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電站額定水頭是水輪機發出額定功率所需要的最小水頭。對于單級混流可逆式水泵水輪機組，由于自身的特點，額定水頭選擇與常規電站有較大的區別，不僅僅是考慮電站設計保證率問題。單級混流可逆式水泵水輪機組額定水頭的選擇要從有利于機組運行、電力系統對電站運行方式的要求、水庫運行方式及綜合利用要求、電站的經濟性等因素綜合考慮確定。

1從電站實際運行情況考慮額定水頭1.1根據電站能量指標確定額定水頭

在電力系統中，為滿足供電質量的要求，電量必須是平衡的。這也就要求有一部分機組必須擔任調峰任務，至使這些機組的利用小時數只能達到1000～2000h。根據胡振鵬等同志以JX電網為例，分析不同裝機利用小時與上網電價關系可以說明，當日利用小時小于6.5h時，抽水蓄能機組上網電價才比燃煤火電低，日本的池田洋一先生在對抽水蓄能電站、燃汽輪機組電站與燃煤火電站等的運行成本與裝機利用小時數進行分析后，也得出同樣的規律。從經濟角度講，蓄能電站的運行時間不可能很長，主要擔任峰荷。根據國外蓄能電站的運行經驗來看，蓄能電站主要是以事故備用、調峰、填谷為主，一般情況下，電站實際的年利用小時數在800～1000h左右，有的甚至會更低。蓄能電站實際運行小時數遠達不到設計值，國內投產的電站也是如此。如廣蓄一期設計利用小時數為1983h，而實際利用小時數僅有1000h左右，十三陵抽水蓄能電站設計利用小時數為1558h，而實際利用小時數僅有900h。在單級混流可逆式水泵水輪機組額定水頭方案選擇時，可以以在上水庫滿庫條件下，機組滿負荷發電3h容量不受阻為原則確定額定水頭，作為比較方案之一。

1.2根據水庫運行方式確定額定水頭

在抽水電量有保證的前提下，電站出力的保證主要取決于電站水頭的變化狀況。機組的額定水頭如能接近或等于電站最小水頭，在機組位于低水頭范圍內能夠安全穩定運行的條件下，電站保證出力為機組額定功率。對于單機混流可逆式水泵水輪機組，由于其本身特點，額定水頭往往比最小水頭高，在進行額定水頭選擇時，應根據電站所在電網水電比重、電站在電力系統的作用，以及電站運行方式和庫容條件等，綜合確定電站的額定水頭。

從我國已投入運行的十三陵抽水蓄能電站、廣州抽水蓄能電站、天荒坪抽水蓄能電主站運行情況分析，上水庫降至死水位的機率是很小的。從十三陵抽水蓄能電站99年4月至2000年6月上水庫運行水位統計，上水庫無一天降至死水位，最低水位降至533.3m，距死水位531m還有2.3m，上水庫運行水位在平均水位548.5m以上的天數占統計總天數的79.7%。在進行單級混流可逆式水泵水輪機組額定水頭選擇時，可把上水庫平均水位對應的水頭作為一個比較方案。

2從有利于機組運行方面選擇額定水頭

單級混流式水泵水輪機組，是以水泵工況為主進行設計的，由于水泵與水輪機工況共用一個轉輪，它們之間存在固定的水力學關系，所以水輪機工況特性關系曲線只能在很小的范圍變化，這樣使水輪機工況的設計受到很大程度的制約，水輪機工況不可能處于最優工作狀態。對于同一個蓄能電站來講，在相同水位條件下，水泵的揚程總是高于水輪機水頭，如果水泵水輪機在相同轉速下運行，水泵工況的最優效率點對應的揚程比水輪機工況最優效率點對應的水頭要低，水泵水輪機設計希望能縮小兩者差距，以便使水泵和水輪機工況均能處于較好運行狀態。在上、下水庫特征水位確定時，應盡量減少水位的變幅，縮小水泵工況最大揚程與水輪機工況最小水頭差距，使機組在各水頭下都能較好的運行，增大機組運行穩定范圍。

水泵水輪機選型可以以水泵工況為主，水輪機工況來校核，根據水泵工況模型的特性曲線，將水泵工況運行在高效區來確定水泵轉輪直徑D1和轉速n，以D1和n為已知條件，根據水輪機的模型特性曲線來校核水輪機工況最大、設計、最小水頭的效率，進而確定水輪機工況在各水頭對應的出力。如果水輪機額定水頭選取過低，水輪機效率偏低，不能達到額定容量，這時只能通過增大單位流量來解決，在電動－發電機視在功率相等前提下，使水泵工況設計點揚程降低，從而降低水泵的運行效率；如果水輪機工況額定水頭選取過高，雖然可以使水輪機工況具有較高的效率，增加發電量，但在電站運行時，低水頭出現機率很多，受阻容量相對較大，對電網運行不利。所以，額定水頭確定應充分考慮水泵水輪機特點合理選擇。

對于單級混流可逆式水泵水輪機組來講，首先應滿足穩定的運行。單機混流可逆式水泵水輪機組運行穩定性可分為水泵工況和水輪機工況。額定水頭的選擇主要是對水輪機工況穩定運行影響較大，機組運行中壓力脈動和尾水管渦帶均是考察機組水輪機工況運行穩定性重要指標，機組額定水頭提高可以改善水輪機工況滿負荷運行時機組壓力脈動和減小尾水管渦帶。但額定水頭選擇過高，受阻容量較大，對電站經濟運行不利。根據以往工程經驗，機組額定水頭可以采用下式進行計算：

Hr=H毛min＋k(H毛max－H毛min)－△H

式中：

Hr－電站額定發電水頭；

H毛max－電站最大毛水頭；

H毛min－電站最小毛水頭；

△H－發電工況水頭損失；

k－系數。

上式中，只有k為不確定因素，通過圖1對國內外一些大型抽水蓄能電站進行統計分析結果可以看出，我國設計抽水蓄能電站k值一般在0.2～0.5，而日本電站對機組穩定運行因素考慮的更多些，K一般在0.5～0.9之間。

3從經濟性方面考慮機組額定水頭

額定水頭高，發電效率也高，發電量也比較大，機組引用流量也較小，從而可使土建工程投資有所減少，但機組容量受阻的可能性增大，有可能使機組的容量效益受到損失，反之亦然。這就存在經濟比較問題。從電網對電站要求、水庫運行特性和有利于機組運行方面綜合考慮，按上述方法，確定幾個有代表性的額定水頭方案，根據電站水庫的庫容特性、機組特性曲線、電力系統調峰出力要求以及水庫的綜合利用要求等，計算豐、平、枯水年份不同額定水頭方案的電量、受阻容量等指標，同時根據各額定水頭對應的額定流量，確定各方案土建工程量和水頭損失。受阻的容量和電量通過調峰火電替代，替代火電裝機容量采用彌補峰荷電量所需容量與彌補出力受阻所需電量所需容量的最大值，根據各方案替代火電容量和土建工程量即可確定各方案的經濟指標，從而達到經濟比較的目的。

4結論

單級混流可逆式水泵水輪機組額定水頭選擇要綜合考慮機組運行條件、電力系統對電站的要求、電站正常運行的水頭范圍、電站的經濟性等因素。抽水蓄能電站在電網中的主要作用是調峰、調頻、調相及事故備用，在為系統節省燃料費用的同時，也提高了供電質量，在某種程度上講，電站運行的穩定性、可靠性更為重要。根據單級混流可逆式水泵水輪機組特性、水庫運行特點、電力系統調峰要求等，在電站的經濟性允許的前提下，應盡量選用較高的額定水頭，以便使機組高效、穩定的運行。

參考資料：

《抽水蓄能電站》陸佑楣潘家錚主編水利電力出版社