对水电站额定水头选择的研究

母 洪 流

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

对水电站额定水头选择的研究

母 洪 流

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

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，对其进行选择是一个技术、经济等综合性问题。最佳的额定水头必须在满足机组稳定的前提下，通过经济、技术综合比较，综合分析出水轮机预想出力以降低对电力系统平衡的影响等进行确定。介绍了大中型水电站额定水头的选择方式、方法，提出了从参数选择、水头范围、吸出高度控制、避振运行、补气方式等提高机组运行稳定性的措施。

额定水头；最大水头；最小水头；水电站

1 概 述

水电站中的水头(或称落差)是指水电站上、下游某断面的水位差，是水电站能量的两个主要动力要素之一。水利工程水利计算规范(SL104-2015)8.2.12条显示：水电站最大水头、最小水头、算术平均水头及加权平均水头等特征值均应按径流调节计算成果结合可能遭遇的各种运行工况确定。

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条件下水轮机发出额定出力时所需要的最小水头。一般情况下，在额定水头以下，水轮机不能发出额定出力；在额定水头以上，调整导水机构或叶片的转角(对轴流式及冲击式而言)仍然可以使机组发出额定出力。

具有调节能力的水库其上游水位在正常蓄水位和死水位之间变化很大，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。无调节能力的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 额定水头的选择

额定水头设计思路变化建国初期，我们的很多规程规范受前苏联影响，额定水头尽量取低值，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。经有关学者研究发现：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。进一步的研究发现：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为有关已建和在建电站额定水头选择中出现的问题。

额定水头高， 机组将有更宽的稳定运行功率范围， 既方便电站参与电网调频运行， 亦为机组安全运行创造了更好的条件。有文献记载:“机组稳定运行功率范围过窄是导致俄罗斯萨扬电站8.17事故的重要原因之一”。

国内外存在运行不稳定问题的部分水轮机当其运行水头低于额定水头时均能正常运行，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。

水轮机的额定水头应与机组运行、电力系统对电站运行方式的要求、水库运行方式及综合利用要求、电站的经济性等因素综合考虑后确定。在具体的工程方案比选中，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：

Hr=0.9 HW (河床式电站)

Hr=0.95 HW (坝后式电站)

表1 已建和在建电站额定水头选择中出现的问题一览表

上述公式是水电工程技术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。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地不受阻，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，将会影响到电力系统的安全性、稳定性；同时，需要新建电站或增加其他电站的容量，这将付出一定的经济代价。所以，机组额定水头的选择需要处理好动能经济和运行稳定性之间的矛盾。很显然，经济效益应建立在安全可靠运行的基础上，应服从于安全可靠运行。

国内外部分大容量、水头变幅大的水轮机的出力随着我国电力系统的工作内容不断扩大， 受阻出力多为汛期季节性电能， 在既考虑到减少受阻出力，又不过分强调受阻出力、兼顾水轮机稳定运行性能的前提下， 对水头变幅大的电站，国内现倾向于提高额定水头、加大水轮机的额定出力而不设最大出力。对于水头变幅比较大的水电站，在额定水头与最高水头相差太大的情况下，为了降低高水头下水轮机的振动， 往往要设定机组的最大出力，以改善水轮机在高水头运行区域，达到降低振动的目的。

对用于中低水头的中高比速混流式水轮机，建议：控制水头比值Hmax/Hr≤1.08～1.19； 对用于中高水头的中低比速混流水式水轮机，建议控制水头比值Hmax/Hr≤1.13～1.34。如果超过上述数值， 建议增大机组容量。

国内外许多大型水电机组均设置了水轮机最大出力和发电机最大容量，除增大调峰和备用能力外，对水库调节性能差的电站，可以争取更多的季节性电能。国内二滩、溪洛渡、三峡等电站正是为了上述目的设置了最大出力和最大容量。国内外部分大容量、水头变幅大的水轮机出力参数统计情况见表2。

从经济性方面考虑：机组额定水头高，发电效率也高，发电量亦比较大，机组引用流量也较小，从而可以使土建工程投资有所减少；但机组容量受阻的可能性增大，有可能使机组的容量效益受到损失，反之，亦然。这就存在经济比较问题。应当根据电站水库的库容特性、机组特性曲线、电力系统调峰出力要求以及水库的综合利用要求等，计算不同额定水头方案的电量、受阻容量、替代火电容量等指标，即可确定各方案的经济指标，从而达到经济比较的目的。

表2 国内外部分大容量、大水头变幅水轮机出力参数统计表

综合分析不同额定水头方案电站的受阻情况、运行效率、动能经济指标以及水轮机运行的稳定性，各方案受阻容量和电量略有差别但较小，考虑电力系统的实际情况，以及兼顾机组运行稳定性要求推荐额定水头。

尤其值得注意的是：老挝南腾2水电站是一个混合式开发电站。为降低投资，采用了改变水库运行方式、让水库水位尽量维持高水头(取额定水头高值)以减少隧洞的直径，减少工程投资，无疑是一个不错的设计理念。

3 结 语

水电站额定水头的选择是一个集技术、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而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，在水电站额定水头选择阶段，应将水轮机的稳定性放在首位，并综合考虑动能经济指标、机组参数匹配、机组制造可行性等因素，从而拟定合理、可行的参数。

额定水头、设计水头均属水轮发电机组最主要的参数。控制最大水头与额定水头的比值Hmax/Hr能保证最高水头时导叶开度不致于过小而落入运行不稳定区；分析研究表明：为使水轮机运行具有较好的稳定性，Hmax/Hr的数值应在1. 1～1. 2之间。

对于水头变幅比较大的水电站，在额定水头与最高水头相差太大的情况下，为了降低高水头下水轮机的振动，往往要设定机组的最大出力，以改善水轮机在高水头运行区域，达到降低振动的目的。

[1] 秦守田.大中型水电站额定水头选择探讨[J].东北水利水电，2013 ，(11)：7 - 8

[2] 黄奋杰，黄 骏 关于水轮发电机组额定水头选择的探讨 [J].云南水力发电，2004，20(1)：72 -75.

[3] 鲍伟民，朱惠君，武赛波.糯扎渡水电站额定水头选择 [J].水力发电，2005，31(5)：73 -74.

[4] 王亚林.小湾电站水轮机额定水头论证[J]. 东方电机，2002，30(1)：26 -31.

TV7;TV72

B

1001-2184(2017)05-0079-03

2017-01-10

母洪流(1959-)，男，四川蓬安人，教授级高级工程师，学士，从事水电规划经济工作.

(责任编辑李燕辉)