大中型水电站额定水头选择探讨

秦守田

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

1 水头概述

大中型水电站水头（或称落差）是水电站上、下游某断面水位差，是水电站能量的两个主要动力要素之一。水电站上游水位为水库水位，下游水位一般为水轮机尾水位。上、下游水位差称为毛水头，考虑到水流经过水工建筑物时产生沿程摩阻损失与局部损失，从毛水头中扣除损失后即得电站净水头。水电站常用的特征水头有以下4种情况：

1）最大水头（Hmax）：最大水头为上、下游水位中可能同期出现的最大差值。一般上游水位最高、下游为最低时出现，它是水轮机结构强度设计时的一项重要数据。

2）最小水头（Hmin）：最小水头为上、下游水位中可能同期出现的最小差值。一般为上游水位最低、下游最高时出现，它是水轮机在低效区时保证水轮机安全稳定运行的最低水头。

3）平均水头（HW）：分为算术平均和加权平均水头两种，常采用以出力为权重的加权平均水头。

4）额定水头（Hr）：电站额定水头是水电站重要的特征水头，是水轮机在标准功率因数cosφ的条件下，水轮机发出额定出力时所需要的最小水头。电站额定水头是欧美各国一惯的叫法，俄罗斯称之为计算水头，我国从前称为设计水头，现统称额定水头。

水电站水头随着水库上、下游水位的变化而变化。具有调节能力的水库上游水位在正常蓄水位和死水位之间变化，变化很大，下游水位一般变化较小，其水头随上、下游水位的变化而变化，最大水头出现在水库蓄满时，最小水头多出现在水库放空时。无调节能力水库电站分高水头和低水头两种情况，高水头电站的水头一般变化较小，低水头电站的水头主要决定于电站下泄流量，由于下泄流量大会引起水库尾水位上升，导致水头减小。

2 额定水头选择

2.1 额定水头概述

水电站额定水头是水轮机组发额定容量时相应的最小水头，也称临界水头或计算水头。它在水轮机运转特性曲线上表现为水轮机出力限制线与发电机出力限制线交点所对应的水头，是水电站最重要的特征水头。水电站额定水头、预想出力及受阻容量示意图见图1。

2.2 额定水头计算方法

图1 水电站额定水头、预想出力及受阻容量示意图

水轮机的额定水头与水轮机的特性、电力系统的要求、水库的调节性能、电站的发电量以及投资等有关，其选择应根据设计电站水头变化特性、电站加权平均水头和电力电量平衡的要求进行选择。具体工程方案比选中往往以电站最大、最小、加权平均水头作为水轮发电机组额定水头Hr的基础，一般可按下式估算：

上述公式是水电工作人员根据工程的实际情况总结出来的经验公式，一直被工程设计人员所参照和使用。从公式中反映出水轮机组额定水头，靠近最小水头或低于电站的加权平均水头HW，分析其原因，主要有以下几方面：①额定水头趋近最小水头Hmin，可以使电站的水轮机组最大限度不受阻，使水电站的受阻容量最小。②额定水头接近加权平均水头HW，可以使电站效率发挥最大。③电站受阻容量过大，则系统的有效容量降低，会影响系统的安全性、稳定性，同时需要新建电站或增加其他电站的容量，需要付出一定的经济代价。

2.3 额定水头设计思路变化

建国初期，我们的很多规程规范是受前苏联的影响，额定水头尽量的取低值，以保证电站尽量不受阻、多发电。近年来，随着改革开放的逐步深入，西方先进设计思想和设计理念以及成功、失败的经验教训逐步被接受。特别是国内外大型混流式机组不断发现振动、叶片裂纹现象，有的甚至在试运行期间或运行初期，就出现叶片裂纹和稳定性问题。如大朝山水电站转轮在72h试运行期间即发现转轮出现裂纹。小浪底首台投产机组在运行初期发生大轴严重抖动并伴有异常噪音，经1 330 h后，发现13个叶片全部出现裂纹等问题，被迫停机修复和改进，给电力生产造成较大损失。巴基斯坦塔贝拉水电站11～14号机组在运行初期转轮叶片就出现裂纹，有的叶片甚至断裂。经专家们研究发现：运行不稳定或水力稳定性较差的机组，大多数为水头变幅大的混流式机组。经进一步研究发现：对于水头变幅比大的混流式水轮机，当额定水头定得太低（Hmax/Hr≥1.15），发电机出力限制线在高水头区过分地侵入水轮机高效区，可能导致大部分高效区被发电机出力限制线限制在外。另外，当水轮机在高水头、效率低区域运行时（即小负荷情况下），由于导叶开度小，出现叶片进口水流正冲角过大，造成叶片进口边负压面脱流空化而形成叶道涡，由于叶片及转轮产生振动，使应力增大，安全性和水力稳定性下降。表1统计了国内外存在运行问题的部分水轮机参数。

表1 国内外存在运行不稳定问题的部分水轮机参数

这些水电站的水轮机在水头低于额定水头下均能正常运行，但是当运行水头高于额定水头时，机组振动摆度和尾水管压力脉动随水头升高而增大。岩滩机组在水头高于设计水头、负荷低于额定功率的85%运行区时，因水压脉动、机组振动等因素，引起厂房楼板剧烈共振，使电气设备发生误动作无法安全运行，所以只能在额定功率的90%以上运行。潘家口电站机组在75～85 m水头下运行时，机组振动、空蚀、噪音十分严重，12年里尾水管锥管曾8次被撕裂，转轮14个叶片中有11个在靠近下环处产生裂纹，空蚀坑深度达20～25 mm。巴基斯坦的塔贝拉水电站第一台和第二台分别于1992年5月、7月投入运行，初期运行时机组运行正常，但是当水头达116～118 m以上时，机组振动明显增大，水头高于120 m时更为严重，被迫停机检查发现，转轮上冠与叶片连接处出现长约200～300 mm的裂纹，经历12个月进行数十项改造修复才重新投入运行。

大量水电站机组运行实践证明，当水头变幅比较小时，机组出现稳定性能恶化现象并不突出，当水头变幅比较大，而机组又在高水头、低效率区域运行时，就会造成机组振动超常、叶片裂纹甚至断裂的现象，甚至严重影响电力生产。美国垦务局根据他们的经验，推荐最大水头与额定水头之比不大于1.25；DL/T5186-2004《水力发电厂机电设计规范》推荐最大水头与设计水头的比值在1.07～1.11之间，同时兼顾使最小水头与设计水头的比值不小于0.65。

2.4 重庆市几个水电站额定水头研究

1）藤子沟水电站。藤子沟水电站位于重庆市石柱县境内龙河上游河段上，龙河系长江右岸一级支流。工程于2002年开工，2006年建成发电。水库正常蓄水位775 m、死水位723 m，为年调节水库。工程于2002年完成了初步设计调整报告，报告中推荐电站的最大水头194 m，最小水头127 m，额定水头153 m，且通过了专家的审查，由于设计较早，当时没有过多注重机组稳定问题，该水电站的控制水头比值Hmax/Hr=1.27，机组稳定性差些，通过几年的实际运行情况分析，在高水头、小出力以及低水头、大出力水头段出现机组震动区，影响了机组的正常运行。

2）盖下坝水电站。重庆盖下坝电站位于重庆市云阳县境内长滩河干流上游河段上。长滩河是长江南岸的一级支流，全长104.18 km，落差1 023 m，流域总面积1 525.9 km2。盖下坝水电站是长滩河开发规划的第一级，电站采取混合式开发。水库坝址控制流域面积1 077 km2，多年平均流量为32.0 m3/s。水库正常蓄水位392 m，死水位352 m，调节库容2.03亿m3，是一座具有年调节性能的大型水库。电站装机容量为132 MW，多年平均发电量为3.722亿kW·h。最大水头183.3 m，最小水头132.2 m，加权平均水头为169 m，最大消落深度为40 m。针对电站的最大、最下和加权平均水头，参考诸多电站实际运行情况的调研总结，混流式机组最大水头与额定水头的比值在1.15～1.2范围内机组运行比较稳定。从已往设计的一般经验考虑，额定水头应在加权平均水头的0.90～0.95倍范围内。据此拟定153 m、155 m、157 m和159 m 4个方案进行比选，详见表2。

表2 不同额定水头方案经济比较表

盖下坝电站最大水头与最小水头之比为1.387，各额定水头方案最大水头与额定水头比值在 1.153～1.198之间，各方案均满足 Hmax/Hmin≤1.5、Hmax/Hr≤1.2 或 Hmax/Hmin≤1.6、Hmax/Hr≤1.15的最佳机组稳定条件。从各方案经济比较结果看，额定水头157 m总费用现值最小。据此推荐该电站的额定水头为157 m。

3 结语

水电站额定水头的选择是一个技术、经济等综合性问题，若额定水头较高，当水库水位较低或电站汛期出现大流量、下游水位大幅度抬高时，都将使水头大幅度减小，造成较大的受阻容量；若额定水头较低，除了存在机组运行稳定问题外，在水轮发电机组额定容量不变时，需加大水轮机直径或相应降低机组转速，从而增加水电站的投资。因此，最佳的额定水头必须满足稳定的前提，通过方案投资和电量经济比较，分析水轮机预想出力降低对电力系统平衡的影响，综合分析确定。