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
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 m2.2 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 m2.3 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/s3 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。
径流式水电站
径流式水电站作者：佚名转贴自：电力安全论坛点击数：132 更新时间：2008—8-14 基本不调节径流，按来水流量发电的水电站。
当来水流量大于电站水轮机过水能力时，水电站满出力运行，多余的水量不通过机组发电，直接经泄水道泄向下游，称为弃水；当来水较少时,全部来水通过机组发电，但有部分装机容量因缺水而未被利用。
水电站这种运行方式称为径流发电。
与径流式水电站相对应的是调节式水电站,其运行方式是用水库调节径流，据用电要求发电：来水多于需要时,水库蓄水；不足时,水库补水。
调节式水电站包括有多年调节、年(季)调节、周调节、日调节等水电站(见径流调节)。
其中日调节水电站一般只在枯水季进行日调节,在汛期常采用径流发电方式，所以有人认为日调节水电站也属径流式水电站。
径流式水电站中有高水头或低水头的引水式水电站，也有低水头的坝式水电站。
径流式水电站之所以不调节径流有两方面原因：①水库不具备相应的调节库容，没有能力调节.②虽有一定库容，但受综合利用要求制约而不调节径流。
如建在中国长江上的葛洲坝水利枢纽，其水库总库容15.8亿m3，在枯水期本可进行日调节，但为适应下游航运要求而不调节径流.当上游三峡水利枢纽建成运行后，葛洲坝将不再作径流发电运行而承担反调节任务，即把三峡水利枢纽因调峰运行而放出的24h不均匀流量反调节成均匀流量出库以适应下游航运要求.径流式水电站在24h内一般均匀发电，但当电力系统调峰能力不足时也可不均匀发电,即在负荷高峰时利用全部流量发电或机组满出力运行；在负荷低谷时相对减少发电出力,致使部分流量不通过机组发电而弃水出库。
这种运行方式称为弃水调峰，由于弃水而未被利用的电量称为强迫弃水电量。
径流式水电站运行特点：①24h内出力基本不变,适宜担负电力系统的基底负荷.②年内备月电量变化大,枯水期电量明显少于汛期,为此使系统内火电站或其他电站要在汛期少发电,枯水期多发电,降低系统电源装机容量利用率。
③弃水多，径流式水电站的水量利用系数一般较低,当上游有调节水库时,弃水会不同程度地减少.④坝式低水头径流式水电站的机组在汛期常因下游水位升高而发不足额定出力（见水电站设计水头)，甚至不能发电什么是压力水头在流体力学中，根据伯努力方程:总水头＝Z+P/ρg+u^2/2g=Z+P/ρg+u^2/2g＋[hw]［hw]是水头损失,z是水流高程（自定基点)u是流速，p是水流的压强。
DLT 5186—2004 水力发电厂机电设计规范 条文说明
DLT 5186—2004 水力发电厂机电设计规范条文说明中华人民共和国电力行业标准PDL/T5186-2004条文讲明中国电力出版社水力发电厂机电设计规范主编部门：水电水利规划设计总院批准部门：中华人民共和国国家经济贸易委员会2004 北京目次1 范畴52 引用标准53 总则54 水力机械54.1 水轮机选择 54.2 进水阀214.3 调速系统及调剂保证244.4 主厂房起重机304.5 技术供、排水系统及消防给水32 4.6 压缩空气系统414.7 油系统464.8 水力监测系统485. 电气515.1 水电厂接入电力系统515.2 电气主接线 565.3 水轮发电机/发电电动机74 5.4 主变压器815.5 高压配电装置875.6 厂用电及厂坝区供电925.7 过电压爱护和接地装置1015.8 照明 1065.9 电缆选型与敷设1076. 操纵爱护和通信1116.1 总体要求 1116.2 全厂集中监视操纵1156.3 励磁系统 1266.4自动操纵1276.5 运算机监控系统1286.6 继电爱护 1366.7 电测量和电能计量1376.8 二次接线 1376.9 厂用直流及操纵电源1416.10 通信 1457 机电设备布置及对土建和金属结构的要求1477.1 一样要求1477.2 主厂房1507.3 副厂房1537.4 变压器场地 1547.5 高压配电装置布置1587.6 中央操纵室及其它1657.7 直流设备室1717.8 水轮机/水泵水轮机输水系统1727.9 电梯1758 辅助设施1768.1 机械修配厂 1768.2 电气实验室 177附录A 水力机械术语、符号1781 范畴无需讲明。
2 引用标准无需讲明。
3 总则无需讲明。
4 水力机械4.1 水轮机选择4.1.1 水轮机型式及适用水头范畴见表1。
表1 水轮机型式及适用水头范畴混流式30～700 冲击式射流式水斗式300～1700当水电厂的水头段有两种以上机型可供选择时，应从技术特性（D1、nr、t、Hs）、经济指标（机组设备及起重设备造价、厂房土建工程量及其估价、多年平均发电量）、运行可靠性（包括水轮机运行的水力稳固性、设备使用的成熟可靠程度），以及设计制造体会、制造难度等方面，经技术经济比较后选定。
金鸡滩水电站参数确定及机型选择
金鸡滩水电站参数确定及机型选择丁榕【摘要】金鸡滩水电站最大水头14.5m,最小水头3.5m,装机容量72MW.选用三台灯泡贯流式机组,单机容量为24MW,额定水头11m,额定转速107r/min.经过近3年的运行,水轮发电机组运行稳定,电能指标达到设计要求.本文简述金鸡滩水电站水轮发电机组机型、机组台数、额定水头、额定转速等主要参数的选择方法.【期刊名称】《水利规划与设计》【年(卷),期】2010(000)004【总页数】3页(P72-74)【关键词】灯泡贯流式机组;机型;参数;金鸡滩水利枢纽【作者】丁榕【作者单位】广西南宁水利电力设计院,南宁,530001【正文语种】中文【中图分类】TV7471 工程概况广西隆安金鸡滩水利枢纽位于右江中下游段,坝址距隆安县城上游约8km,至南宁市96km。
为右江综合利用规划中的第六座梯级,是一座以发电、航运为主,兼有电灌、供水养殖和旅游等综合效益的水利枢纽工程。
金鸡滩坝址多年平均流量为472m3/s,正常蓄水位88.6m,死水位87.6m,水库调节库容为0.148亿m3,装机容量为72MW,厂内安装3台单机容量为24MW的灯泡贯流式机组,工程于2006年3月第一台机组发电,2007年3月全部建成投产。
2 水轮机台数的选择电站装机台数按二、三、四台分别进行论证。
当装机四台时,虽然调节特性较为灵活,但厂房长度较长,受枢纽坝址地形的限制,致使溢流前缘缩短,影响洪水泄流、增加上游淹没,且枢纽布置较困难,若溢流前缘不缩短,则增加开挖量及施工的难度,增加投资。
因此,厂房不宜装机四台;当装机两台时,厂房长度短,有利于枢纽布置,但单机容量大,相对低水头电站,转轮直径大,单机设备贵,制造工艺及安装相对困难,且厂房较宽,厂房土建及机组设备投资与装机三台相当;当装机三台时,机组运行工况较装机两台为优,尤其电站在低出力状况下单机容量小的机型运行稳定,有利于利用枯水期的水能,运行方式较装机两台灵活,且与上游鱼梁水电站 (三台灯泡贯流式机组)运行匹配合理;根据枢纽布置、投资及运行工况综合考虑,确定装机三台,电站装机规模为3×24.0MW,总装机规模为72.0MW。
大中型水电站额定水头选择探讨
头， 考虑到水流经过水工建筑物时产生沿程摩阻损
失与局部损失 ， 从毛水头 中扣除损失后即得 电站净
水头。水 电站常用的特征水头有 以下 ４ 种情况 ：
１ ） 最大 水头 （ 日一 ） ： 最 大水头 为上 、 下 游 水 位 中可 能 同期 出现 的 最 大差值 。一般 上 游 水 位最 高 、
【 摘 要】 水 电站额 定水头是 水轮机 组发额 定容 量 时相 应的最 小水头 ， 其 选择是 一个技 术、 经济
等综合性 问题 。最佳 的额定水 头必须在 满足 稳定 的前 提 下， 通过 经济技 术综合 比较 ， 分析水轮
机 预 想 出力降低对 电力系统平衡的影 响等综合 分析确定 。文章重点介 绍 了大 中型水电站额 定
称 之 为 计 算 水头 ， 我 国从 前 称 为设 计 水 头 ， 现 统 称 额定水头。 水 电站 水 头 随 着 水 库 上 、 下 游 水 位 的 变化 而
变化。具有调节 能力的水库上游 水位 在正常蓄水
位和死水位之间变化 ， 变化很大 ， 下 游 水 位 一般 变 化 较 小 ，其 水 头随 上 、下 游 水位 的 变 化而 变 化 ， 最
水 头的选择方式 、 方法。
［ 关键词 ］额定水 头； 最 大水 头 ； 最小水 头 【 中图分类号 ］ Ｔ Ｖ ２ １ ４ ［ 文献标识码 】 Ｂ
１ 水 头 概 述
大 中型水 电站水头 （ 或称 落差 ） 是水 电站 上、 下 游 某 断 面 水 位 差 ，是 水 电站 能 量 的两 个 主 要 动 力要 素 之一 。 水 电站 上游 水位 为 水库 水 位 ， 下游 水 位 ～ 般 为水 轮机 尾 水 位 。上 、 下游 水 位 差称 为 毛水
【专业知识】水利水电：江河流域水力发电规划要求
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【专业知识】水利水电：江河流域水力发电规划要求
大于大于大于
1、流域水力发电规划应根据开发流域水能资源的要求，或结合流域其他治理开 发任务拟定河流梯级开发方案，初步拟定枢纽特征水位与水电站装机规模，提出供 电方向，并阐明发电效益。
2、河流（河段）梯级开发方案应根据水力发电在治理开发任务中的主次地位，
节性能的水库梯级，以提高水能开发利用程度。在火电比重大又缺少调峰水电站的 地区，有条件时应对抽水蓄能电站的开发进行研究论证。 在大型灌溉引水渠道上，应研究结合灌溉季节发电的可能性与合理性。 4、规划水电站应根据水库调节性能，合理选择代表年或代表径流系列，计算单 独运用和梯级联合运用时的保证出力和平均年发电量。径流调节计算应考虑其他综 合利用部门用水对发电的影响。
山区径流引水式电站设计
山区径流引水式电站设计1电站装机容量的确定径流式电站设计要按水能最大利用率合理确定电站装机容量，有2种根据：一种是根据多年平均典型年日平均流量设计保证率下的最大工作容量，再加备用容量和季节容量及机组供货情况确定；另一种是以多年月平均流量系列计算的设计流量作为确定电站最终装机容量。
这2种确定电站装机容量的方法，对于并网电站来说，前一种方法，往往会使电站装机容量偏小，导致装机利用小时数偏高，出现弃水过多，使水能利用率降低；后一种方法确定电站装机容量，能提高径流引水式电站水能利用率，特别是可有效地利用汛期弃水电能。
为此，对径流引水并网电站最好采用第2种方法确定电站装机容量。
2合理选择水轮发电机组水轮发电机组是水电站的主要机电设备。
机组选型设计的正确与否，直接关系到电站的造价、出力以及投产后的运行优劣等。
按照以往的情况，对农村小型径流式电站(单机容量小于500kW的电站)，设计者往往只是根据水能计算所提供的电站设计水头及单机引用流量2项参数，在水轮机生产厂家所提供的产品目录上选定水轮机的规格型号，然后按照产品目录上提供的水轮机转速、出力等配套发电机。
用这种方法选定的水轮发电机组，往往会造成电站的投资增大，投产后机组长期处于非高效区运行、偏高设计工况大、机组效率降低、气蚀增大等不良后果。
为了尽量减少上述不利因素的出现，在小型径流式机组选型设计上应重点考虑下列几个方面：1)水轮机机型根据各种机型在不同的工况下，效率及稳定性有较大区别的运行特点，选择适合电站相关条件的机型，有利于提高机组的运行效率和运行的稳定性。
比如，XJ型机组，运行效率较好，但价格较贵；CJ型机组，在枯水期出力小于50％以下，运行仍稳定，无明显气蚀，最高效率可达69％左右；SJ型机组，适应水头10～55m，流量0.5～0.7m3／s，出力22～320kW 的电站，这种机型效率高，即使在10％的流量下，也能充分运转，很适合流量变化大的径流式电站。
电大水利水电 —水电站__课程设计 (本科)
《某小型水电站设计》课程设计学生姓名：学号：专业：水利水电指导教师：第一章内容简介内容摘要本设计为一座引水式径流开发的水电站。
拦河坝的坝型为5.5米高的砌石滚水坝，在河流右岸开挖一条356米长的引水渠道，获得平均静水头57.0米，最小水头50m，最大水头65m。
电站设计引用流量7.2立方米每秒，渠道采用梯形断面，边坡为1：1，底宽3.5米，水深1.8米，纵坡1：2500，糙率0.275，渠内流速按0.755米每秒设计，渠道超高0.5米。
在渠末建一压力前池，按地形和地质条件，将前池布置成略呈曲线形。
池底纵坡为1：10。
通过计算得压力前池有效容积约320立方米。
大约可以满足一台机组启动运行三分钟以上，压力前池内设有工作闸门、拦污栅、沉砂池和溢水堰等。
整个设计根据地形及地质条件和相关资料、规格等要求，进行全面结合考虑，力图合理、科学，有较强的实用性。
关键词：引水式径流水电站设计规划第二章有关设计资料2.1 厂区地形和地质条件水电站厂址及附近经地质工作后，认为山坡坡度约30度左右，下部较缓。
沿山坡为坡积粘土和崩积滚石覆盖，厚度约1.5米。
并夹有风化未透的碎块石，山脚可能较厚，估计深度约2～2.5米。
以下为强风化和半风化石英班岩，厂房基础开挖至设计高程可能有弱风化岩石，作为小型水电站的厂址地质条件还是可以的。
2.2 水电站尾水位厂址一般水位10.0米。
厂址调查洪水痕迹水位18.42米。
2.3 对外交通厂房主要对外交通道为河流右岸的简易公路，然后进入国家主要交通道。
2.4 地震烈度本地区地震烈度为六度，故设计时不考虑地震影响。
第三章 水轮机型号及主要参数选择本水电站的最大水头H max =65m ，，最小水头H min =50m ，平均水头H av =57.0m ；水轮机的装机容量N y =3380kW ，装机台数4台，单机容量N y1=845kW 。
对于引水式电站，设计水头H r =H av =57m 。
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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。
若小机按其单独运行的水头范围或电站加权平均水头确定额定水头，其额定水头会比较高，随之而来的问题是在大机的额定水头与小机的额定水头之间的水头范围内，会发生大机可发满出力而小机由于机组本身过流能力的限制以及效率的下降、出力大幅降低的情况，使电站总无法发满出力。
在两者无法兼顾的情况下，从电站的整体考虑，小机选择较低的额定水头是合适的。
③在装设大、小两种机型的情况下，需要考虑在电站引水流量增大的过程中，大、小机引用流量的衔接，使大机的最小出力接近小机的额定出力，以取得较好的运行工况。
6 结束语
对于具有长距离引水系统的径流式电站，由于流量与水头这两大水力要素互相作用，对工程规模产生了重大影响。
结合实际工程的特点，科学的、充分的技术及经济论证是一个复杂的过程，在设计中需要水工、规划、水机、概算等多个专业的密切合作，以合理确定电站的装机容量及水轮机的额定水头，达到充分利用水资源的目的。
同时，合理的装机容量匹配，注意大小机之间流量的衔接，使电站具备良好的运行工况，是提高水资源利用率的有效方法。