額定水頭選擇對抽蓄機組運行特性影響

抽水蓄能電站額定水頭的確定直接關(guān)系到電站運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。常規(guī)電站定義的額定水頭，是水輪機發(fā)滿額定出力的最小水頭，額定水頭一旦確定，轉(zhuǎn)輪直徑也就基本確定。抽水蓄能電站額定水頭關(guān)系到水輪機和水泵兩種工況的運行特性。常規(guī)水輪機額定水頭一般在平均水頭以下選擇，而抽水蓄能電站的額定水頭希望對應(yīng)到水泵工況偏向小流量方向（即高水頭區(qū)），以獲得較好的運行穩(wěn)定性。

水輪機的轉(zhuǎn)輪特性首先由水泵工況確定，當機組的模型綜合特性曲線確定后，額定水頭的提高只是影響水輪機的工作點。在水輪機模型綜合特性曲線上可以看出，隨著額定水頭的提高，水輪機運行范圍中從額定水頭到最小水頭這一工作范圍均向最高效率點方向偏移。如額定水頭偏低，為保證發(fā)出額定出力，導(dǎo)葉開度相對較大，使水輪機工況遠離最優(yōu)區(qū)運行，效率顯著下降。

以某蓄能站為例，根據(jù)制造廠提供的轉(zhuǎn)輪特性曲線分析，當水輪機的額定水頭為624m時，最小水頭出力為293MW，為機組額定出力的95．87％；額定水頭為632m時，最小水頭出力為288．8MW，為機組額定出力的94．36％；額定水頭為640m時，最小水頭出力為281．6MW，為機組額定出力的92％．隨著額定水頭由624m提高到632m和640m，水輪機額定水頭效率分別提高了0．6％，1％，最小水頭效率提高了0．6％和0．9％。

由此可以看出，選擇更高的額定水頭，各個水頭下的最優(yōu)效率點向小出力方向偏移，也就是機組發(fā)出部分出力時效率相對有所提高。

另一方面，機組穩(wěn)定性問題的發(fā)生，大多數(shù)情況由機組過流部件水流壓力脈動而引起，這是水力機械產(chǎn)生振動的重要原因之一。在模型曲線可以看出，越是偏離最優(yōu)設(shè)計工況，機組壓力脈動幅值越大。當機組的額定水頭提高時，機組在額定點發(fā)出額定出力時導(dǎo)葉開度相對較小，轉(zhuǎn)輪出口水流分布均勻，在最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速時水流為法向出口，壓力脈動最小。但如果水泵水輪機實際的運行水頭比最優(yōu)工況水頭偏低，水輪機的單位轉(zhuǎn)速比最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速大，此時轉(zhuǎn)輪出口有正的速度矩，產(chǎn)生尾水渦帶。當水輪機在低水頭工況運行時，導(dǎo)葉開度進一步減小，尾水管的壓力脈動加大。提高水輪機的額定水頭后，水輪機工作點向最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速方向偏移，這可以降低水輪機在最小水頭運行時尾水管振動大的危險性。所以從機組運行穩(wěn)定性看，在一定范圍內(nèi)提高額定水頭對機組運行穩(wěn)定性有好處。

通過對已建成抽水蓄能電站統(tǒng)計，機組水頭范圍與穩(wěn)定運行區(qū)域有一個范圍，如某蓄上水庫水位降低至死水位的幾率非常小，水位大部分時間在平均水平至正常蓄水位之間變化，提高額定水頭引起的容量受阻情況在實際運行中并沒有計算那么大。

（1）國內(nèi)外有多個電站的水輪機，在水頭低于一定值時都出現(xiàn)了比較強烈的壓力脈動，并限制了運行水頭的進一步降低，構(gòu)成該兩電站水輪機運行的低水頭下限。這表明有的水輪機有運行水頭下限。

（2）有多個國內(nèi)外電站的情況決定運行水頭下限的是水輪機的異常壓力脈動。而異常壓力脈動是否出現(xiàn)，并不完全是由水輪機的的工況參數(shù)（包括運行水頭）所決定的。如前所示，一臺水輪機是否會出現(xiàn)異常壓力脈動，現(xiàn)在仍然是一個不確定，且原型與模型水輪機不相識的因素。因此還不能說，所有的水輪機在低水頭的條件下都會出現(xiàn)異常的壓力脈動。

（3）異常壓力脈動不都是比較強烈的，它所引起的機械振動，也不都是不能允許的，因而，出現(xiàn)這種異常的壓力脈動的水頭也不一定成為水輪機運行的下限水頭，這需要具體的分析。

（4）水輪機流道中的壓力脈動測點有多處，各測點測量值反映的情況不完全相同，甚至完全不同，需要分別對它們進行分析和解讀。在水輪機流道橫斷面上，空化系數(shù)是壓力脈動最重要的影響因素，異常壓力脈動對機組振動的影響主要表現(xiàn)在垂直振動上。

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