李 阳

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 电站概况

玉龙喀什水利枢纽工程位于新疆和田，其建设任务为：在保证向塔里木河下泄生态水量目标的前提下，通过与乌鲁瓦提水利枢纽联合调度，以调控生态输水、灌溉补水为主，结合防洪，兼顾发电等综合利用。水库总库容5.39亿m3，正常蓄水位2 170 m，电站装机容量200 MW，为Ⅱ等大(2)型工程。电站建成后可向南疆四地州输送5.20亿kW·h的电量。

2 电站基本参数

(1)电站动能指标

装机容量200 MW，多年平均年发电量5.20亿kW·h，年利用小时数2 600 h。

(2)尾水位

校核洪水位1 977.07 m，设计洪水位1 976.48 m，正常尾水位1 966.07 m，设计尾水位1 962.56 m。

(3)水轮机工作水头

最大水头207.10 m，最小水头109.13 m，全年加权平均水头161.20 m，汛期加权平均水头154.20 m，非汛期加权平均水头177.40 m。

3 额定水头选择

水轮机额定水头是指机组发出额定出力的最小水头。

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。水轮机最优效率区的工作区域应既满足蓄水期在较高水头下稳定运行和多发电量的要求，又兼顾汛期在较低水头下能靠近无空化或低空化区运行，以减轻磨蚀损坏。

本电站全年加权平均水头161.2 m，汛期加权平均水头154.2 m，非汛期加权平均水头177.4 m。水轮机最大工作水头与最小工作水头之间差距约100 m，Hmax/Hmin=1.91，水头变幅很大。根据本工程调度运行方式,电站建成后将按“电调服从水调”模式运行。

一般来说，对于水头变幅较大的电站，额定水头越低，在高水头区域运行时越不稳定，容易导致机组产生高频振动；额定水头越高，在低水头区域出力受阻就越严重。因此，选择合理的水轮机额定水头尤为重要。

为确定机组额定水头，对规划专业提供的长系列月平均及汛期旬平均水头、流量数据，按全年、非汛期、汛期及汛期分旬平均水头、流量分布进行了统计(见表1、表2)。

表1 各统计时段流量、水头极值

表2 各时段水头统计

从表2可以看出，非汛期月均水头在高水头附近出现概率较高，水头在190 m及以上出现的概率占比已超过35%；汛期月均水头在145～165 m之间出现的概率占比也超过30%。

考虑本电站机组在非汛期运行时长约为8个月，此时段机组多数时间运行在较高水头，且流量最大值不超过36 m3/s。因此，机组额定水头的选择应在保证机组长期稳定运行的前提下充分提高发电效益，故额定水头不宜过低。

同时，根据本工程调度运行方式、年内流量分布特点及表2的统计成果可以看出，汛期流量充沛但机组月均水头及分旬水头均较非汛期有大幅降低。从充分利用汛期的水量及水能资源，减少机组在低水头运行时的出力受阻和气蚀，避免机组在高水头运行时诱发振动的角度而言，机组额定水头的选择也不宜过高。

经多次试算发现，如将额定水头靠近汛期运行水头选取，非汛期运行时有较大可能导致高水头振动；而将额定水头靠近非汛期运行水头选取，汛期运行时必然导致出力受阻及空蚀加剧。由于该矛盾不可调和，故机组额定水头的确定十分困难。

为确定机组额定水头，向国内数家水轮发电机组生产制造商及科研院所进行了咨询。咨询结果表明，各咨询单位均无可适应玉龙枢纽水头变幅及运行方式的转轮，多数咨询单位建议水轮机采用下拆方案；即配备2个不同额定水头的水轮机转轮(汛期低水头转轮，非汛期高水头转轮)以适应机组不同时期的运行要求。另有部分咨询单位建议针对玉龙水利枢纽工程的实际工况进行转轮模型专项研发。考虑模型转轮研发周期长、费用高，研发成果是否符合预期尚不明确，本阶段初定机组采用下拆方案，通过更换不同额定水头的转轮及相应附件以适应本工程特点。同时，考虑非汛期最大流量不超过36 m3/s的限制，采用下拆方案的机组容量只需满足非汛期过流要求即可，其余机组额定水头的选择应在满足汛期大流量、偏低水头运行要求的前提下，尽可能多发电以提高电站的经济效益。

3.1 汛期低水头转轮额定水头的选择

为确定汛期转轮的额定水头，对表2中的汛期月均及汛期分旬水头统计成果进行整理后如下所示(见表3)。

表3 汛期水头统计成果整理

从表3可以看出，在不考虑流量限制及机组运行工况的前提下，机组的额定水头越低，实际运行水头高于机组汛期额定水头的概率就越高。根据本工程实际情况，考虑汛期机组应尽可能多140 m出力，结合表3统计成果，初拟汛期额定水头方案如下所示(见表4)。

表4 初拟汛期额定水头方案

3.2 非汛期高水头转轮额定水头的选择

为确定非汛期转轮的额定水头，对表2中的非汛期月均水头统计成果进行整理后如下所示(见表5)。

表5 非汛期水头统计成果整理

从表5可以看出，非汛期实际运行水头较汛期有较大提高。考虑电站机组在非汛期运行时长约为8个月，此时段内机组运行水头较高，且该时段流量最大值不超过36 m3/s，非汛期额定水头的选择应在保证机组长期稳定运行的前提下充分提高发电效益，结合表5统计成果，初拟非汛期额定水头方案如下所示(见表6)。

表6 初拟非汛期额定水头方案

3.3 不同额定水头的组合方式

为保证机组无论汛期还是非汛期，多数时间均能够发足出力，根据表4和表6，按汛期及非汛期满发概率基本相同的原则，初拟了以下5个额定水头组合方案进行技术经济比选(见表7、表8)。为便于比较，额定水头技术经济比选时装机方案统一按2×30 MW+2×70 MW考虑。

表7 初拟额定水头组合方案

表8 不同额定水头比较

从表8可知，各方案水轮机转轮直径相差不大，机组制造与运输难度系数相当。随着额定水头的提高，转轮尺寸减小、重量减轻，静态总投资及多年平均发电量均随额定水头的提高而减少。

从水轮机运行范围而言，提高额定水头会使真机的运行区域在水轮机模型综合特性曲线向上移动，减小运行区与振动区的交叉范围，达到降低振动影响的目的。同时，由于玉龙枢纽年内来流量多在汛期，此时机组运行水头较低，为有效增加汛期发电量，额定水头也不宜过高。

对于本工程而言，汛期及非汛期的额定水头越低，满发概率越高；但考虑本工程水头变幅极大，在流量充沛的前提下，只需保证多数时间机组能够发足出力即可。方案一和方案二的满发概率分别约为80%和75%，略偏高；方案四和方案五的满发概率分别约为55%和45%，略偏低；方案三的满发概率约为65%，较为合适。

经综合分析比较，本阶段初定水轮机汛期额定水头为140 m，非汛期额定水头为170 m。

4 结 语

玉龙喀什水利枢纽工程的建设，是确保玉龙河生态供水的需要，是玉龙河流域防洪减灾、促进地区经济社会发展的需要。通过参数计算分析和比选，确定水轮机额定水头，对今后工程的实施建设具有一定指导作用。

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