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抽水蓄能電站額定水頭的確定直接關系到電站運行的穩定性和經濟性，而它的選擇與常規電站水輪機額定水頭的確定既有相似之處、又有不同之處因此，充分考慮各方面的制約因素，正確擬定比選方案，全方位進行比選對于額定水頭的選擇至關重要。我國設計規范對額定水頭的選取作了如下原則性的規定：“抽水蓄能機組額定水頭、額定揚程選擇應根據上、下庫水位變幅、水頭損失及電站運行方式分析確定”。水輪機的轉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，為保證發出額定出力，導葉開度相對較大，使水輪機工況遠離最優區運行，效率顯著下降。
抽水蓄能電站的水泵水輪機既要作水輪機運行、又要作水泵運行，由于水道系統和機組本身流道引起一定的水頭損失，使得水泵工況下水泵揚程必然大于上下庫的靜水位差，而發電時水輪機發電水頭小于靜水位差，這樣，單轉速水泵水輪機不可能同時滿足兩種工況的最優轉速條件。由于水泵工況無法通過控制導水葉開度來調節流量和輸入功率，水泵的高效區較窄，所以總是先以水泵工況為主進行水泵水輪機的水力設計，再用水輪機工況校核。由于水泵水輪機特性和引水系統水力損失的原因，造成水輪機工況總是偏離最優效率區運行，即處于最優效率區以下的運行水頭范圍。一般來說，水泵水輪機的額定水頭選得越高，水輪機工況的高出力運行范圍就越靠近最優效率區，也就越有利于機組參數的優化和穩定性的提高。一般情況下，抽水蓄能機組的發電水頭可按滿發額定容量時最小的上、下水庫水位差減去相應的水頭損失確定。從電站運行效益來看，抽水蓄能電站以提供調峰容量效益為主。因此，額定水頭的選擇應在經濟合理的前提下，盡可能減少電站的受阻容量。
以某蓄能站為例，根據制造廠提供的轉輪特性曲線分析，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，各個水頭下的最優效率點向小出力方向偏移，也就是機組發出部分出力時效率相對有所提高。另一方面，機組穩定性問題的發生，大多數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，越是偏離最優設計工況，機組壓力脈動幅值越大。當機組的額定水頭提高時，機組在額定點發出額定出力時導葉開度相對較小，轉輪出口水流分布均勻，在最優單位轉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工況水頭偏低，水輪機的單位轉速比最優單位轉速大，此時轉輪出口有正的速度矩，產生尾水渦帶。當水輪機在低水頭工況運行時，導葉開度進一步減小，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單位轉速方向偏移，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。所以從機組運行穩定性看，在一定范圍內提高額定水頭對機組運行穩定性有好處。
合理地選擇水泵水輪機水輪機工況額定水頭，應根據電站的水頭特性，以加權平均水頭為基礎，從保證機組穩定運行出發，擬定不同方案，分析計算電站預想出力降低對電力系統的影響及機組參數的變化對電站投資的影響，通過技術經濟比較后確定。因此，水泵水輪機水輪機工況額定水頭的選擇，是一項涉及到多個方面的綜合性工作，一般來講，需要考慮以下幾方面的內容：電站的運行方式、在系統中的作用和電力系統對機組運行性能的要求；在電站正常運行范圍內，水泵水輪機要有較高的綜合效率；水泵水輪機的水力設計合理，水輪機工況和水泵工況參數能合理匹配；水輪機工況在低水頭和部分負荷條件下應能夠穩定運行，并能穩定地并入電網；在一個工作周期內，發電工況和抽水工況基本上達到水量平衡。
從收集到的其他國家電站資料來看，額定水頭一般多在算術平均水頭附近。國內外抽水蓄能電站最高水頭與額定水頭的比值一般小于等于1．1。根據對國外102座抽水蓄能電站的統計，有66座抽水蓄能電站的額定水頭高于算數平均水頭，17座抽水蓄能電站額定水頭與算數平均水頭相同，19座抽水蓄能電站額定水頭低于算數平均水頭。而低于算數平均水頭的抽水蓄能電站都是水頭變幅較小的。從機組運行穩定性考慮，對于水頭變幅較大的抽水蓄能電站，額定水頭不宜小于算術平均水頭；對于水頭變幅較小的抽水蓄能電站，額定水頭可略低于加權平均水頭和算術平均水頭。從機組運行效率角度考慮，額定水頭越高，加權平均效率越高。從經濟性分析，隨著額定水頭的抬高，主要水機設備投資減少。
綜上所述，從電站機組運行穩定性、容量效益、經濟性等方面綜合分析，確定抽水蓄能電站額定水頭。
原文標題:抽水蓄能電站額定水頭的選取
