楊永建，楊尚宇

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

蘇阿皮蒂(Souapiti)水電站位于西非幾內(nèi)亞孔庫(kù)雷(Konkoure)河中游，壩址距首都科納克里135 km。電站下游6 km處為裝機(jī)235 MW已投產(chǎn)運(yùn)行的凱樂(lè)塔(Kaleta)水電站，上游100 km為已建的75 MW格拉菲里(Garifiri)水電站。蘇阿皮蒂水電站是目前孔庫(kù)雷河梯級(jí)開發(fā)的第2級(jí)電站，建成后與下游凱樂(lè)塔電站聯(lián)合調(diào)度，可極大提高幾內(nèi)亞供電的可靠性。電站正常蓄水位210 m，死水位185 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容39.4億m3，裝機(jī)容量450 MW，多年平均發(fā)電量20.16億kW·h，工程于2016年開工，計(jì)劃2020年9月首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。

1 蘇阿皮蒂水電站額定水頭選擇

1.1 額定水頭概述

水電站額定水頭是水輪機(jī)組額定容量時(shí)相應(yīng)的最小水頭，也稱臨界水頭或計(jì)算水頭。它在水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線上表現(xiàn)為水輪機(jī)出力限制線與發(fā)電機(jī)出力限制線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的水頭，是水電站最重要的特征水頭，一般其取值范圍介于電站加權(quán)平均水頭和最小水頭之間。主要有以下幾方面：①額定水頭趨近最小水頭可以使電站的水輪機(jī)組最大限度不受阻，使水電站的受阻容量最小。②額定水頭接近加權(quán)平均水頭，可以使電站效率發(fā)揮最大。③電站受阻容量過(guò)大，則系統(tǒng)的有效容量降低，會(huì)影響系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，同時(shí)需要新建電站或增加其他電站的容量，需要付出一定的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。

1.2 額定水頭選擇的范圍

電站正常蓄水位210 m，死水位185 m，電站最大工作水頭發(fā)生在上游水位為正常蓄水位，以小流量發(fā)電的時(shí)刻，為99.85 m；最小工作水頭發(fā)生在上游水位為死水位，以滿裝機(jī)發(fā)電時(shí)刻，為72.56 m。長(zhǎng)系列(1948～1999年)計(jì)算中電站最大月平均水頭為98.9 m，發(fā)生在11月份，最小月平均水頭為74.9 m，發(fā)生在6月份，算術(shù)平均水頭91.5 m，電能加權(quán)平均水頭92.19 m。水頭保證率曲線見表1和圖1所示。

表1 蘇阿皮蒂水電站水頭保證率表

圖1 蘇阿皮蒂水電站水頭保證率曲線

根據(jù)電站水頭范圍和單機(jī)容量，經(jīng)對(duì)適合該水頭段的各型轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了分析比較，采用混流式水輪機(jī)為代表機(jī)型進(jìn)行參數(shù)選擇，型號(hào)為HL(239)-LJ-395，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF112.5-32/8520。

根據(jù)電站單機(jī)容量、水頭特性和水輪機(jī)模型特性資料，擬定額定水頭85、87、89 m三個(gè)方案進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

1.3 額定水頭選擇

根據(jù)不同額定水頭方案的額定效率、出力限制線計(jì)算相應(yīng)能量指標(biāo)。不同額定水頭技術(shù)指標(biāo)比較見表2。

根據(jù)蘇阿皮蒂電站運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線和電站出力特性，較高的額定水頭出力受阻時(shí)段增加，年發(fā)電量比低方案有所減小，但變化均不大。

從電站穩(wěn)定運(yùn)行分析，各方案最大水頭與最小水頭之比均為1.38，方案3的最大水頭與額定水頭之比為1.175，另兩個(gè)方案的比值小于1.15，根據(jù)國(guó)內(nèi)外高水頭混流式機(jī)組制造運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)結(jié)合已建電站的設(shè)計(jì)資料(見表3)，當(dāng)水輪機(jī)的水頭比Hmax/Hmin≤1.5，Hmax/Hr≤1.15，其水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性都比較好，方案1和方案2水輪機(jī)運(yùn)行比方案3更穩(wěn)定。

表2 蘇阿皮蒂水電站機(jī)組額定水頭方案比較表

從額定水頭保證率方面分析，額定水頭從89 m降至87 m，機(jī)組轉(zhuǎn)輪直徑從3.90 m增加到3.95 m，增加很小，而機(jī)組出力受阻天數(shù)相應(yīng)減少，從而使?jié)M裝機(jī)發(fā)電的時(shí)段數(shù)增加，水頭保證率從68.5%提高到77.5%，方案2較優(yōu)。

綜上所述，結(jié)合電站能量指標(biāo)、受阻情況和有利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行等因素考慮，推薦采用方案2，即蘇阿皮蒂電站機(jī)組額定水頭為87 m，單機(jī)引用流量143.7 m3/s，電站引用流量574.8 m3/s。

表3 與蘇阿皮蒂水電站水頭相近電站統(tǒng)計(jì)資料表 m

2 結(jié) 語(yǔ)

水電站額定水頭的選擇是一個(gè)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等綜合性問(wèn)題，若額定水頭較高，當(dāng)水庫(kù)水位較低或電站汛期出現(xiàn)大流量、下游水位大幅度抬高時(shí)，都將使水頭大幅度減小，造成較大的受阻容量；若額定水頭較低，除了存在機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定問(wèn)題外，在水輪發(fā)電機(jī)組額定容量不變時(shí)，需加大水輪機(jī)直徑或相應(yīng)降低機(jī)組轉(zhuǎn)速，從而增加水電站的投資。因此，最佳的額定水頭必須滿足穩(wěn)定的前提，通過(guò)方案投資和電量經(jīng)濟(jì)比較，分析水輪機(jī)預(yù)想出力降低對(duì)電力系統(tǒng)平衡的影響，綜合分析確定。