MMK水電站水輪機額定水頭的選擇

【摘要】文章結合MMK水利樞紐工程電站初步設計，對于具有調節庫容水頭變幅大的水電站，通過對不同額定水頭方案的分析和比較，選擇合適的水輪機額定水頭，以保障機組穩定運行和提高電站的經濟效益。

【關鍵詞】水電站；水頭變幅大；額定水頭

1、電站概況

MMK水利樞紐工程是新疆某河流上的控制性樞紐工程，起著龍頭水庫的重要作用，是一座具有防洪、灌溉和發電等綜合利用任務的水利工程。水庫正常蓄水位1899.5m，正常蓄水位相應庫容1.11億m3，死水位1870m，死庫容0.13億m3，調節庫容0.98億m3。電站裝機容量為30MW，多年平均年發電量為0.81億kW·h，裝機年利用小時數為2701h。最大工作水頭為57m，最小工作水頭為23m，加權平均水頭為45.5m。

2、工程特性

MMK水利樞紐主要承擔防洪、灌溉任務，兼顧發電，水庫為不完全年調節水庫，電站的供電范圍為喀克電網，在系統承擔基荷運行。電站水頭受水庫運行方式影響很大，水庫在6、7月份需排沙運行，電站發電水位由正常蓄水位降至死水位，消落深度29.5m，其余月份電站發電水位均處于正常蓄水位。

水電站前期設計階段，通常用最大水頭與最小水頭的比值Hmax/Hmin來衡量水輪機水頭變化的大小，Hmax/Hmin大于1.6的水電站可視為水頭變幅偏大。本電站最大水頭57m，最小水頭23，Hmax/Hmin值為2.48，遠遠超過標準值，水輪機水頭變幅很大。

3、額定水頭的分析選擇

水電站額定水頭是發電機發出額定容量時水輪機所需的最小水頭，在水輪機綜合運行特性曲線上是指水輪機出力限制線與發電機出力限制線交點對應的水頭。在額定水頭的選擇階段，特別是對于水頭變幅大的水電站，低水頭功率受阻和高水頭運行穩定性及高效率區利用是客觀存在的問題。一般來說，額定水頭變低，電站受阻容量變小，但機組穩定運行范圍會變窄；反之，額定水頭變高，機組穩定運行的范圍會變寬，機組安全運行更有利。

大量水電站機組運行實踐與研究表明，運行不穩定或水力穩定性較差的機組，大多數為水頭變幅大的混流式機組。如額定水頭定的太低（Hmax/Hr≥1.15），機組在高水頭、低效率區域運行時，會造成機組振動劇烈、葉片裂紋甚至斷裂的現象。

根據電站前期水能計算成果，1～12月份電站月平均出力見表1，電站多年月平均水頭排頻見表2，水頭范圍的分布規律見表3。

從表1和表2可以看出，MMK水電站汛期6、7、8三個月的發電量占全年總發電量的一半以上，而汛期6、7、8三個月的平均發電水頭與全年發電水頭相比又偏低。從表3可以看出，電站發電水頭在加權平均水頭45.5m以上的范圍占全年發電時間的68.6%。因此在選擇水輪機額定水頭的時候，除滿足機組在高水頭段的安全穩定運行外，還應充分重視機組在汛期6、7、8三個月發電水頭較低時的運行情況。

一般情況下，最大水頭與額定水頭的比值Hmax/Hr應不大于1.2，最小水頭與額定水頭的比值Hmax/Hr應大于0.6。考慮到電站汛期電量占比很高約為58%，適當降低額定水頭，能保證電站汛期多發電，可帶來巨大的經濟效益。

根據《水力發電廠機電設計規范》要求：對于水庫采取“蓄清排渾”運用方式的多泥沙河流的水電廠，水輪機額定水頭宜在加權平均水頭與水庫蓄水期的下限發電水頭之間選取。通過以上分析初擬了39m、41m、43m三個額定水頭方案進行比較，為了便于分析比較，本階段暫以JF3029模型轉輪為基礎進行水輪機的參數計算。

1）對應的三種額定水頭方案轉輪直徑差別不大，在水輪機制造難度和運輸條件上均不存在困難。

2）從投資角度分析，隨著額定水頭的增高，除了廠房開挖工程量略有增加外，其他設備及土建投資均逐漸減小，方案一比方案三的總投資增加一千萬左右，適當提高額定水頭，可節省工程投資。

3）從機組運行穩定性方面，分析各方案的水輪機運轉特性曲線，可以發現39m和41m水頭方案的運行穩定性較好，兩者相比較，41m水頭方案的機組運行更為穩定。

4、結論

綜上所述，提高額定水頭有利于降低工程投資，增加機組在高水頭段運行的安全穩定性，但考慮水庫汛期6、7月份在排沙水位1870m運行時發電水頭降低，適當降低額定水頭又有利于機組在汛期多發電。額定水頭41m方案的機組效率較高，運行穩定性較好，年平均發電量大，因此確定本階段電站的額定水頭為41m。

參考文獻：

[1]秦守田. 大中型水電站額定水頭選擇探討[J].東北水利水電，2013（11）：6-8.

[2]水利水電規劃設計總院.水力發電廠機電設計規范[M].北京：中國電力出版社，2006.

作者簡介：劉峰，（1981-）， 男，工程師，主要從事水電站水力機械設計。