低水头径流式水电站额定水头选择

第４０卷第２期２００９年１月人民长江

ＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＶ０１．４０．Ｎｏ．２Ｊａｎ．，２００９

文章编号：１００１—４１７９（２００９）０２—００４３－０３

低水头这鞠皇１工∥¨式水电站额定水头选择

杨晓林（长江水利委员会设计院，湖北武汉４３００１０）摘要：由于径流式水电站一般库容较小或无调节库客，因此机组额定水头的选择正确与否将会直接影响到对整座水电站的投资以及将来水电站运行后所产生的经济效益。通过分析低水头径流式水电站特征及机组运行特性，对低水头径流式水电站额定水头的选择进行了探讨，认为应在满足规范要求及电力系统要求的基础上，其额定水头应能确保水电站机组安全稳定地远行。关键词：水头选择；额定水头；临界水头；低水头径流式水电站；中图分类号：ＴＶ７４７文献标识码：Ａ

近几年来，低水头径流式水电站的开发数量在增多，由于径流式水电站基本不具备调节能力，因而机组额定水头的选择就具有其特殊性。国内一些已建水电站，由于设计时忽视了低水头径流式水电站与高水头调节式水电站在水能利用方式上的差异，采用了常规方法来估算机组的额定水头，由此产生的误差常常导致水电站出现发不满装机容量、机电设备利用率较低的现象，从而大大降低了水电站的经济效益。因此，分析径流式水电站的水能特征及水轮发电机组的运行特性，是正确选择额定水头的必要条件。１低水头径流式水电站特征１．１水头一流量关系分析径流式水电站为基本不调节径流、按来水流量发电的水电站。当来水流量大于水电站水轮机过水能力时，水电站按机组的预想出力运行，使水电站有部分弃水；当来水量较少时，全部来水通过机组发电，但仍会有部分装机容量因缺水而未被利用，水电站的这种运行方式即为径流发电。与径流式水电站相对应的是调节式水电站，其运行方式是利用水库来调节径流，根据用电要求来发电：来水多于需要时，水库蓄水；来水不足时，水库补水。其中，Ｆｔ调节水电站因调节库容较小，水量调节能力有限，其水能利用方式部分与径流式水电站相同。径流式水电站在２４ｈ内一般能均匀地发电。为减小单位电能耗水率，使机组在高水头下运行．要求上游蓄水位应基本保持在正常蓄水位，下游水位则随流量的增加而提高，因此，水头随流量的增加而降低（对于河道狭窄的水电站更是如此）。水头与下游水位一流量关系有着密切的关系，根据坝址流量水位关系曲线，可以绘制水头流量关系曲线，如图ｌ所示。日调节水电站在枯水期日负荷高峰时，相对增加发电出力，上游蓄水位逐渐降低．水头随之降低；日负荷低谷时，相对减少发电出力，上游水位蓄回至正常蓄水位。上游蓄水位在正常蓄水位与消落水位之间变化，水头随之变化，其水头流量关系曲线如图２所示。

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５０图ｌ某电站水头一流量关系曲线（上游蓄水位不变）

Ｏ／（ｍ３．ｓ‘’）田２某电站水头—流量关系曲线（上游蓄水位变化ｌ１．２水头一径流出力关系分析

径流式水电站按来水流量发电，一般枯水期流量小、下游水位低，导致水头高、出力低；在丰水期，水头随流量增加而下降、

收稿日期：２００８—１０—２０作者简介ｉ杨晓林．女，长江水利委员会设计院机电处，高级工程师。

　万方数据人民长江２００９篮出力却随流鼍增加而增加。当流量增幅加大而使水头大幅下降时，出力增速减慢并出现拐点，在此点后，出力则随流量的增加而减少（如图３）。２５∞１５｛薯】０５５００１０００１５００２０００２５００３０００ｊｌｒ／删图３某径流式电站水头一出力关系曲线对于库容较大的调节式水电站，在设计保证率和水能指标控制之下，装机容量越大，效益越高；但是对于径流式水电站，装机容量越大，枯水期水电站受阻容最越大，设备利用率也越低。而装机容量的加大又会使投资增加，造成资金和设备的积压。因此，装机容链大小，直接影响到水力资源的利用程度以及资金和设备的合理使用，对它的选择，是一个比较复杂的动能经济问题，需要通过各方分析计算和全面论证，才能得出合理的装机容量。按径流出力特性初步分析，装机容鼍一般不宜大于出力增速减低段（如图３中示出的拐点区），以避免单位电能投资剧增。需要重视的是，由于低水头径流式水电站的水头较低，水头误差值占水电站水头的比重较大，对水电站的动能经济指标的影响也较大，因此，在进行水能计算时，应全面考虑水电站过流建筑物的水头损失及可能引起水头变化的一些其他因素。２额定水头的选择额定水头是水电站的蕈要参数之一，在装机容量已确定的条件下，额定水头的选择主要取决于水电站的径流出力特性、机组出力特性以及经济比较。根据《水轮机基本技术条件》ＧＢ／Ｔ１５４６８—２００６的定义：“额定水头为水轮机在额定转速下，输出额定功率时所需的最小水头”；《水力发电厂机电设计规范》ＤＬ／Ｔ５１８６—２００４第４．１．５条规定“对于径流式水电厂，水轮机额定水头应保证水电厂发足装机容量”，额定水头的选择应间时满足以上规范规定。２．１初选水轮机额定水头首先应保证水电厂发足装机容量，径流式水电站出力与水头有明显的对应关系，水电站的装机容量决定了额定水头的选择范围。如图３所示，水电站装机容量为ｌ９６０ＭＷ，对应的水头为６．２～１４．５ｍ．即：此水头段可利用的水能等于或大于装机容龌，在此水头范围内选择额定水头，可以保证水电站发足装机容量。因此该水电站发足装机容量的最大水头（以下称临界水头）为１４．５ｍ。额定水头是确定水轮机转轮直径的重要参数之一，由转轮直径的计算公式Ｄ．＝，可知转轮直径Ｄ。与额定水头Ｈ，成反比，额定水头增高，转轮直径减小；而转轮直径与工程量成正比，转轮直径较小．水电站的工程量较少，对水电站的投资也相对较小；反之，水电站投资相对较大。因此，从节省投资的角度来考虑，额定水头应尽町能地高。另一方面，为了使水轮机加权平均效率较高，取得较好的电量效益，额定水头应靠近电量加权平均水头。例如，图３所示的水电站，其电量加权平均水头为１６．８ｍ，额定水头珥可初选为发满装机容鼍的最大水头１４．５ｒｒｌ，即临界水头。本例中水电站的额定水头如按常规方法计算，即按加权平均水头的９０％估算为１５．２ｎ＇ｌ，在图３中对应的出力为ｌ８４０ＭＷ，则不能满足额定水头下发满装机容量的要求。２．２对电站出力特性的影响径流式水电站受径流出力和机组出力的限制，当水头大于额定水头时，由于实际来水流量小于发满装机容量所需的流量，水电站容量受阻（此时单机实际出力小于额定出力或水电站部分机组退出运行）；水电站水头小于额定水头时，受机组过流能力限制，水电站容跫受阻，开始出现弃水（此时单机出力小于额定出力。单机流苗小于额定流冒）；因此，水电站实际出力限制线是由径流出力线与机组出力线组成。当水头大于径流出力线与机组出力限制线的交点对应的水头时，水电站出力受径流出力线限制；反之，水电站出力受机组出力线限制。图４中绘出了不同额定水头时水轮机的出力限制线。由图４可见，与额定水头为临界水头方案相比较，加大额定水头，受流量的限制水电站无法发满装机容量，设备全年均存在卒闲容量，设备利用率较低；降低额定水头，水电站发满装机容龋的水头范围较宽，设备利用率较高，水电站的调峰能力也会增加。

图４某径流式水电站出力限制曲线图４中ＡＢ为额定水头珥＝１４．５ｍ时的水轮机出力限制线；ＡＤ为额定水头日，＝１５．５ｍ时的水轮机出力限制线；ＡＥ为额定水头Ｈ，＝１３．５ｍ时的水轮机出力限制线。

２．３对发电量的影响发电量效益是衡鼍水电站经济性的主要指标之一。对径流式水电站出力特性进行分析的结果表明，在水头小于额定水头时，水电站由于受机组过流能力的限制，会出现弃水；弃水量是随着额定水头的不同而发生变化．额定水头降低。水电站的弃水量就较少，水电站的年发电量就会增加；额定水头增高．则水电站的弃水量就较多，其年发电量就会减少。图５至图８是某水电站不同额定水头方案的水头一频率、出力一频率关系曲线（出力一频率曲线与纵坐标围合的面积为年发电量）及发电量比较图。从图中可见，与以额定水头为临界水头的方案相比较，降低额定水头，弃水量就较少，水能的利用率就高，且可增加年

　万方数据第２期杨晓林：低水头径流式水电站额定水头选择４５发电最；而加大额定水头，水电站的弃水量就较多，年发电量就会减少。图５额定水头以＝１３．５ｍ时水电站出力一频率关系曲线从图５可以看出：①在１３．５一１４．５ｍ水头时，水电站发满装机容量，但受发电机容虽限制，容量受阻，水电站弃水约１５ｄ；②水头低于１３．５ｍ时，电站受水轮机限制，容量受阻，水电站弃水约６６ｄ，共弃水约８１ｄ。图６额定水头以＝１４．５ｒｎ时水电站出力一频率关系曲线从图６可以看出：①在１４．５ｍ水头时，水电站发满装机容量；②水头低于１４．５ｍ时，水电站受水轮机限制，容量受阻，水电站弃水约８１ｄ。田７额定水头以＝１５．５１１１时水电站出力一频辜关系曲线从图７可以看出：①在额定水头１５．５ｍ时，水电站受天然流量限制，容董受阻，水电站实际出力１７６０ＭＷ；②水电站最大实际出力小于装机容量，约为１８６０ＭＷ，对应的水头为１４．９ｍ，即水头低于１４．９ｍ时，水电站受水轮机限制，容量受阻，电站弃水约９２ｄ。从图８可以看出：①额定水头珥＝１３．５ｍ时，电量增加；②额定水头只＝１５．５ｍ时发电量减少。

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图８不同额定水头时水电站出力限制线比较２．４水电站运行方式对额定水头的影响

对于按来水流量发电的径流式水电站来说，上游水位保持在正常蓄水位不变，额定水头按上述分析是易于确定的，但是当电力系统调峰能力不足时，需要径流式水电站不均匀发电，即在负荷高峰时．利用全部流茸发电或机组满出力运行；在负荷低谷时，相对减少发电出力，致使部分流量不通过机组发电而弃水出库，这部分弃水称为强迫弃水。目前我国部分电网已经开始试点或即将实施分时上网电价政策，通过合理的峰谷上网电价，使水电站因强迫弃水损失的电量效益得到补偿，故此类以容量效益为主的水电站，为减少弃水，增加调峰能力，在条件许可时，宜降低额定水头。对于日调节水电站来说，允许上游蓄水位在正常蓄水位与消落水位之间变化。当电力系统需要调峰时，若水电站水头高于临界水头，通过水库调度，加大出力参与调峰，调峰过程中没有弃水，日均流量与不调节时相比基本不变，日均电量略有减少，水头每降低１ｒｎ，流量将增加约１／（日一１）倍（不考虑效率因

素），水头变化轨迹如图２所示。若水电站水头等于或低于临界水头，水电站的出力受机组预想出力的限制，无法加大出力参与调峰，此时水电站由于发电流鼍受水轮机过流量限制，将出现弃水。由此可见．对于日调节电站而言，降低额定水头，有利于水电站在较大水头范围内参与系统调峰。对于承担综合利用任务的水电站来说，水库如需经常在低于正常蓄水位的条件下运行，应以不同的上游水位选择的额定水头进行比较，根据工程任务及其主次关系，统筹兼顾，确定最佳方案。