水力发电中的水头优化方案

水电站水头H 是决定水电站出力的基本要素之一。水电站的上、下游水位之差，称为水电站的静水头，静水头减去水电站的水头损失，即为作用在水轮机上的工作水头，或称净水头H，即

式中 H——水电站的净水头，即作用在水轮机上的工作水头，m；

Z上、Z下——水电站的上游水位和下游水位，m；

∑Δh——水电站的水头损失，m，包括水流从上游进至水轮机的水头损失和由水轮机返回下游的水头损失两部分。

若水电站采用冲击式水轮机，则

式中 hf——射流中心位置高出下游水位的高度，m。

水电站的水头损失∑Δh与水电站引用流量Q 的平方成正比例，可用水力学公式计算。但为了简化计算工作，在水能计算中，常取为某一定值。对于中、高水头的水电站，当水头损失的相对值很小时，也可略去不计。

由于水电站的上、下游水位和水头损失是经常变化的，故净水头也是变化的。在计算动能指标和水轮机选择时，需要确定下列各种工作水头的数值。

（一）水电站的平均水头

平均水头是计算水电站出力和发电量的重要数据，某一计算时段的平均水头应由该时段的平均出力和通过水轮机的平均流量来确定。对于不同型式的水电站，其计算方法也略有不同。

1.坝式水电站的平均水头

坝式水电站的平均水头，可按下式计算

式中——上游平均水位，m；

——下游平均水位，m；

∑Δh——通过设计流量时水电站引水系统的水头损失，m 。

坝式水电站的上游水位在死水位与正常蓄水位之间变化，进行水能计算时一般以平均水位作为依据。确定上游平均水位的方法，有以下几种：

（1）水位均值法。当水库水位与库容的关系曲线近似为一次直线时，可近似地按时段初和时段末水库水位的平均值，计算上游平均水位，即

式中 Z1、Z2——计算时段初和时段末的水库水位，m。

也就是说，水电站在某一时段的上游平均水位，等于该时段内高低水位的平均值。

（2）平均库容法。正常蓄水位与死水位之间的库容称为兴利库容或有效库容。本法是在库容曲线上，取有效库容之半所对应的水位作为蓄水期或供水期的上游平均水位。

同理，水电站在某一时段的上游平均水位，可取时段初、末库容的差值之半所对应的库水位，作为该时段的上游平均水位。

（3）算术平均法。将水库调节后历年各月（或旬）的水库上游水位累计，再除以总月（旬）数，即得水库上游平均水位。

上述三种方法，以水位均值法最为简便，但较粗略，因为它没有考虑水库上大下小的特性，故所求数值偏低，可用于小型水电站设计中。通常多采用平均库容法。

水电站下游水位是指紧靠厂房的下游河道或尾水渠断面处的水位。在稳定河道中，可根据计算情况的平均下泄流量，由下游水位流量关系曲线上直接查得。

2.引水式和混合式水电站的平均水头(www.xing528.com)

引水式和混合式水电站的平均水头，仍用式（8-4）计算。

引水式水电站上游平均水位为压力前池中正常水位与最低水位的平均值。当前池水位变化不大时，一般可近似地以正常水位作为上游平均水位。混合式水电站上游平均水位为水库的平均水位，其确定方法与坝式水电站相同。

下游水位的计算方法，随水轮机型式的不同而不同。对于反击式水轮机，为尾水渠中的水位，其计算方法同坝式。对于冲击式水轮机，下游水位应采用喷嘴出口中心的高程。

∑Δh应采用计算时段中水电站通过平均流量时的水头损失，可应用水力学方法求得。确定了以上各值，即可应用公式（8-4）求出水电站的平均水头。

3.算术平均水头和加权平均水头

用公式（8-4）计算水电站平均水头时，没有考虑出力和水头的变化情况，初步规划时可以采用。当选择水轮机时，应采用算术平均水头或加权平均水头。

（1）算术平均水头。将水库调节后的历年各月 （或旬）平均水头累计，再除以总月（旬）数n，即得算术平均水头。

（2）电能加权平均水头。以水库调节后的历年各月（或旬）平均出力乘以相应的水头后进行累计，再除以总出力，即得电能加权平均水头，即

（二）水电站的最大水头

最大水头是水电站正常工作期间达到的最大水头值，以表明正常运行的上限值。最大水头H最大取决于水电站正常工作期间的上游最高水位Z上max和相应的下游最低水位Z下min，即

对于坝式和混合式水电站，正常工作期间的上游最高水位即为正常蓄水位。下游最低水位与运行情况有关，应根据水电站可能出现的最低负荷及其他用水部门的特点加以确定。当缺少负荷资料时且机组台数为2～4台时，可按1台机组运行时的下泄流量，确定下游最低水位。当下游有用水要求时，下泄流量不能小于下游需要的最小流量。

引水式水电站的上游最高水位可采用前池的正常水位，其下游最低水位的确定方法与坝式水电站相同。

（三）水电站的最小水头

最小水头是水电站正常运行范围内达到的水头最小值，用来表明水电站运行水头的下限值。最小水头是水轮机可在效率允许降低情况下运行的最低水头。根据径流调节特性及由此而产生的上、下游水位变化，最小水头H最小取决于上游最低水位Z上min与相应的下游最高水位Z下max，即

对于坝式和混合式水电站，上游最低水位即为水库死水位，相应的下游最高水位，应按该时可能投入运行的机组下泄流量加上其他用水部门在此期间的下泄流量确定。此种情况一般发生在枯水期末水库放空的时候。

对于引水式水电站，由于前池水位变化不大，故上游最低水位一般仍采用正常水位，下游最高水位与坝式水电站相同。水头损失则按通过相应的设计流量加以确定。

应当注意的是，对于低水头水电站（如河床式水电站），其最小水头可能发生在洪水期水库下泄设计洪水流量因而下游水位为最高时。

计算出最大和最小水头后，有时也可采用其平均值作为水电站的平均水头，即

（四）水电站的设计水头

设计水头是保证水轮发电机组在额定功率因数cosφ时发出额定出力的最小水头，它是水轮机的主要参数之一。当水轮机参数确定后，如实际水头小于设计水头，即使有足够的流量，也不能使机组达到额定出力。在作初步设计时，设计水头与加权平均水头的比值，可采用下列数据：

河床式水电站：H设计∶H平均≈0.9

坝式水电站：H设计∶H平均≈0.9～0.95

引水式水电站：H设计∶H平均≈0.95～1.0