浅论引水式无调节水电站装机容量的确定

1浅论引水式无调节水电站装机容量的确定沈国民（陕西省宁强县水利水电工作队陕西宁强724400）摘要：阐述了农村引水式无调节水电站装机容量的各种计算方法，推荐出最直观、简洁、实用的计算方法，以满足无资料地区农村小型水电站规划设计工作中水能分析计算的需要，提高了规划设计的进度和质量，具有一定的参考和指导作用。关键词：无调节水电站多年平均发电量装机容量年利用小时农村小型水电站工程多分布在山区小流域、小河道上，电站以引水式无调节电站为主，装机容量大多在500～10000kw之间，由于电站所处流域或河道大多无原始的水文资料系列和实测流量观测记录，河道分级流量及其出现的天数很难确定，因而在规划设计阶段，水能计算中诸如设计保证流量、多年平均发电量等动能指标很难准确界定和计算，给电站水能计算工作带来很大困难，影响着整个设计工作的进行。笔者结合无调节水电站的特点，通过实际参加多起小水电规划工作和具体的水电站工程初步设计工作后，对水文资料缺乏区的引水式无调节电站水能计算方法和装机容量的确定方法进行了总结，推荐出简洁、明了而又可行的装机容量确定方法，为电站设计工作的快速开展奠定基础。一、装机容量计算方法的现状及存在问题1、目前通用的几种装机容量计算方法。(1)将水电站的装机容量区分为工作容量、重复容量及备用容量，考虑到设计水电站在电力系统负荷中的工作位置及水电站本身的水文及调节特性，分别确定三部分容量。用公式表示为：N装＝N工＋N备＋N重2计算重复容量的公式为：式中：(h)――重复容量最后增加的一个千瓦在一年内的有利工作小时数；a――水电站所增加的每千瓦容量投资(元)；b――水电站所增加每千瓦容量的年运行费(元)；c――电力系统中火电站上生产一度电的煤耗成本(元)；d――燃料基地的单位投资(元/度)；T――补充投资的抵偿年限。应用本方法时要求有确切的设计负荷图及必要的经济指标，故多用于大中型水电站的设计中。(2)设计保证出力倍比法，用公式表示为：N装＝mN保此处m－待选择的倍比系数，一般建议按水电站在电力系统中的比重及其本身的调节情况来选择；其变化范围为(1.5～5.5)甚至更大。N保――符合设计保证率要求的时段(日)平均出力；目前在小型水电站设计中，设计保证率一般均采用75％～80％，亦有采用50％或大于80％。(3)装机容量年利用小时数法，用公式表示为：N装=E/h此处，E――多年平均年发电量(度)，h――装机容量年有利工作小时数，其选择考虑因素，基本上与前述倍比系数m相同，目前建议的变化范围为(2500～6000)小时，甚至更大。2、上述方法计算中存在的问题和实用性分析3(1)农村小型水电站设计中，负荷资料很难准确统计，一般均难以绘制确切的负荷图。故利用第(1)法按水电站在电力系统中的工作位置分别确定工作容量，备用容量及重复容量甚为困难，采用的不多。(2)上述第二种方法是一次确定总装机容量的简化法，但在选择参数m时缺乏统一标准，目前建议的数字变化范围又较大，认识上很难统一，因此在实际工作中常常是以“行政手段”“领导定案”代替了科学计算以最终确定装机容量，因而装机容量不是定的太低，便是太高。(3)上述第三种方法重点是装机年利用小时数的确定,目前小水电多以上网方式运行，为多发季节性电能，装机年利用小时数一般不要求过高，结合小水电在电力系统中所占的比重，一般在3000～4000小时之间，较容易确定。多年平均发电量可按公式E=A.Q.H.T直接计算，式中A为出力系数，一般取7.0，Q为发电流量（m3/s），H为设计水头（m），T为发电流量持续的时间（小时）。电站所处河流有逐日流量观测记录的，可进行流量分级和排频计算，根据排频流量和流量持续的天数时间进行计算，后进行发电量累计。但农村小型水电站，往往无逐日流量观测记录，按逐日流量分级排频计算，难度很大。为满足规划和初设的精度要求，可根据电站所在河流丰、中、枯三个年份的月平均流量进行计算，大大减少了计算难度。因此，装机年利用小时数法对于农村引水式无调节水电站装机容量的确定较为简洁、准确和实用，也是笔者重点推荐方法。二、装机年利用小时法确定装机容量的具体计算过程1、基础资料的确定基础资料主要包括电站所在河流的流域特性及径流特性。重点要确定出电站取水枢纽以上的河道长度、河道纵比降、控制流域面积和河道枯水期最枯流量，同时还要确定流域内多年平均降雨量、多年平均径流深、年径流系数等主要参数，为电站取水枢纽以上多年平均径流量的计算奠定基础。河道纵比降、最枯流量可通过实4测确定，其他主要参数可通过流域图或1/50000电子地形图和相关的《区内实用水文手册》获取，难度较小。2、基础资料搜集完成后，即可进行电站取水枢纽处多年平均径流量的计算。在规划和初步设计阶段，多年平均径流量的计算可采用多种经验公式进行。多年平均径流量计算后，即可根据《区内实用水文手册》，依据皮尔逊—Ⅲ型曲线计算出丰、中、枯，即20%、50%、75%三个典型年的年径流总量。同时根据《区内实用水文手册》中年径流的月分配比例或降雨量月分配比例，将径流分配至各月，进而计算出月平均流量。值得注意的是，区内有年径流月分配比例的，可将多年平均径流总量按月分配比例直接分配到月，得出月平均流量。无径流月分配比例，而有降雨量月分配比例的，可将多年平均径流总量扣除基流总量（最枯流量产生）后，得出地表降雨产生的径流总量，然后按降雨量月分配比例分配到月，加上月基流总量后，得出月径流总量，进而计算出月平均流量。3、根据计算出的三个年份的月平均流量，即可进行丰、中、枯三个年份的月均发电量计算，累计后形成不同装机规模下的年平均发电量。计算时，可先假定不同的装机容量，用公式N=A.Q.H，式中N为假定的装机容量（KW），Q为发电流量（m3/s）,H为设计水头（m），反算出电站所需的发电流量，月天然来水量大于发电流量的，按假定的装机容量计算发电量，多余流量按弃水处理，小于发电流量的，按月天然来水量计算发电量。发电小时数按月平均小时数计算。4、根据不同装机规模下的丰、中、枯三个年份的年发电量，采用加权平均法，即可计算出不同装机规模下的电站多年平均发电量。可行性研究阶段或初步设计阶段亦可选取设计中水年（50%保证率）进行一个代表年的计算。5、根据计算的不同装机情况下的发电量，即可绘制装机容量～多年平均发电量和装机容量～年利用小时曲线。6、根据既定的装机年利用小时数，即可确定较为合理的电站装机容量。5三、计算实例一、电站工程概况该工程位于嘉陵江右岸一级支流——清河中游，由枢纽挡水坝、857m动力明渠、43m输水隧洞、前池、压力管道及电站厂房等主要建筑物组成。通过1/50000地形图量算出电站坝址以上流域面积173km2。枯水期实测河道最枯流量0.18m3/s。电站设计水头39m。设计保证率80%。宜并入10kv电网运行。二、主要水文参数的确定1、多年平均径流量：多年平均径流量的确定，对于无水文资料地区，可依据坝址以上流域面积、流域内多年平均降雨量、多年平均径流深等数据，采用区内《实用水文手册》中的多种经验公式及其他相关方法进行计算，后进行综合分析，确定合理的多年平均径流量。该电站工程坝址以上多年平均径流量为7000万m3。2、设计年径流量：根据计算得出的多年平均径流量，依据区内年径流变差系数，采用皮尔逊—Ⅲ型曲线，可计算出不同设计保证率下的年径流总量。该电站工程20%的丰水年多年平均径流量为9450万m3，50%的中水年多年平均径流量为6370万m3，95%的枯水年多年平均径流量为2800万m3。3、设计保证流量：设计保证流量主要用作电站保证出力计算，可采用区内《实用水文手册》中相关的经验公式计算，然后与河道常流量、设计枯水年月流量对比分析后确定。该电站设计保证率为80%，设计日保证流量0.32m3/s。三、水能计算1、保证出力：保证出力可采用公式N=AQH进行计算，式中A为出力系数，Q为扣除输水损失后的设计保证流量，H为设计水头。该电站保证出力N=89.86kw。2、多年平均发电量的计算：因属无资料地区，河道分级流量及其出现的天数难以确定，多年平均发电量无法按日电能累计法进行准确计算，可采用天然河道月平均流量进行计算。该电站工程按选取一个典型年的方式进行计算，设计选择50%中水年，6采用上述计算过程，用中水年设计年径流总量6370万m3，扣除基流（视为最枯流量）年来水量568万m3，得出地表降雨所产生的径流总量5802万m3，然后依据区内降雨量分配记录，将年地表降雨产生的径流总量分配至各月，计算出地表降水所形成的月径流量，加上月基流总量后，得出月径流总量，进而计算出中水年月平均流量见下表。中水年的发电量可采用上述计算过程中的第三步要求进行计算，计算结果见下表。采用上述方法，同样可计算出20%丰水年、95%枯水年发电量，详细计算过程略。浅滩子电站设计中水年（50%）发电量计算表月份月天然来水量（m3/s）发电流量（m3/s）设计水头(m)500kw800kw1000kw1500kw2000kw出力(kw)发电量(kw.h)出力(kw)发电量(kw.h)出力(kw)发电量(kw.h)出力(kw)发电量(kw.h)出力(kw)发电量(kw.h)10.530.47739130950091309500913095009130950091309500920.310.279397655571765557176555717655571765557130.810.7293919914520319914520319914520319914520319914520340.690.6213917012369117012369117012369117012369117012369151.961.7643948235135548235135548235135548235135548235135562.372.1333950036480058242485358242485358242485358242485373.292.9613950036480080058368080858977480858977480858977486.125.508395003648008005836801000729600150010944001504109708895.494.941395003648008005836801000729600150010944001349984152101.761.58439432315502432315502432315502432315502432315502110.760.68439187136240187136240187136240187136240187136240120.440.396391087887610878876108788761087887610878876发电量合计27606473477340377527445048744397315装机年利用小时55214347377530032199浅滩子电站多年平均发电量、年利用小时计算表装机容量500kw800kw1000kw1500kw2000kw多年平均发电量25443373205099353327040498454135591年利用小时5089400635332700206873、装机容量的确定：根据计算出的丰、中、枯三个年份的不同装机容量下的年发电量、装机年利用小时，采用加权平均法计算出不同装机容量下的多年平均发电量、装机年利用小时见上表。根据区内水电装机占电力系统容量比重和电站接入电力系统的运行方式，同时结合季节性容量所占的比重，确定合理的装机年利用小时数。该电站系并入10kv电网运行，装机年利用小时宜在3000～4000小时之间，最终确定电站装机容量为1000kw较为适宜，相应的多年平均发电量为3533270kw.h，装机年利用小时3533小时。实际工作中，为切实利用好汛期天然来水量，可采用进一步降低年利用小时的方法，扩大装机规模，多发季节性电能。以上范例采用装机年利用小时法较为详细地演示了引水式无调节水电站装机