【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(jié)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(wěn)定運行和提高電站的經(jīng)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(fā)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(jié)庫容0.98億m3。電站裝機容量為30MW，多年平均年發(fā)電量為0.81億kW·h，裝機年利用小時數(shù)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(fā)電，水庫為不完全年調節(jié)水庫，電站的供電范圍為喀克電網(wǎng)，在系統(tǒng)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(fā)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(fā)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(fā)電機發(fā)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(fā)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(wěn)定性及高效率區(qū)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(wěn)定運行范圍會變窄；反之，額定水頭變高，機組穩(wěn)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(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。如額定水頭定的太低（Hmax/Hr≥1.15），機組在高水頭、低效率區(qū)域運行時，會造成機組振動劇烈、葉片裂紋甚至斷裂的現(xiàn)象。

根據(jù)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(guī)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(fā)電量占全年總發(fā)電量的一半以上，而汛期6、7、8三個月的平均發(fā)電水頭與全年發(fā)電水頭相比又偏低。從表3可以看出，電站發(fā)電水頭在加權平均水頭45.5m以上的范圍占全年發(fā)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(wěn)定運行外，還應充分重視機組在汛期6、7、8三個月發(fā)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?？紤]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(fā)電，可帶來巨大的經(jīng)濟效益。

根據(jù)《水力發(fā)電廠機電設計規(guī)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(fā)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(shù)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(jié)省工程投資。

3）從機組運行穩(wěn)定性方面，分析各方案的水輪機運轉特性曲線，可以發(fā)現(xiàn)39m和41m水頭方案的運行穩(wěn)定性較好，兩者相比較，41m水頭方案的機組運行更為穩(wěn)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(wěn)定性，但考慮水庫汛期6、7月份在排沙水位1870m運行時發(fā)電水頭降低，適當降低額定水頭又有利于機組在汛期多發(fā)電。額定水頭41m方案的機組效率較高，運行穩(wěn)定性較好，年平均發(fā)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(guī)劃設計總院.水力發(fā)電廠機電設計規(guī)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。