长距离引水径流式水电站装机容量及水轮机额定水头的确定

长距离引水径流式水电站装机容量及水轮机额定水头的确定

李朝晖

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130021）

【摘要】文章结合光明水电站二期工程引水电站初步设计，分析论述了在引水洞径已定的情况下，具有长距离引水系统的径流式水电站的特点，流量、水头的相互作用对电站装机容量的影响，以及水轮机额定水头的合理确定等问题。

【关键词】长距离引水系统径流式额定水头

1 电站概况

光明水电站二期工程位于吉林省安图县境内。工程利用长引水隧洞将四、五道白河的水引至光明水电站一期工程，并在引水洞出口（引水电站）和光明水电站一期工程（增容电站）两处装机，尾水进入三道白河，使三道白河上的梯级电站受益，工程的主要任务是发电。

引水电站总装机2.3MW，单机容量分别为0.9MW机组2台，0.5MW机组1台。

本文根据引水电站的实际情况进行分析论证。

2 电站基本参数

2.1水位

上游正常蓄水位1030.00 m

下游正常尾水位981.56 m

最低尾水位980.51 m

2.2 水头

最大净水头49.50 m

加权平均水头43.90 m

最小净水头36.94 m

2.3 流量

多年平均流量 3.18 m3/s

最大引用流量8.00 m3/s

最小引用流量0.50 m3/s

3 电站特点

光明水电站二期工程引水电站的特点：

①具有一个长距离的发电引水系统，压力引水洞总长10918.70m；

②电站为径流式，无调解能力，流量随季节变化丰枯明显，详见“表-1电站

径流资料”；

表-1 电站径流资料

注：表中流量包括0.5 m3/s环境流量，电站实际引用流量为在流量级基础上减去环境流量。

③本电站是利用增容电站引水洞发电的电站，最大引用流量受增容电站引水流量限制，工程整体规模决定了引水洞径。

4 电站特点对电站装机容量的影响

由于具有一个长距离的发电引水系统，电站水头和引用流量的关系变化十分密切。水头、流量两个水力参数的相互作用对装机容量产生巨大影响。

①水头、流量两个水力参数的相互作用

电站净水头计算公式：

H净= H静-△h（H净：电站净水头；H静：上下游水位差；△h：水头损失）

△h=k Q2 （k：损失系数；Q：电站引用流量）

根据上述公式可以看出：在发电引水洞径已定的情况下，随着电站引用流量的增加，压力引水系统的水力损失相应加大，在电站静水头（H

静

）变化幅度不大的

情况下，净水头（H

净

）下相对明显；当流量增加到一定程度时，电站净水头（H 净

）下降幅度加剧。

“表-2 流量-水头-装机容量关系表”及“图-1 流量-水头-装机容量关系曲线”直观地体现了流量-水头-装机容量三者之间的相对关系。

②对电站装机容量的影响

装机容量：N=KQH

净=KQ（H

静

-△h）

=KQ（H静- k Q2 ）

= KQH静-K k Q3

（K：电站出力系数，根据电站实际情况，取K=8.10）。

从流量-水头-装机容量关系表及图可以看出，当引水流量从小到大变化达到某个数值时，电站的装机容量开始下降。也就是说，在引水洞径已定的情况下，此类电站的装机容量存在一个最高点，这个最高点是因为引水流量加大后水头的急剧下降引起的，水头的下降幅度已经抵消了流量增加产生的电能。

因此，根据这个最高点，结合机组选型，同时结合引水发电洞径的经济比较，合理地确定电站的装机容量是非常必要的。

但是，电站的装机容量并不一定是取最高点就好。本电站装机容量的最高点约在Q=9.50m3/s，N=2448kW。从“表-2 流量-水头-装机容量关系表”及“图-1 流量-水头-装机容量关系曲线”可以看出，对应（7.50~8.00~8.50~9.00~9.50）m3/s等几个引用流量的装机容量分别为（2315~2375~2418~2443~2448）kW，出力差值依次为60kW、43kW、25kW、5kW，差值越来越小，引用流量的增大对出力的增加作用已经很小了。针对这种情况，须进行进一步的论证分析。

在本电站最大引用流量Q=8.0m3/s情况下，计算的电站可装机容量2375kW，实际装机宜小于或等于2375kW。通过计算分析，电站总装机2.3MW，通过短时间超发的运行方式达到最大出力。

表-2 流量-水头-装机容量关系表

图-1 流量-水头-装机容量关系曲线

5 水轮机单机容量与额定水头的合理确定

5.1 水轮机单机容量的确定

表-2为根据电站径流资料计算出的电站引用流量发生频率表。

表-2 电站引用流量发生频率表

分析表-2，由于电站无调节能力，径流量随季节丰枯变化较大。电站在引用流量1.5 m3/s以下运行时间占总运行时间的55.2%，比重很大。因此在确定水轮发电机组单机容量时，应该充分考虑电站在枯水期时、小流量时的水资源的充分、合理利用，在设计时确定装设一台小机组，单机容量0.5MW，在电站最小引用流量

0.5m3/s时，出力0.2MW。

电站2台大机单机容量为0.9MW。

5.2 水轮机额定水头的确定

本工程水能计算的加权平均水头43.90m。一般情况下，水轮机的额定水头按Hr=（0.9~1.0）Hp进行确定，则Hr=39.51m~43.90m。通过水头-流量-装机容量关系表进行分析，这种确定方式是不可行的。原因在于：对于单机来说，在1台机单独运行或2台机同时运行时，或都可发满出力；但在全部机组运行时，由于水头和流量的不匹配，在满足发满出力的流量时，水头不足；在满足发满出力的水头时，流量不足，都是无法发满出力的。

因此，额定水头必须适当降低，接近或等于最低水头。通过计算分析，确定大机的额定水头为37.0m，小机的额定水头为38.0m。在水头37.0m情况下，大机单机出力900kW，小机出力500kW，电站满出力运行，此时电站引用流量7.76 m3/s。水轮机参数见“表-3光明二期电站机组参数表”。

表-3 光明二期电站机组参数表

需要说明的是：

①小机额定水头稍高的原因在于其多在较高水头下运行，在保证电站在设计水头时发满出力的情况下，尽可能提高小机额定水头，以使其具有较好的综合效率。

②不可否认，对于小机本身，相对于其单独运行时的水头来说，额定水头

38.0m还是偏低的。这是由于电站无调节能力，引用流量变幅大引起的。对于单机容量相同的电站，这种情况不会存在。