立洲水电站水轮机额定水头的优选方法

唐 蕾，高朝荣，赵林明

（1.中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵州 贵阳 550081；2.河北工程大学水电学院，河北 邯郸 056038）

水轮机额定水头是水轮机发出额定功率时所需的最低水头。在进行水电站设计、确定水轮机额定水头时，需要考虑水电站的投资、水轮机运行的稳定性等多种因素。本文根据四川木里河立洲水电站的设计实践，阐述水轮机额定水头的优选方法。

1 额定水头的优选计算

立洲水电站坝址处控制流域面积8603km2，多年平均流量为131m3/s。电站采用混合式开发，最大坝高132m（不包括垫座），水库总库容1.897亿m3，正常蓄水位以下库容1.787亿m3，调节库容0.82亿m3，具有季调节性能，开发任务以发电为主，兼顾下游生态用水。立州水电站在电网中所占比例不大，但具有季调节性能，在系统中主要担任调峰、事故备用。

立洲水电站最大水头205m，平均水头187m，最小水头163m，正常蓄水位2088m，死水位2068m，装机容量为345MW，以此为基础，选择计算水轮机的额定水头。根据立洲水电站的水头变幅、水库的调节性能，按经验公式估算，预选额定水头分别为171m、173m、175m、177m、179m五个方案进行计算比较。水轮机效率等参数的计算均以该预选水头段的A575c转轮为基础进行。限于篇幅，这里只给出额定水头为177m时水轮机效率的计算过程。

根据立洲水电站的水头特征参数将对应的水轮机运转特性曲线按照纵向水头H坐标划分单元。沿H坐标和N坐标划分的有限单元组合后，形成有限个单元格，如图1所示。

水轮机加权因子的计算，可按照以下步骤进行：

1）根据计算得到的水头和出力参数，逐个判断发电的机组台数和单台机组的出力值；

2）依据水头和出力判断水轮机在运转特性曲线图上所处位置，读取效率值；

3）计算加权因子。

概化成果见表1和表2。

图1 额定水头177m方案水轮机运转综合特性曲线

表1 立洲水电站额定水头177m加权因子

表2 立洲水电站额定水头177m分段效率

表3 额定水头方案计算结果对比

加权平均效率的计算公式为：

式中：η平为加权平均效率；Ni为水轮机逐小时出力；ηi为逐小时出力对应效率值。

将表1、表2中的数据代入公式（1），求出立洲水电站额定水头为177m时对应的加权平均效率为92.61。

五种额定水头方案的计算结果列于表3中。

2 最优额定水头的确定

根据五种预选额定水头方案的计算成果，通过综合分析来确定立洲水电站的最优额定工作水头。

1）对应五种额定水头方案，水轮机转轮直径分别为3.21、3.18、3.15、3.12、3.10m，转轮直径差别不大。随着额定水头的增高，转轮直径和水轮机重量呈减少趋势。各方案在水轮机制造难度上，属同一等级。通过对运输条件的调查，各方案的水轮机尺寸均不构成运输的制约条件。水轮机对水电站厂房的工程量影响不大。

2）随着额定水头的增高，水轮机效率总体趋势是逐渐提高，但额定水头方案175m时由于水轮机转速发生跳档，效率相对较低，单机最大受阻容量也随额定水头的增高而逐渐增加。根据长系列径流调节成果，对选定的平水年，计算代表年逐月水头情况下水轮机单机预想出力，确定开机台数和水轮机平均出力查各方案运转特性曲线，得出水轮机平均效率，各方案对应的水轮机平均效率分别为92.16%、92.24%、91.97%、92.61%、93.14%。立洲水电站具有季调节性能，且上游具有不完全年调节性能的卡基娃水电站对径流进行调蓄，水轮机受阻不影响电站的发电量。从增加电站效率分析，立洲水电站的额定水头应适当提高。

3）从投资角度分析，随着额定水头的增高，相关投资逐渐减小，这是由于随着额定水头的增高，水轮机转轮直径减小，相应的工程量减小。因此，考虑节省投资，额定水头应适当提高。

4）从运行稳定性方面，分析各方案的水轮机运转特性曲线，可以发现173m和177m水头方案的运行稳定较好，两者比较，177m水头方案的机组运行更为稳定。

综上所述， 额定水头177m机组效率较高，运行稳定性较好，多年平均发电量较大，经济指标最优。因此，确定立洲水电站水轮机的最优额定水头为177m。

3 结语

水电站额定水头的确定是电站前期设计中的一个重要的工作内容，它的确定需要综合考虑多种影响因素。本文根据立洲水电站工程实例，介绍了额定水头的比选过程，重点对加权平均效率这一反映水轮机性能的重要参数的计算过程作了较为详尽的说明。本文所介绍的内容及采用的线性插值法等数学方法，可供其它水电站水轮机选型设计时参考。

[1]金健, 高朝荣, 唐蕾, 等. 木里河立洲水电站可行性研究报告[R]. 贵阳: 中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院, 2009.

[2]黄奋杰, 黄骏. 关于额定水头选择的探讨[J]. 云南水力发电, 2004 (1): 18-21.

[3]水电水利规划设计总院. 水力发电厂机电设计规范[M].北京: 中国电力出版社, 2006.