某水电站额定水头探析

2022.08.20

江晓锐

【摘?要】文章对某堤坝式开发水电站水头特性进行了分析，并提出发电最低运行水位要求，在此基础上通过多方案技术经济比较确定电站额定水头。通过文章的研究，对同类型水电站额定水头的选取提供经验参考。

【关键词】电站;水头;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

某水利枢纽工程主要承担灌溉、防洪任务，兼顾发电。水库正常蓄水位1700m，相应库容11.48亿m3，死水位1590m，死库容1.26亿m3，调节库容10.22亿m3。电站采用堤坝式开发，利用落差220m。电站装机容量750MW，装设三台等大机组，单机容量250MW。电站保证出力45MW，多年平均年发电量19.28亿KW.h。

2. 发电最低运行水位选择

（1）水库正常蓄水位1700m相应最大水头221.3m，正常蓄水位至死水位1590m水位差110m，水库最大消落深度达50%，超出水轮机组运行范围。结合水轮机技术水平，提出机组运行最大消落深度按照30%左右控制，在此基础上，针对电站发电最低运行水位拟定了1629m、1634m、1639m三组方案进行比较，各方案特征指标见表1。

（2）上述拟定各方案对工程灌溉及防洪均不产生影响。从动能指标来看，方案1到方案3随着最低发电运行水位抬高，方案间电量呈递减趋势，其中方案1和方案2多年平均年发电量相对较大;从机组运行稳定来看，最低发电运行水位越高，电站发电最大消落深度越小，对机组稳定运行越有利，三组方案中方案2和方案3相对较优;从各方案投资来看，方案1到方案3随着最低发电运行水位抬高，工程投资呈递减趋势，但变化幅度不大;从不同方案经济指标来看，各方案经济净现值差异较小，其中方案2相对最大;从差额内部收益率比较结果来看，方案1-方案2差额内部收益率为4.03%，说明方案2优于方案1，方案2-方案3差额内部收益率为9.40%，说明方案2优于方案3;从经济指标来看，方案2为三组方案中的较优方案。综合来看，方案2为三组方案中的较优方案，因此，选择电站发电最低运行水位为1634m，相应加权平均水头为197.5m。当库水位高于1634m，利用灌溉出库水量发电，当库水位低于1634m，考虑机组稳定运行电站停机不发电，但水库正常供水。

3. 额定水头拟定

（1）水轮机额定水头Hr是机组发出额定出力的最小水头。本枢纽工程是具有灌溉、防洪、兼顾发电等综合利用任务的水利枢纽工程，根据水库运行调度方式，汛期水轮机在低水头大流量条件下运行，非汛期水轮机在高水头小流量条件下运行，水轮机最优效率区的工作区域应既满足蓄水期在较高水头下稳定运行和多发电量的要求，又兼顾汛期在较低水头下能靠近无空化或低空化区运行，以减轻磨蚀损坏。

（2）合理选择额定水头直接关系机组的稳定运行性能和电站发电效益，以及机组设备投资、土建投资和水库运行方式等。电站加权平均水头197.5m，为确定额定水头，对电站的长系列水头分布范围进行统计，其结果见表2。

（3）电站最大水头为221.3m，最小水头为148.5m，加权平均水头为197.5m。水轮机额定水头比较是在装机容量、机组台数确定的前提下进行的，因此不同额定水头方案的装机容量均为750MW、机组台数均为3台，单机容量均为250MW，各额定水头比较方案枢纽布置均相同。从表2可看出，电站水头较长时间分布在197.5m以上，因此额定水头应靠近加权平均水头，以获取更多电量，同时应兼顾低水头的运行稳定性需求。根据本电站的运行特性、水头分布特点及规范要求，参照类似水电站的设计经验，按照额定水头与加权平均水头比值0.95～1.0的范围，拟定191m、194m、197m三个额定水头方案进行比选，不同额定水头方案比较情况见表3。

4. 额定水头选择

本电站为高水头电站，正常发电运行水头变化范围相对较大，各额定水头方案额定效率相同，从机组稳定运行条件分析，额定水头191m、194m、197m对机组稳定运行影响不大;从机电方面比较，三个方案水轮机额定效率均为0.925，额定转速分别为200r/min、214.3r/min、214.3r/min，转轮直径分别为4.45m、4.40m、4.35m，均在同一个水平，水轮发电机组的设计、制造、运输均不存在制约因素，均可行，各额定水头方案均可行;从动能指标来看，方案1到方案3随着额定水头增大额定流量有所减小，方案间电量呈递减趋势，但变化幅度不大;从工程投资来看，方案1到方案3随着额定水头增大，由于转轮直径减小，机组总重量降低，方案间工程投资呈递减趋势，但变化幅度不大;从不同方案经济指标来看，各方案经济净现值差异较小，其中方案2相对最大;从差额内部收益率比较结果来看，方案1-方案2差额内部收益率为极小值，说明方案2优于方案1，方案2-方案3差额内部收益率为8.94%，说明方案2优于方案3;从经济指标来看，方案2为三组方案中的较优方案。综合来看，方案2为三组方案中的较优方案，因此，选择电站额定水头为194m。电站加权平均水头为197.5m，水轮机额定水头与加权平均水头的比值为0.98，在设计规范要求的0.95～1.0的范围内;电站最大水头为221.3m，最大水头与额定水头比值为1.14，在设计规范要求的小于1.15范围内，对于机组运行稳定性较为有利。

5. 结语

承担综合利用任务的水电站工程，必须充分考虑“电调服从水调”原则。对于堤坝式开发的水电站，在兴利调度过程中遇到消落深度过大的情况，需分析电站水头分布特性，如水库消落深度超出水轮机组正常运行范围，则应考虑设置发电限制水位，以保障机组安全运行。本文所研究的水电站是这类工程的典型代表，文章在充分考虑上述因素基础上进行额定水头选取，希望在类似工程设计过程中能够起到一定借鉴作用。