论五强溪水电厂扩机项目水轮机额定水头选择

杜凯堂

(五强溪水电厂，湖南常德415000)

论五强溪水电厂扩机项目水轮机额定水头选择

杜凯堂

(五强溪水电厂，湖南常德415000)

结合五强溪水电厂扩机项目的实例，分析了额定水头选择的一般原则，针对水轮机运行水头变幅大时不稳定情况，叙述了如何进行经济技术方案比较确定合适额定水头的过程。

额定水头；选择；五强溪水电厂；扩机项目

五强溪水电厂位于湖南省沅陵县，安装有5台单机容量240 MW的混流式水轮发电机组，总装机容量1 200 MW，1996年12月投入商业运行。

五强溪水库调节特性为季调节，非汛期全部水能均可用于发电，在汛期，水库防洪任务重，弃水多。电厂投产以来年均水量利用率仅80.69%。为有效利用水库汛期弃水，拟扩机容量500 MW，年均可增加发电量5.43亿kWh，水量利用率为89.97%。

1 水轮机额定水头选择

1.1 水轮机额定水头选择的重要性

额定水头是水轮机的一个重要参数。根据参考文献〔1〕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”。当电站项目的装机容量确定以后，选择合适的额定水头，可以使项目获得良好的经济效益、节省投资，保证机组运行安全。

1.2 中低水头混流式水轮机额定水头的选择

对于新建的大中型水电厂，额定水头的选择参考文献〔2〕中有明确规定:水轮机/水泵水轮机额定水头的选择应根据水电厂的运行水头及出力范围、水轮机/水泵水轮机运行特性及其稳定运行的要求、水电厂出力受阻及电量损失的限制条件、水库调节特性与运行方式、机组在电网中的作用及其运行方式，以及输水系统水头损失等因素综合考虑，经技术经济比较选定。同时，对于中高水头水轮机，额定水头建议在加权平均水头的0.95～1倍的范围内选取。对于调节性能差的水电厂，应尽量保证水电厂发足装机容量。

实践中，通常根据情况按下列经验公式计算选取额定水头

在(1)式中，以最小水头Hmin为基础，额定水头略高于最小水头，机组的水头利用率高，电站受阻容量小，特别适合水库调节性能好，最大水头与最小水头相差不大的情况。

在(2)和(3)式中，以加权平均水头为依据，考虑流道水力损失的差异，河床式电站与坝后式电站略有不同。对于最高水头与最低水头变化大，水库调节性能一般的电站，按这种方法选择额定水头，机组的水头利用率高〔3〕。

在(4)式中，以Hmax和最低水头Hmin为基准，额定水头远离最大水头Hmax，对于水库库容大、调节性能很好、水头变幅大的电站，采用相对更低(远离最大水头)的水头作为机组额定水头的趋势。机组的水头利用率更高〔4〕。

上述经验计算公式都是以电站的电量、效率等动能经济指标作为依据，而未考虑水轮机自身特性的选择方法。运行实践证明，在机组尺寸、容量不很大的情况下是可行的，运行中出现不稳定现象并不突出，即使偶尔发生其影响也不很大。

水头变幅大的大容量机组在运行中出现的不稳定现象，1992年首先在巴基斯坦塔贝拉水力枢纽11，12号机上出现。检修中发现尾水管锥管里衬振裂，底环与座环联接螺栓全部松动，叶片靠上冠处出现裂纹。在高水头运行工况，随着导叶开度的减少，转轮上冠叶栅脱流明显增强，涡带增大，涡核出现真空，脉动压力和振动明显增加。1993年瑞士Dorfler P K发表的《高比速混流式模型水轮机在较大部分负荷下压力脉动的观察》介绍了当比转速ns＞200 m·kW时，都存在高部分负荷的压力脉动现象，当ns≤200 m·kW时，模型转轮没有出现高频脉动现象〔5〕。

额定水头附近的涡流可以通过选用适当的转轮结构、合适的叶片形状、配套的泄水锥和导叶等来消除。例如，岩滩水电站一期工程，安装有4台HLA296－HJ－800混流式水轮机，机组投入运行后，额定水头位于62 m以上时，在部分高负荷工况下，发电机层地板出现剧烈振动，发电机盖板响声较大，1995年初发现3号机转轮叶片有贯穿性裂纹，裂纹始于上冠和下环焊缝处，逐步往叶片中部延伸，中部裂纹远多于上冠和下环处，其后相继发现其它3台机均出现类似的情况〔6〕。更换新型号转轮才解决问题。

对于水头变动幅度太大的水电厂，实践证明，当不在最优工况附近运行时，高水头工况比低水头危害更大。为了保证水轮机在高水头下安全运行，目前通常的做法是，针对最高水头，选择一个合适的额定水头和设计水头。有文献提出建议，在水轮机参数选择中，Hmax/Hopt比值不宜过大，最好不要超过1.1～1.15〔7〕。三峡选择设计水头的经验，三峡的加权平均水头为90.1 m，在技术设计审查阶段，专家组根据塔贝拉的教训，建议Hmax/Hopt比值取为1.15左右。在招标书中受垦务局准则的影响，将这一比值定为≤1.25。六家投标商提出Hmax/Hopt的比值在1.04～1.17之间，多数在1.10～1.15之间。在评标中，四家参与的投标商对Hopt作了修改，修改后Hmax/Hopt的比值非常接近，在1.10～1.12之间。根据这些比值所得出的特性曲线，叶道涡初生线除高水头区特小负荷区外均在运行范围之外。中标的两家供货商的Hmax/Hopt分别为1.10和1.12〔8〕。

2 水轮机额定水头的选择过程

该电厂建成于上世纪90年代，受当时历史条件的限制，水量利用率不是很高。20多年的运行实践表明，水库在汛期会大量弃水。为将汛期水量转化为电量，拟扩机500 MW，2台250 MW混流式机组。

拟定扩机机组的运行方式为，扩机机组全时段投入华中电网运行，不只限定在汛期发电。扩机机组参与调频调峰运行。

扩机项目水轮机基本参数，见表1。

表1 水轮机基本参数m

扩机机组汛期出力不受阻的临界水头为40.8 m，按长系列径流调节计算成果统计，电站最大水头52.5 m(若考虑极端运行工况最大水头为58.9 m)，最小水头33.8 m(若考虑极端运行工况最小水头为33.4 m)，加权平均水头46.13 m，汛期加权平均水头43.37 m，非汛期加权平均水头49.79 m。

1)现有机组额定水头的选取及运行工况

该电厂在初步设计时，立足在国内制造机组，考虑当时国内的设计水平和制造能力，设计水头44.5 m单机容量240 MW的机组，水轮机直径达8.6 m，单机过流量617 m3/s。这种大流量和大直径的机组当时国内制造上已很困难，如果降低额定水头，机组直径还需加大，国内制造、运输困难。

从水头保证率来看，现机组额定水头44.5 m偏高，相应的保证率偏低，电站技术施工阶段计算，全年额定水头保证率66.5%，汛期额定水头保证率33.5%，在汛期，机组出力受阻较为严重、受阻几率较大。

2)扩机机组预可研阶段额定水头初拟

湖南电力系统缺乏的主要是汛期调峰容量，从合理发挥扩机电站容量效益的角度分析，五强溪水电厂扩机项目除了充分利用汛期弃水多发电量外，还应考虑在汛期尽可能少受阻。五强溪水库防洪任务较重，汛期5—7月水库水位要求降到汛限水位98.00 m运行，扩机后电站全厂额定流量为4 513 m3/s，考虑凌津滩汛期水位在50 m运行的顶托影响时相应下游水位为54.90 m，扣除扩机机组满发水头损失后，扩机机组汛期不受阻的临界水头为40.8 m。从充分发挥扩机项目容量效益方面分析，机组额定水头不应高于40.8 m。

3)扩机机组预可研阶段初拟的额定水头校核

该扩机项目立足从国内采购水轮发电机组，对中低水头段混流式机组而言，我国的制造水平处在世界先进水平前列。扩机项目预可研阶段，从发挥五强溪水库的最大经济效益出发，将水轮机的额定水头初拟为41.5 m。五强溪水电厂扩机机组的特点是，运行水头变幅大，尺寸大，在电网参与调频调峰。国内类似机组稳定运行区窄，从运行安全出发，必须调研国内水轮机的制造水平和机组实际运行情况，根据调研成果选择可靠的参数区域，再进行经济成果比较以确定合适的水轮机额定水头。

国内各厂家都没有可套用的水轮机转轮，都需要重新开发。需确定合适的水力开发参数。

①从控制投资规模而言，应尽可能选择较高的水轮机额定比转速。同时，为了保证水轮机有良好的水力性能，应调研国内运行良好的电站。

根据相近水头段电站水轮机基本参数表(见表2)和国内某大型水电设备制造厂混流式水轮机额定比转速统计曲线，选择了以下4个方案进行比选。

表2 相近水头段电站水轮机基本参数表

方案一，额定水头41.5m，额定转速62.5r/min，比转速299.60 m·kW；方案二，额定水头42.5 m，额定转速62.5 r/min，比转速291.42 m·kW；方案三，额定水头42.5 m，额定转速68.2 r/min，比转速317.91 m·kW；方案四，额定水头43.5 m，额定转速68.2 r/min，比转速308.24 m·kW。

②考虑水轮机高水头区的运行稳定性。为了使最优工况水头尽量靠近水轮机的额定水头，通过选择合适的Hmax/Hr比值确定额定水头。

扩机项目，长径流统计的最大水头52.5 m；考虑极端运行工况，最大水头为58.9 m。根据上面选定的几个水头方案，按长径流的最大水头52.5 m计算Hmax/Hr比值，52.5 m/41.5 m＝1.26，52.5 m/42.5 m＝1.23，52.5 m/43.5 m＝1.20，根据本文在上面提到的合适Hmax/Hr比值范围，显然，额定水头为43.5 m时，Hmax/Hr＝1.2可以保证在大部分时间水轮机在较高水头下安全稳定运行。

考虑部分极端情况，最大水头为58.9 m，计算Hmax/Hr比值如下，58.9 m/41.5 m＝1.42，58.9 m/42.5 m＝1.38，58.9 m/43.5 m＝1.35。这种比值明显偏大，比较现在五强溪运行的水轮机，Hmax/Hr＝60.1 m/44.5 m＝1.35。58.9 m/43.5 m与60.1 m/44.5 m相等，五强溪水电厂现在的水轮机已安全运行20多年，因此，选择43.5 m能保证扩机机组在极端工况下不会出现设备安全问题。

③从能量指标比较。各额定水头方案能量指标见表3。多年平均电量、汛期电量、水量利用率等指标在40.5 m、41.5 m、42.5 m、43.5 m差异不大，40.5 m最高，43.5 m偏低，但幅度很小。

表3 各额定水头方案能量指标表〔9〕

综合上述技术经济指标，在4个方案中，选择水头43.5 m作为五强溪水电厂扩机项目的水轮机额定水头比较合适。

3 结语

选择合适的水轮机额定水头，可以保证水轮机在常态下安全稳定运行，创造最佳的经济效益。根据水库的特性，按项目效益最大化考虑可选的额定水头范围。对于大容量和大尺寸机组，为保证水轮机投运后的安全稳定运行，需进行技术校核。在技术论证上，必须充分理解电站的水库运行特性，水轮机投入商业运行后的运行方式，水轮机的前沿技术水平和制造业状况。由于模型水轮机不能充分反映原型水轮机的实际运行情况，尚需调研类似水轮机的运行资料。综合上述各项资料，在技术上确定水轮机额定水头可选范围。对上述符合经济和技术的方案进行最后比选，确定在电站投资规模和投入商业运行后水轮机各项经济指标在最优水平的水轮机额定水头参数。

〔1〕中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.水轮机基本技术条件:GB/T 15468—2006〔S〕.北京:中国标准出版社，2006.

〔2〕中华人民共和国国家发展和改革委员会.水力发电厂机电设计规范:DL/T5186—2004〔S〕.北京:中国电力出版社，2004.

〔3〕于波，肖惠民.水轮机原理与运行(第1版)〔M〕.北京:中国电力出版社，2008.

〔4〕黄奋杰，黄骏.关于水轮发电机组额定水头选择的探讨〔J〕.云南水力发电，2004，(02)1，72-75.

〔5〕乐汉卿.高比速混流式水轮机水力稳定问题探讨〔C〕//福建省科学技术协会:提高水力发电技术促进海西经济建设研讨会.2007.

〔6〕伍晓芳，黄显文.岩滩水电站水轮机转轮分析对比〔J〕.红水河，2014(33):71-74.

〔7〕吴培豪.叶道涡的特性及危害〔C〕//第十五次中国水电设备学术讨论会.2004.

〔8〕沈维义，林雁庆.水头变幅大的水电站混流式水轮机额定水头及最优工况水头选择的探讨〔J〕.水电站设计，1998，(14)2，27-32.

〔9〕中南勘测设计研究院有限公司.五强溪水电站扩机工程可行性研究报告(初稿)〔R〕.2015.

表1 鹅城软启动器与华新变频器误报警次

4 结束语

由于主泵运行只需高、低两种转速，并不要调节多种转速，尽管变频器功能强大，但主泵只使用了变频器的一种调速功能，且变频器保护检测的灵敏性也降低了主泵运行的稳定性。而变极调速的方法只需设计两种接线方式分别对应两种转速，并加装软启动器用于电机启动，这种回路设计不但实现了主循环泵的功能要求，还降低了经济成本。且软启动器运行时间短，高速启动完成后，则通过旁路进行工作，而变频器则长期运行，运行可靠性降低。综上所述，相较于变频器调速启动的方式，主泵采用变极调速并利用软启动器配合启动的方式具有更好的运行稳定性和经济性，目前新建的800 kV特高压换流站阀水冷系统主泵均采用该启动方式。

参考文献

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作者简介

黄晨，男，汉族，湖南郴州人，工程师，大学本科学历，从事高压直流输电系统运行维护工作。

Selection of hydro-turbine rated head for Wuqiangxi Hydropower Plant extension project

DU Kaitang
(Wuqiangxi Hydropower Plant，Changde 415000，China)

Combining with examples of Wuqiangxi extension project，this paper analyzes the general principles of the selection of rated head.It focus on when the turbine operating head amplitude is large，instabilities occuring，the process of how to compare the economic and technical scheme determine the appropriate rated head.

rated head selection；Wuqiangxi Hydropower Plant；extension project

TK734.2

B

1008-0198(2017)01-0046-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.01.011

杜凯堂(1962)，男，湖南双峰人，高级工程师，学士，长期从事水电厂技术管理工作。

湖南发展委:发展能源(2016)982号.

2016-06-15 改回日期:2016-09-05