秦守田

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林長春 130021）

1 水頭概述

大中型水電站水頭（或稱落差）是水電站上、下游某斷面水位差，是水電站能量的兩個主要動力要素之一。水電站上游水位為水庫水位，下游水位一般為水輪機尾水位。上、下游水位差稱為毛水頭，考慮到水流經(jīng)過水工建筑物時產(chǎn)生沿程摩阻損失與局部損失，從毛水頭中扣除損失后即得電站凈水頭。水電站常用的特征水頭有以下4種情況：

1）最大水頭（Hmax）：最大水頭為上、下游水位中可能同期出現(xiàn)的最大差值。一般上游水位最高、下游為最低時出現(xiàn)，它是水輪機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計時的一項重要數(shù)據(jù)。

2）最小水頭（Hmin）：最小水頭為上、下游水位中可能同期出現(xiàn)的最小差值。一般為上游水位最低、下游最高時出現(xiàn)，它是水輪機在低效區(qū)時保證水輪機安全穩(wěn)定運行的最低水頭。

3）平均水頭（HW）：分為算術(shù)平均和加權(quán)平均水頭兩種，常采用以出力為權(quán)重的加權(quán)平均水頭。

4）額定水頭（Hr）：電站額定水頭是水電站重要的特征水頭，是水輪機在標準功率因數(shù)cosφ的條件下，水輪機發(fā)出額定出力時所需要的最小水頭。電站額定水頭是歐美各國一慣的叫法，俄羅斯稱之為計算水頭，我國從前稱為設(shè)計水頭，現(xiàn)統(tǒng)稱額定水頭。

水電站水頭隨著水庫上、下游水位的變化而變化。具有調(diào)節(jié)能力的水庫上游水位在正常蓄水位和死水位之間變化，變化很大，下游水位一般變化較小，其水頭隨上、下游水位的變化而變化，最大水頭出現(xiàn)在水庫蓄滿時，最小水頭多出現(xiàn)在水庫放空時。無調(diào)節(jié)能力水庫電站分高水頭和低水頭兩種情況，高水頭電站的水頭一般變化較小，低水頭電站的水頭主要決定于電站下泄流量，由于下泄流量大會引起水庫尾水位上升，導(dǎo)致水頭減小。

2 額定水頭選擇

2.1 額定水頭概述

水電站額定水頭是水輪機組發(fā)額定容量時相應(yīng)的最小水頭，也稱臨界水頭或計算水頭。它在水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線上表現(xiàn)為水輪機出力限制線與發(fā)電機出力限制線交點所對應(yīng)的水頭，是水電站最重要的特征水頭。水電站額定水頭、預(yù)想出力及受阻容量示意圖見圖1。

2.2 額定水頭計算方法

圖1 水電站額定水頭、預(yù)想出力及受阻容量示意圖

水輪機的額定水頭與水輪機的特性、電力系統(tǒng)的要求、水庫的調(diào)節(jié)性能、電站的發(fā)電量以及投資等有關(guān)，其選擇應(yīng)根據(jù)設(shè)計電站水頭變化特性、電站加權(quán)平均水頭和電力電量平衡的要求進行選擇。具體工程方案比選中往往以電站最大、最小、加權(quán)平均水頭作為水輪發(fā)電機組額定水頭Hr的基礎(chǔ)，一般可按下式估算：

上述公式是水電工作人員根據(jù)工程的實際情況總結(jié)出來的經(jīng)驗公式，一直被工程設(shè)計人員所參照和使用。從公式中反映出水輪機組額定水頭，靠近最小水頭或低于電站的加權(quán)平均水頭HW，分析其原因，主要有以下幾方面：①額定水頭趨近最小水頭Hmin，可以使電站的水輪機組最大限度不受阻，使水電站的受阻容量最小。②額定水頭接近加權(quán)平均水頭HW，可以使電站效率發(fā)揮最大。③電站受阻容量過大，則系統(tǒng)的有效容量降低，會影響系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，同時需要新建電站或增加其他電站的容量，需要付出一定的經(jīng)濟代價。

2.3 額定水頭設(shè)計思路變化

建國初期，我們的很多規(guī)程規(guī)范是受前蘇聯(lián)的影響，額定水頭盡量的取低值，以保證電站盡量不受阻、多發(fā)電。近年來，隨著改革開放的逐步深入，西方先進設(shè)計思想和設(shè)計理念以及成功、失敗的經(jīng)驗教訓(xùn)逐步被接受。特別是國內(nèi)外大型混流式機組不斷發(fā)現(xiàn)振動、葉片裂紋現(xiàn)象，有的甚至在試運行期間或運行初期，就出現(xiàn)葉片裂紋和穩(wěn)定性問題。如大朝山水電站轉(zhuǎn)輪在72h試運行期間即發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋。小浪底首臺投產(chǎn)機組在運行初期發(fā)生大軸嚴重抖動并伴有異常噪音，經(jīng)1 330 h后，發(fā)現(xiàn)13個葉片全部出現(xiàn)裂紋等問題，被迫停機修復(fù)和改進，給電力生產(chǎn)造成較大損失。巴基斯坦塔貝拉水電站11～14號機組在運行初期轉(zhuǎn)輪葉片就出現(xiàn)裂紋，有的葉片甚至斷裂。經(jīng)專家們研究發(fā)現(xiàn)：運行不穩(wěn)定或水力穩(wěn)定性較差的機組，大多數(shù)為水頭變幅大的混流式機組。經(jīng)進一步研究發(fā)現(xiàn)：對于水頭變幅比大的混流式水輪機，當額定水頭定得太低（Hmax/Hr≥1.15），發(fā)電機出力限制線在高水頭區(qū)過分地侵入水輪機高效區(qū)，可能導(dǎo)致大部分高效區(qū)被發(fā)電機出力限制線限制在外。另外，當水輪機在高水頭、效率低區(qū)域運行時（即小負荷情況下），由于導(dǎo)葉開度小，出現(xiàn)葉片進口水流正沖角過大，造成葉片進口邊負壓面脫流空化而形成葉道渦，由于葉片及轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生振動，使應(yīng)力增大，安全性和水力穩(wěn)定性下降。表1統(tǒng)計了國內(nèi)外存在運行問題的部分水輪機參數(shù)。

表1 國內(nèi)外存在運行不穩(wěn)定問題的部分水輪機參數(shù)

這些水電站的水輪機在水頭低于額定水頭下均能正常運行，但是當運行水頭高于額定水頭時，機組振動擺度和尾水管壓力脈動隨水頭升高而增大。巖灘機組在水頭高于設(shè)計水頭、負荷低于額定功率的85%運行區(qū)時，因水壓脈動、機組振動等因素，引起廠房樓板劇烈共振，使電氣設(shè)備發(fā)生誤動作無法安全運行，所以只能在額定功率的90%以上運行。潘家口電站機組在75～85 m水頭下運行時，機組振動、空蝕、噪音十分嚴重，12年里尾水管錐管曾8次被撕裂，轉(zhuǎn)輪14個葉片中有11個在靠近下環(huán)處產(chǎn)生裂紋，空蝕坑深度達20～25 mm。巴基斯坦的塔貝拉水電站第一臺和第二臺分別于1992年5月、7月投入運行，初期運行時機組運行正常，但是當水頭達116～118 m以上時，機組振動明顯增大，水頭高于120 m時更為嚴重，被迫停機檢查發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪上冠與葉片連接處出現(xiàn)長約200～300 mm的裂紋，經(jīng)歷12個月進行數(shù)十項改造修復(fù)才重新投入運行。

大量水電站機組運行實踐證明，當水頭變幅比較小時，機組出現(xiàn)穩(wěn)定性能惡化現(xiàn)象并不突出，當水頭變幅比較大，而機組又在高水頭、低效率區(qū)域運行時，就會造成機組振動超常、葉片裂紋甚至斷裂的現(xiàn)象，甚至嚴重影響電力生產(chǎn)。美國墾務(wù)局根據(jù)他們的經(jīng)驗，推薦最大水頭與額定水頭之比不大于1.25；DL/T5186-2004《水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范》推薦最大水頭與設(shè)計水頭的比值在1.07～1.11之間，同時兼顧使最小水頭與設(shè)計水頭的比值不小于0.65。

2.4 重慶市幾個水電站額定水頭研究

1）藤子溝水電站。藤子溝水電站位于重慶市石柱縣境內(nèi)龍河上游河段上，龍河系長江右岸一級支流。工程于2002年開工，2006年建成發(fā)電。水庫正常蓄水位775 m、死水位723 m，為年調(diào)節(jié)水庫。工程于2002年完成了初步設(shè)計調(diào)整報告，報告中推薦電站的最大水頭194 m，最小水頭127 m，額定水頭153 m，且通過了專家的審查，由于設(shè)計較早，當時沒有過多注重機組穩(wěn)定問題，該水電站的控制水頭比值Hmax/Hr=1.27，機組穩(wěn)定性差些，通過幾年的實際運行情況分析，在高水頭、小出力以及低水頭、大出力水頭段出現(xiàn)機組震動區(qū)，影響了機組的正常運行。

2）蓋下壩水電站。重慶蓋下壩電站位于重慶市云陽縣境內(nèi)長灘河干流上游河段上。長灘河是長江南岸的一級支流，全長104.18 km，落差1 023 m，流域總面積1 525.9 km2。蓋下壩水電站是長灘河開發(fā)規(guī)劃的第一級，電站采取混合式開發(fā)。水庫壩址控制流域面積1 077 km2，多年平均流量為32.0 m3/s。水庫正常蓄水位392 m，死水位352 m，調(diào)節(jié)庫容2.03億m3，是一座具有年調(diào)節(jié)性能的大型水庫。電站裝機容量為132 MW，多年平均發(fā)電量為3.722億kW·h。最大水頭183.3 m，最小水頭132.2 m，加權(quán)平均水頭為169 m，最大消落深度為40 m。針對電站的最大、最下和加權(quán)平均水頭，參考諸多電站實際運行情況的調(diào)研總結(jié)，混流式機組最大水頭與額定水頭的比值在1.15～1.2范圍內(nèi)機組運行比較穩(wěn)定。從已往設(shè)計的一般經(jīng)驗考慮，額定水頭應(yīng)在加權(quán)平均水頭的0.90～0.95倍范圍內(nèi)。據(jù)此擬定153 m、155 m、157 m和159 m 4個方案進行比選，詳見表2。

表2 不同額定水頭方案經(jīng)濟比較表

蓋下壩電站最大水頭與最小水頭之比為1.387，各額定水頭方案最大水頭與額定水頭比值在 1.153～1.198之間，各方案均滿足 Hmax/Hmin≤1.5、Hmax/Hr≤1.2 或 Hmax/Hmin≤1.6、Hmax/Hr≤1.15的最佳機組穩(wěn)定條件。從各方案經(jīng)濟比較結(jié)果看，額定水頭157 m總費用現(xiàn)值最小。據(jù)此推薦該電站的額定水頭為157 m。

3 結(jié)語

水電站額定水頭的選擇是一個技術(shù)、經(jīng)濟等綜合性問題，若額定水頭較高，當水庫水位較低或電站汛期出現(xiàn)大流量、下游水位大幅度抬高時，都將使水頭大幅度減小，造成較大的受阻容量；若額定水頭較低，除了存在機組運行穩(wěn)定問題外，在水輪發(fā)電機組額定容量不變時，需加大水輪機直徑或相應(yīng)降低機組轉(zhuǎn)速，從而增加水電站的投資。因此，最佳的額定水頭必須滿足穩(wěn)定的前提，通過方案投資和電量經(jīng)濟比較，分析水輪機預(yù)想出力降低對電力系統(tǒng)平衡的影響，綜合分析確定。