额定水头选择对抽蓄机组运行特性影响

抽水蓄能电站额定水头的确定直接关系到电站运行的稳定性和经济性。常规电站定义的额定水头，是水轮机发满额定出力的最小水头，额定水头一旦确定，转轮直径也就基本确定。抽水蓄能电站额定水头关系到水轮机和水泵两种工况的运行特性。常规水轮机额定水头一般在平均水头以下选择，而抽水蓄能电站的额定水头希望对应到水泵工况偏向小流量方向（即高水头区），以获得较好的运行稳定性。

水轮机的转轮特性首先由水泵工况确定，当机组的模型综合特性曲线确定后，额定水头的提高只是影响水轮机的工作点。在水轮机模型综合特性曲线上可以看出，随着额定水头的提高，水轮机运行范围中从额定水头到最小水头这一工作范围均向最高效率点方向偏移。如额定水头偏低，为保证发出额定出力，导叶开度相对较大，使水轮机工况远离最优区运行，效率显著下降。

以某蓄能站为例，根据制造厂提供的转轮特性曲线分析，当水轮机的额定水头为624m时，最小水头出力为293MW，为机组额定出力的95．87％；额定水头为632m时，最小水头出力为288．8MW，为机组额定出力的94．36％；额定水头为640m时，最小水头出力为281．6MW，为机组额定出力的92％．随着额定水头由624m提高到632m和640m，水轮机额定水头效率分别提高了0．6％，1％，最小水头效率提高了0．6％和0．9％。

由此可以看出，选择更高的额定水头，各个水头下的最优效率点向小出力方向偏移，也就是机组发出部分出力时效率相对有所提高。

另一方面，机组稳定性问题的发生，大多数情况由机组过流部件水流压力脉动而引起，这是水力机械产生振动的重要原因之一。在模型曲线可以看出，越是偏离最优设计工况，机组压力脉动幅值越大。当机组的额定水头提高时，机组在额定点发出额定出力时导叶开度相对较小，转轮出口水流分布均匀，在最优单位转速时水流为法向出口，压力脉动最小。但如果水泵水轮机实际的运行水头比最优工况水头偏低，水轮机的单位转速比最优单位转速大，此时转轮出口有正的速度矩，产生尾水涡带。当水轮机在低水头工况运行时，导叶开度进一步减小，尾水管的压力脉动加大。提高水轮机的额定水头后，水轮机工作点向最优单位转速方向偏移，这可以降低水轮机在最小水头运行时尾水管振动大的危险性。所以从机组运行稳定性看，在一定范围内提高额定水头对机组运行稳定性有好处。

通过对已建成抽水蓄能电站统计，机组水头范围与稳定运行区域有一个范围，如某蓄上水库水位降低至死水位的几率非常小，水位大部分时间在平均水平至正常蓄水位之间变化，提高额定水头引起的容量受阻情况在实际运行中并没有计算那么大。

（1）国内外有多个电站的水轮机，在水头低于一定值时都出现了比较强烈的压力脉动，并限制了运行水头的进一步降低，构成该两电站水轮机运行的低水头下限。这表明有的水轮机有运行水头下限。

（2）有多个国内外电站的情况决定运行水头下限的是水轮机的异常压力脉动。而异常压力脉动是否出现，并不完全是由水轮机的的工况参数（包括运行水头）所决定的。如前所示，一台水轮机是否会出现异常压力脉动，现在仍然是一个不确定，且原型与模型水轮机不相识的因素。因此还不能说，所有的水轮机在低水头的条件下都会出现异常的压力脉动。

（3）异常压力脉动不都是比较强烈的，它所引起的机械振动，也不都是不能允许的，因而，出现这种异常的压力脉动的水头也不一定成为水轮机运行的下限水头，这需要具体的分析。

（4）水轮机流道中的压力脉动测点有多处，各测点测量值反映的情况不完全相同，甚至完全不同，需要分别对它们进行分析和解读。在水轮机流道横断面上，空化系数是压力脉动最重要的影响因素，异常压力脉动对机组振动的影响主要表现在垂直振动上。

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