對(duì)水電站額定水頭選擇的研究

母 洪 流

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

對(duì)水電站額定水頭選擇的研究

母 洪 流

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

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，對(duì)其進(jìn)行選擇是一個(gè)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等綜合性問題。最佳的額定水頭必須在滿足機(jī)組穩(wěn)定的前提下，通過(guò)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)綜合比較，綜合分析出水輪機(jī)預(yù)想出力以降低對(duì)電力系統(tǒng)平衡的影響等進(jìn)行確定。介紹了大中型水電站額定水頭的選擇方式、方法，提出了從參數(shù)選擇、水頭范圍、吸出高度控制、避振運(yùn)行、補(bǔ)氣方式等提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的措施。

額定水頭；最大水頭；最小水頭；水電站

1 概 述

水電站中的水頭(或稱落差)是指水電站上、下游某斷面的水位差，是水電站能量的兩個(gè)主要?jiǎng)恿σ刂?。水利工程水利?jì)算規(guī)范(SL104-2015)8.2.12條顯示：水電站最大水頭、最小水頭、算術(shù)平均水頭及加權(quán)平均水頭等特征值均應(yīng)按徑流調(diào)節(jié)計(jì)算成果結(jié)合可能遭遇的各種運(yùn)行工況確定。

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條件下水輪機(jī)發(fā)出額定出力時(shí)所需要的最小水頭。一般情況下，在額定水頭以下，水輪機(jī)不能發(fā)出額定出力；在額定水頭以上，調(diào)整導(dǎo)水機(jī)構(gòu)或葉片的轉(zhuǎn)角(對(duì)軸流式及沖擊式而言)仍然可以使機(jī)組發(fā)出額定出力。

具有調(diào)節(jié)能力的水庫(kù)其上游水位在正常蓄水位和死水位之間變化很大，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)能力的水庫(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 額定水頭的選擇

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)范受前蘇聯(lián)影響，額定水頭盡量取低值，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)定性問題。經(jīng)有關(guān)學(xué)者研究發(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。進(jìn)一步的研究發(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為有關(guān)已建和在建電站額定水頭選擇中出現(xiàn)的問題。

額定水頭高， 機(jī)組將有更寬的穩(wěn)定運(yùn)行功率范圍， 既方便電站參與電網(wǎng)調(diào)頻運(yùn)行， 亦為機(jī)組安全運(yùn)行創(chuàng)造了更好的條件。有文獻(xiàn)記載:“機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行功率范圍過(guò)窄是導(dǎo)致俄羅斯薩揚(yáng)電站8.17事故的重要原因之一”。

國(guó)內(nèi)外存在運(yùn)行不穩(wěn)定問題的部分水輪機(jī)當(dāng)其運(yùn)行水頭低于額定水頭時(shí)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。

水輪機(jī)的額定水頭應(yīng)與機(jī)組運(yùn)行、電力系統(tǒng)對(duì)電站運(yùn)行方式的要求、水庫(kù)運(yùn)行方式及綜合利用要求、電站的經(jīng)濟(jì)性等因素綜合考慮后確定。在具體的工程方案比選中，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：

Hr=0.9 HW (河床式電站)

Hr=0.95 HW (壩后式電站)

表1 已建和在建電站額定水頭選擇中出現(xiàn)的問題一覽表

上述公式是水電工程技術(shù)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。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)組最大限度地不受阻，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，將會(huì)影響到電力系統(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，這將付出一定的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。所以，機(jī)組額定水頭的選擇需要處理好動(dòng)能經(jīng)濟(jì)和運(yùn)行穩(wěn)定性之間的矛盾。很顯然，經(jīng)濟(jì)效益應(yīng)建立在安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，應(yīng)服從于安全可靠運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)外部分大容量、水頭變幅大的水輪機(jī)的出力隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的工作內(nèi)容不斷擴(kuò)大， 受阻出力多為汛期季節(jié)性電能， 在既考慮到減少受阻出力，又不過(guò)分強(qiáng)調(diào)受阻出力、兼顧水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行性能的前提下， 對(duì)水頭變幅大的電站，國(guó)內(nèi)現(xiàn)傾向于提高額定水頭、加大水輪機(jī)的額定出力而不設(shè)最大出力。對(duì)于水頭變幅比較大的水電站，在額定水頭與最高水頭相差太大的情況下，為了降低高水頭下水輪機(jī)的振動(dòng)， 往往要設(shè)定機(jī)組的最大出力，以改善水輪機(jī)在高水頭運(yùn)行區(qū)域，達(dá)到降低振動(dòng)的目的。

對(duì)用于中低水頭的中高比速混流式水輪機(jī)，建議：控制水頭比值Hmax/Hr≤1.08～1.19； 對(duì)用于中高水頭的中低比速混流水式水輪機(jī)，建議控制水頭比值Hmax/Hr≤1.13～1.34。如果超過(guò)上述數(shù)值， 建議增大機(jī)組容量。

國(guó)內(nèi)外許多大型水電機(jī)組均設(shè)置了水輪機(jī)最大出力和發(fā)電機(jī)最大容量，除增大調(diào)峰和備用能力外，對(duì)水庫(kù)調(diào)節(jié)性能差的電站，可以爭(zhēng)取更多的季節(jié)性電能。國(guó)內(nèi)二灘、溪洛渡、三峽等電站正是為了上述目的設(shè)置了最大出力和最大容量。國(guó)內(nèi)外部分大容量、水頭變幅大的水輪機(jī)出力參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況見表2。

從經(jīng)濟(jì)性方面考慮：機(jī)組額定水頭高，發(fā)電效率也高，發(fā)電量亦比較大，機(jī)組引用流量也較小，從而可以使土建工程投資有所減少；但機(jī)組容量受阻的可能性增大，有可能使機(jī)組的容量效益受到損失，反之，亦然。這就存在經(jīng)濟(jì)比較問題。應(yīng)當(dāng)根據(jù)電站水庫(kù)的庫(kù)容特性、機(jī)組特性曲線、電力系統(tǒng)調(diào)峰出力要求以及水庫(kù)的綜合利用要求等，計(jì)算不同額定水頭方案的電量、受阻容量、替代火電容量等指標(biāo)，即可確定各方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)比較的目的。

表2 國(guó)內(nèi)外部分大容量、大水頭變幅水輪機(jī)出力參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

綜合分析不同額定水頭方案電站的受阻情況、運(yùn)行效率、動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，各方案受阻容量和電量略有差別但較小，考慮電力系統(tǒng)的實(shí)際情況，以及兼顧機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性要求推薦額定水頭。

尤其值得注意的是：老撾南騰2水電站是一個(gè)混合式開發(fā)電站。為降低投資，采用了改變水庫(kù)運(yùn)行方式、讓水庫(kù)水位盡量維持高水頭(取額定水頭高值)以減少隧洞的直徑，減少工程投資，無(wú)疑是一個(gè)不錯(cuò)的設(shè)計(jì)理念。

3 結(jié) 語(yǔ)

水電站額定水頭的選擇是一個(gè)集技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等綜合性問題。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而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，在水電站額定水頭選擇階段，應(yīng)將水輪機(jī)的穩(wěn)定性放在首位，并綜合考慮動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、機(jī)組參數(shù)匹配、機(jī)組制造可行性等因素，從而擬定合理、可行的參數(shù)。

額定水頭、設(shè)計(jì)水頭均屬水輪發(fā)電機(jī)組最主要的參數(shù)?？刂谱畲笏^與額定水頭的比值Hmax/Hr能保證最高水頭時(shí)導(dǎo)葉開度不致于過(guò)小而落入運(yùn)行不穩(wěn)定區(qū)；分析研究表明：為使水輪機(jī)運(yùn)行具有較好的穩(wěn)定性，Hmax/Hr的數(shù)值應(yīng)在1. 1～1. 2之間。

對(duì)于水頭變幅比較大的水電站，在額定水頭與最高水頭相差太大的情況下，為了降低高水頭下水輪機(jī)的振動(dòng)，往往要設(shè)定機(jī)組的最大出力，以改善水輪機(jī)在高水頭運(yùn)行區(qū)域，達(dá)到降低振動(dòng)的目的。

[1] 秦守田.大中型水電站額定水頭選擇探討[J].東北水利水電，2013 ，(11)：7 - 8

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TV7;TV72

B

1001-2184(2017)05-0079-03

2017-01-10

母洪流(1959-)，男，四川蓬安人，教授級(jí)高級(jí)工程師，學(xué)士，從事水電規(guī)劃經(jīng)濟(jì)工作.

(責(zé)任編輯李燕輝)