大中型水电站额定水头选择探讨.pdf

规划设计东北水利水电2013年第11期[文章编号]1002-0624(2013)11一Ooo6一o3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)【摘要】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，其选择是一个技术、经济等综合性问题。最佳的额定水头必须在满足稳定的前提下，通过经济技术综合比较，分析水轮机预想出力降低对电力系统平衡的影响等综合分析确定。文章重点介绍了大中型水电站额定水头的选择方式、方法。[关键词]额定水头；最大水头；最小水头【中图分类号]TV214[文献标识码】B1水头概述称之为计算水头，我国从前称为设计水头，现统称额定水头。大中型水电站水头(或称落差)是水电站上、水电站水头随着水库上、下游水位的变化而下游某断面水位差，是水电站能量的两个主要动变化。具有调节能力的水库上游水位在正常蓄水力要素之一。水电站上游水位为水库水位，下游水位和死水位之间变化，变化很大，下游水位一般变位～般为水轮机尾水位。上、下游水位差称为毛水化较小，其水头随上、下游水位的变化而变化，最头，考虑到水流经过水工建筑物时产生沿程摩阻损大水头出现在水库蓄满时，最小水头多出现在水库失与局部损失，从毛水头中扣除损失后即得电站净放空时。无调节能力水库电站分高水头和低水头水头。水电站常用的特征水头有以下4种情况：两种情况，高水头电站的水头一般变化较小，低水1)最大水头(日一)：最大水头为上、下游水位头电站的水头主要决定于电站下泄流量，由于下泄中可能同期出现的最大差值。一般上游水位最高、流量大会引起水库尾水位上升，导致水头减小。下游为最低时出现，它是水轮机结构强度设计时的～项重要数据。2额定水头选择2)最小水头()：最小水头为上、下游水位2．1额定水头概述中可能同期出现的最小差值。一般为上游水位最水电站额定水头是水轮机组发额定容量时相低、下游最高时出现，它是水轮机在低效区时保证应的最小水头，也称临界水头或计算水头。它在水水轮机安全稳定运行的最低水头。轮机运转特性曲线上表现为水轮机出力限制线与3)平均水头()：分为算术平均和加权平均发电机出力限制线交点所对应的水头，是水电站水头两种，常采用以出力为权重的加权平均水头。最重要的特征水头。水电站额定水头、预想出力及4)额定水头(胁)：电站额定水头是水电站重受阻容量示意图见图1。要的特征水头，是水轮机在标准功率因数co~／,的2．2额定水头计算方法条件下，水轮机发出额定出力时所需要的最小水水轮机的额定水头与水轮机的特性、电力系头。电站额定水头是欧美各国一惯的叫法，俄罗斯统的要求、水库的调节性能、电站的发电量以及投·6· 2013年第11期东北水利水电规划设计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1330h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OP／kW头定得太低(Hmax／Hr≥1．15)，发电机出力限制线图1水电站额定水头、预想出力及受阻容量示意图在高水头区过分地侵入水轮机高效区，可能导致资等有关，其选择应根据设计电站水头变化特性、大部分高效区被发电机出力限制线限制在外。另电站加权平均水头和电力电量平衡的要求进行选外，当水轮机在高水头、效率低区域运行时(即小择。具体工程方案比选中往往以电站最大、最小、负荷情况下)，由于导叶开度小，出现叶片进口水加权平均水头作为水轮发电机组额定水头胁的流正冲角过大，造成叶片进口边负压面脱流空化基础，一般可按下式估算：而形成叶道涡，由于叶片及转轮产生振动，使应力Hr=(1．1～1．2)Hmin增大，安全性和水力稳定性下降。表1统计了国内Hr=O．9H(河床式电站)外存在运行问题的部分水轮机参数。Hr=O．95H(坝后式电站)裹1国内外存在运行不稳定问题的部分水轮机参数Hr=—蝴称一一(Hmin+)上述公式是水电工作人员根据工程的实际情岩滩30o868．559．4371．8SI．15≥60五强溪2加83944．53621I胡l≥5S况总结出来的经验公式，一直被工程设计人员所潘家口l505．58s63．536236l34≥7s参照和使用。从公式中反映出水轮机组额定水头，塔贝拉40o7．15l35．6l1Z354¨Z741．16≥l17靠近最小水头或低于电站的加权平均水头日，分小攘30o¨1．7lI2．O6L91209l5≥112析其原因，主要有以下几方面：①额定水头趋近最岩涟30Z5阻5371．8s≥61．3小水头Hmin，可以使电站的水轮机组最大限度不这些水电站的水轮机在水头低于额定水头下受阻，使水电站的受阻容量最小。②额定水头接近均能正常运行，但是当运行水头高于额定水头时，加权平均水头日，可以使电站效率发挥最大。③机组振动摆度和尾水管压力脉动随水头升高而增电站受阻容量过大，则系统的有效容量降低，会影大。岩滩机组在水头高于设计水头、负荷低于额定响系统的安全性、稳定性，同时需要新建电站或增功率的85％运行区时，因水压脉动、机组振动等因加其他电站的容量，需要付出一定的经济代价。素，引起厂房楼板剧烈共振，使电气设备发生误动2．3．额定水头设计思路变化作无法安全运行，所以只能在额定功率的90％以建国初期，我们的很多规程规范是受前苏联上运行。潘家口电站机组在75—85m水头下运行的影响，额定水头尽量的取低值，以保证电站尽量时，机组振动、空蚀、噪音十分严重，12年里尾水管不受阻、多发电。近年来，随着改革开放的逐步深锥管曾8次被撕裂，转轮14个叶片中有11个在入，西方先进设计思想和设计理念以及成功、失败靠近下环处产生裂纹，空蚀坑深度达2O一25n1lll。的经验教训逐步被接受。特别是国内外大型混流·7· 规划设计东北水利水电2013年第11期巴基斯坦的塔贝拉水电站第一台和第二台分别于40m。针对电站的最大、最下和加权平均水头，参1992年5月、7月投入运行，初期运行时机组运行考诸多电站实际运行情况的调研总结，混流式机正常，但是当水头达116—118m以上时，机组振动组最大水头与额定水头的比值在1．15～1．2范围内明显增大，水头高于120m时更为严重，被迫停机机组运行比较稳定。从已往设计的一般经验考虑，检查发现，转轮上冠与叶片连接处出现长约200-额定水头应在加权平均水头的0．90～0．95倍范围300mm的裂纹，经历12个月进行数十项改造修内。据此拟定153rn、155m、157m和159m4个复才重新投入运行。方案进行比选，详见表2。大量水电站机组运行实践证明，当水头变幅表2不同额定水头方案经济比较表比较小时，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775m、死水位723m，为年调节水盖下坝电站最大水头与最小水头之比为库。工程于2002年完成了初步设计调整报告，报1．387，各额定水头方案最大水头与额定水头比值告中推荐电站的最大水头194m，最小水头127在1．153～1．198之间，各方案均满足Hmax／m，额定水头153m，且通过了专家的审查，由于设Hmin≤1．5、Hmax／Hr≤1．2或Hmax／Hmin≤1．6、计较早，当时没有过多注重机组稳定问题，该水电Hmax／Hr≤1．15的最佳机组稳定条件。从各方案站的控制水头比值Hmax／Hr=1．27，机组稳定性差经济比较结果看，额定水头157m总费用现值最些，通过几年的实际运行情况分析，在高水头、小小。据此推荐该电站的额定水头为157II"1。出力以及低水头、大出力水头段出现机组震动区，3结语影响了机组的正常运行。水电站额定水头的选择是一个技术、经济等2)盖下坝水电站。重庆盖下坝电站位于重庆综合性问题，若额定水头较高，当水库水位较低或市云阳县境内长滩河干流上游河段上。长滩河是电站汛期出现大流量、下游水位大幅度抬高时，都长江南岸的一级支流，全长104．18km，落差1023将使水头大幅度减小，造成较大的受阻容量；若额In，流域总面积1525．9km2。盖下坝水电站是长滩定水头较低，除了存在机组运行稳定问题外，在水河开发规划的第一级，电站采取混合式开发。水库轮发电机组额定容量不变时，需加大水轮机直径坝址控制流域面积1077km2，多年平均流量为或相应降低机组转速，从而增加水电站的投资。因32．0m3／s。水库正常蓄水位392111，死水位352rn，此，最佳的额定水头必须满足稳定的前提，通过方调节库容2．03亿m3，是一座具有年调节性能的大案投资和电量经济比较，分析水轮机预想出力降型水库。电站装机容量为132MW，多年平均发电低对电力系统平衡的影响，综合分析确定。量为3．722亿kW·h。最大水头183．3m，最小水头132．2m，加权平均水头为169m，最大消落深度为【收稿日期】2013-05-20·R·