某水電站額定水頭探析

江曉銳

【摘?要】文章對(duì)某堤壩式開發(fā)水電站水頭特性進(jìn)行了分析，并提出發(fā)電最低運(yùn)行水位要求，在此基礎(chǔ)上通過多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定電站額定水頭。通過文章的研究，對(duì)同類型水電站額定水頭的選取提供經(jīng)驗(yàn)參考。

【關(guān)鍵詞】電站;水頭;探析

Analysis of the rated head of a hydropower station

Jiang Xiao-rui

（Xinjiang Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute?Urumqi?Xinjiang?830000）

【Abstract】This paper analyzes the head characteristics of a dam-type development hydropower station， and proposes the minimum operating water level requirement for power generation. On this basis， the rated head of the power station is determined through technical and economic comparison of multiple schemes. Through the research of the article， it provides an empirical reference for the selection of the rated head of the same type of hydropower station.

【Key words】Power station;Water head;Analysis

1. 基本概況

某水利樞紐工程主要承擔(dān)灌溉、防洪任務(wù)，兼顧發(fā)電。水庫正常蓄水位1700m，相應(yīng)庫容11.48億m3，死水位1590m，死庫容1.26億m3，調(diào)節(jié)庫容10.22億m3。電站采用堤壩式開發(fā)，利用落差220m。電站裝機(jī)容量750MW，裝設(shè)三臺(tái)等大機(jī)組，單機(jī)容量250MW。電站保證出力45MW，多年平均年發(fā)電量19.28億KW.h。

2. 發(fā)電最低運(yùn)行水位選擇

（1）水庫正常蓄水位1700m相應(yīng)最大水頭221.3m，正常蓄水位至死水位1590m水位差110m，水庫最大消落深度達(dá)50%，超出水輪機(jī)組運(yùn)行范圍。結(jié)合水輪機(jī)技術(shù)水平，提出機(jī)組運(yùn)行最大消落深度按照30%左右控制，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)電站發(fā)電最低運(yùn)行水位擬定了1629m、1634m、1639m三組方案進(jìn)行比較，各方案特征指標(biāo)見表1。

（2）上述擬定各方案對(duì)工程灌溉及防洪均不產(chǎn)生影響。從動(dòng)能指標(biāo)來看，方案1到方案3隨著最低發(fā)電運(yùn)行水位抬高，方案間電量呈遞減趨勢(shì)，其中方案1和方案2多年平均年發(fā)電量相對(duì)較大;從機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定來看，最低發(fā)電運(yùn)行水位越高，電站發(fā)電最大消落深度越小，對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行越有利，三組方案中方案2和方案3相對(duì)較優(yōu);從各方案投資來看，方案1到方案3隨著最低發(fā)電運(yùn)行水位抬高，工程投資呈遞減趨勢(shì)，但變化幅度不大;從不同方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來看，各方案經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值差異較小，其中方案2相對(duì)最大;從差額內(nèi)部收益率比較結(jié)果來看，方案1-方案2差額內(nèi)部收益率為4.03%，說明方案2優(yōu)于方案1，方案2-方案3差額內(nèi)部收益率為9.40%，說明方案2優(yōu)于方案3;從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來看，方案2為三組方案中的較優(yōu)方案。綜合來看，方案2為三組方案中的較優(yōu)方案，因此，選擇電站發(fā)電最低運(yùn)行水位為1634m，相應(yīng)加權(quán)平均水頭為197.5m。當(dāng)庫水位高于1634m，利用灌溉出庫水量發(fā)電，當(dāng)庫水位低于1634m，考慮機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行電站停機(jī)不發(fā)電，但水庫正常供水。

3. 額定水頭擬定

（1）水輪機(jī)額定水頭Hr是機(jī)組發(fā)出額定出力的最小水頭。本樞紐工程是具有灌溉、防洪、兼顧發(fā)電等綜合利用任務(wù)的水利樞紐工程，根據(jù)水庫運(yùn)行調(diào)度方式，汛期水輪機(jī)在低水頭大流量條件下運(yùn)行，非汛期水輪機(jī)在高水頭小流量條件下運(yùn)行，水輪機(jī)最優(yōu)效率區(qū)的工作區(qū)域應(yīng)既滿足蓄水期在較高水頭下穩(wěn)定運(yùn)行和多發(fā)電量的要求，又兼顧汛期在較低水頭下能靠近無空化或低空化區(qū)運(yùn)行，以減輕磨蝕損壞。

（2）合理選擇額定水頭直接關(guān)系機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行性能和電站發(fā)電效益，以及機(jī)組設(shè)備投資、土建投資和水庫運(yùn)行方式等。電站加權(quán)平均水頭197.5m，為確定額定水頭，對(duì)電站的長系列水頭分布范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見表2。

（3）電站最大水頭為221.3m，最小水頭為148.5m，加權(quán)平均水頭為197.5m。水輪機(jī)額定水頭比較是在裝機(jī)容量、機(jī)組臺(tái)數(shù)確定的前提下進(jìn)行的，因此不同額定水頭方案的裝機(jī)容量均為750MW、機(jī)組臺(tái)數(shù)均為3臺(tái)，單機(jī)容量均為250MW，各額定水頭比較方案樞紐布置均相同。從表2可看出，電站水頭較長時(shí)間分布在197.5m以上，因此額定水頭應(yīng)靠近加權(quán)平均水頭，以獲取更多電量，同時(shí)應(yīng)兼顧低水頭的運(yùn)行穩(wěn)定性需求。根據(jù)本電站的運(yùn)行特性、水頭分布特點(diǎn)及規(guī)范要求，參照類似水電站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，按照額定水頭與加權(quán)平均水頭比值0.95～1.0的范圍，擬定191m、194m、197m三個(gè)額定水頭方案進(jìn)行比選，不同額定水頭方案比較情況見表3。

4. 額定水頭選擇

本電站為高水頭電站，正常發(fā)電運(yùn)行水頭變化范圍相對(duì)較大，各額定水頭方案額定效率相同，從機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行條件分析，額定水頭191m、194m、197m對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行影響不大;從機(jī)電方面比較，三個(gè)方案水輪機(jī)額定效率均為0.925，額定轉(zhuǎn)速分別為200r/min、214.3r/min、214.3r/min，轉(zhuǎn)輪直徑分別為4.45m、4.40m、4.35m，均在同一個(gè)水平，水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸均不存在制約因素，均可行，各額定水頭方案均可行;從動(dòng)能指標(biāo)來看，方案1到方案3隨著額定水頭增大額定流量有所減小，方案間電量呈遞減趨勢(shì)，但變化幅度不大;從工程投資來看，方案1到方案3隨著額定水頭增大，由于轉(zhuǎn)輪直徑減小，機(jī)組總重量降低，方案間工程投資呈遞減趨勢(shì)，但變化幅度不大;從不同方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來看，各方案經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值差異較小，其中方案2相對(duì)最大;從差額內(nèi)部收益率比較結(jié)果來看，方案1-方案2差額內(nèi)部收益率為極小值，說明方案2優(yōu)于方案1，方案2-方案3差額內(nèi)部收益率為8.94%，說明方案2優(yōu)于方案3;從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來看，方案2為三組方案中的較優(yōu)方案。綜合來看，方案2為三組方案中的較優(yōu)方案，因此，選擇電站額定水頭為194m。電站加權(quán)平均水頭為197.5m，水輪機(jī)額定水頭與加權(quán)平均水頭的比值為0.98，在設(shè)計(jì)規(guī)范要求的0.95～1.0的范圍內(nèi);電站最大水頭為221.3m，最大水頭與額定水頭比值為1.14，在設(shè)計(jì)規(guī)范要求的小于1.15范圍內(nèi)，對(duì)于機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性較為有利。

5. 結(jié)語

承擔(dān)綜合利用任務(wù)的水電站工程，必須充分考慮“電調(diào)服從水調(diào)”原則。對(duì)于堤壩式開發(fā)的水電站，在興利調(diào)度過程中遇到消落深度過大的情況，需分析電站水頭分布特性，如水庫消落深度超出水輪機(jī)組正常運(yùn)行范圍，則應(yīng)考慮設(shè)置發(fā)電限制水位，以保障機(jī)組安全運(yùn)行。本文所研究的水電站是這類工程的典型代表，文章在充分考慮上述因素基礎(chǔ)上進(jìn)行額定水頭選取，希望在類似工程設(shè)計(jì)過程中能夠起到一定借鑒作用。