電站，通過對(duì)不同額定水頭方案的分析和比較，選擇合適的水輪機(jī)額定水頭，以保障機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和提高電站的經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】水電站；水頭變幅大；額定水頭

1、電站概況

MMK水利樞紐工程是新疆某河流上的控制性樞紐工程，起著龍頭水庫(kù)的重要作用，是一座具有防洪、灌溉和發(fā)電等綜合利用任務(wù)的水利工程。水庫(kù)正常蓄水位1899.5m，正常蓄水位相應(yīng)庫(kù)容1.11億m3，死水位1870m，死庫(kù)容0.13億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.98億m3。電站裝機(jī)容量為30MW，多年平均年發(fā)電量為0.81億kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)為2701h。最大工作水頭為57m，最小工作水頭為23m，加權(quán)平均水頭為45.5m。

2、工程特性

MMK水利樞紐主要承擔(dān)防洪、灌溉任務(wù)，兼顧發(fā)電，水庫(kù)為不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)，電站的供電范圍為喀克電網(wǎng)，在系統(tǒng)承擔(dān)基荷運(yùn)行。電站水頭受水庫(kù)運(yùn)行方式影響很大，水庫(kù)在6、7月份需排沙運(yùn)行，電站發(fā)電水位由正常蓄水位降至死水位，消落深度29.5m，其余月份電站發(fā)電水位均處于正常蓄水位。

水電站前期設(shè)計(jì)階段，通常用最大水頭與最小水頭的比值Hmax/Hmin來衡量水輪機(jī)水頭變化的大小，Hmax/Hmin大于1.6的水電站可視為水頭變幅偏大。本電站最大水頭57m，最小水頭23，Hmax/Hmin值為2.48，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)值，水輪機(jī)水頭變幅很大。

3、額定水頭的分析選擇

水電站額定水頭是發(fā)電機(jī)發(fā)出額定容量時(shí)水輪機(jī)所需的最小水頭，在水輪機(jī)綜合運(yùn)行特性曲線上是指水輪機(jī)出力限制線與發(fā)電機(jī)出力限制線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水頭。在額定水頭的選擇階段，特別是對(duì)于水頭變幅大的水電站，低水頭功率受阻和高水頭運(yùn)行穩(wěn)定性及高效率區(qū)利用是客觀存在的問題。一般來說，額定水頭變低，電站受阻容量變小，但機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行范圍會(huì)變窄；反之，額定水頭變高，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的范圍會(huì)變寬，機(jī)組安全運(yùn)行更有利。

大量水電站機(jī)組運(yùn)行實(shí)踐與研究表明，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。如額定水頭定的太低（Hmax/Hr≥1.15），機(jī)組在高水頭、低效率區(qū)域運(yùn)行時(shí)，會(huì)造成機(jī)組振動(dòng)劇烈、葉片裂紋甚至斷裂的現(xiàn)象。

根據(jù)電站前期水能計(jì)算成果，1～12月份電站月平均出力見表1，電站多年月平均水頭排頻見表2，水頭范圍的分布規(guī)律見表3。

從表1和表2可以看出，MMK水電站汛期6、7、8三個(gè)月的發(fā)電量占全年總發(fā)電量的一半以上，而汛期6、7、8三個(gè)月的平均發(fā)電水頭與全年發(fā)電水頭相比又偏低。從表3可以看出，電站發(fā)電水頭在加權(quán)平均水頭45.5m以上的范圍占全年發(fā)電時(shí)間的68.6%。因此在選擇水輪機(jī)額定水頭的時(shí)候，除滿足機(jī)組在高水頭段的安全穩(wěn)定運(yùn)行外，還應(yīng)充分重視機(jī)組在汛期6、7、8三個(gè)月發(fā)電水頭較低時(shí)的運(yùn)行情況。

一般情況下，最大水頭與額定水頭的比值Hmax/Hr應(yīng)不大于1.2，最小水頭與額定水頭的比值Hmax/Hr應(yīng)大于0.6。考慮到電站汛期電量占比很高約為58%，適當(dāng)降低額定水頭，能保證電站汛期多發(fā)電，可帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》要求：對(duì)于水庫(kù)采取“蓄清排渾”運(yùn)用方式的多泥沙河流的水電廠，水輪機(jī)額定水頭宜在加權(quán)平均水頭與水庫(kù)蓄水期的下限發(fā)電水頭之間選取。通過以上分析初擬了39m、41m、43m三個(gè)額定水頭方案進(jìn)行比較，為了便于分析比較，本階段暫以JF3029模型轉(zhuǎn)輪為基礎(chǔ)進(jìn)行水輪機(jī)的參數(shù)計(jì)算。

1）對(duì)應(yīng)的三種額定水頭方案轉(zhuǎn)輪直徑差別不大，在水輪機(jī)制造難度和運(yùn)輸條件上均不存在困難。

2）從投資角度分析，隨著額定水頭的增高，除了廠房開挖工程量略有增加外，其他設(shè)備及土建投資均逐漸減小，方案一比方案三的總投資增加一千萬(wàn)左右，適當(dāng)提高額定水頭，可節(jié)省工程投資。

3）從機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性方面，分析各方案的水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線，可以發(fā)現(xiàn)39m和41m水頭方案的運(yùn)行穩(wěn)定性較好，兩者相比較，41m水頭方案的機(jī)組運(yùn)行更為穩(wěn)定。

4、結(jié)論

綜上所述，提高額定水頭有利于降低工程投資，增加機(jī)組在高水頭段運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，但考慮水庫(kù)汛期6、7月份在排沙水位1870m運(yùn)行時(shí)發(fā)電水頭降低，適當(dāng)降低額定水頭又有利于機(jī)組在汛期多發(fā)電。額定水頭41m方案的機(jī)組效率較高，運(yùn)行穩(wěn)定性較好，年平均發(fā)電量大，因此確定本階段電站的額定水頭為41m。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：劉峰，（1981-）， 男，工程師，主要從事水電站水力機(jī)械設(shè)計(jì)。