沈國民

（寧強縣水利水電工作隊 陜西 寧強 724400）

農(nóng)村小型水電站工程多分布在山區(qū)小流域、小河道上，電站以引水式無調(diào)節(jié)電站為主，裝機容量大多在500kW～10000kW之間。由于電站所處流域或河道大多無原始的水文資料系列和實測流量觀測記錄，河道分級流量及其出現(xiàn)的天數(shù)很難確定，因而在規(guī)劃設計階段，水能計算中諸如設計保證流量、多年平均發(fā)電量等動能指標很難準確界定和計算，給電站水能計算工作帶來很大困難，影響著整個設計工作的進行。筆者結(jié)合無調(diào)節(jié)水電站的特點，通過實際參加多起小水電規(guī)劃工作和具體的水電站工程初步設計工作后，對水文資料缺乏區(qū)的引水式無調(diào)節(jié)電站水能計算方法和裝機容量的確定方法進行了總結(jié)，推薦出簡潔、明了而又可行的裝機容量確定方法，為電站設計工作的快速開展奠定基礎。

1 裝機容量計算方法的現(xiàn)狀及存在問題

1.1 目前通用的幾種裝機容量計算方法

（1）將水電站的裝機容量區(qū)分為工作容量、重復容量及備用容量，考慮到設計水電站在電力系統(tǒng)負荷中的工作位置及水電站本身的水文及調(diào)節(jié)特性，分別確定三部分容量。

用公式表示為：N裝＝N工＋N備＋N重

計算重復容量的公式為：

式中，(h)——重復容量最后增加的一個千瓦在一年內(nèi)的有利工作小時數(shù)；

a——水電站所增加的每千瓦容量投資，元；

b——水電站所增加每千瓦容量的年運行費，元；

c——電力系統(tǒng)中火電站上生產(chǎn)一度電的煤耗成本，元；

d——燃料基地的單位投資，元/度；

T——補充投資的抵償年限。

應用本方法時，要求有確切的設計負荷圖及必要的經(jīng)濟指標，故多用于大中型水電站的設計中。

（2）設計保證出力倍比法，用公式表示為：N裝＝mN保

此處，m為待選擇的倍比系數(shù)，一般建議按水電站在電力系統(tǒng)中的比重及其本身的調(diào)節(jié)情況來選擇；其變化范圍為 (1.5～5.5)甚至更大。N保應符合設計保證率要求的時段(日)平均出力；

目前在小型水電站設計中，設計保證率一般均采用75%～80%，亦有采用50%或大于80%。

（3）裝機容量年利用小時數(shù)法，用公式表示為：N裝=E/h

此處，E為多年平均年發(fā)電量(度)，h為裝機容量年有利工作小時數(shù)，其選擇考慮因素，基本上與前述倍比系數(shù)m相同，目前建議的變化范圍為(2500～6000)小時，甚至更大。

1.2 上述方法計算中存在的問題和實用性分析

（1）農(nóng)村小型水電站設計中，負荷資料很難準確統(tǒng)計，一般均難以繪制確切的負荷圖。故利用(1)法按水電站在電力系統(tǒng)中的工作位置分別確定工作容量、備用容量及重復容量甚為困難，采用的不多。

（2）上述第二種方法是一次確定總裝機容量的簡化法，但在選擇參數(shù)m時缺乏統(tǒng)一標準，目前建議的數(shù)字變化范圍又較大，認識上很難統(tǒng)一，因此，在實際工作中常常是以“行政手段”、“領導定案”代替了科學計算，最終確定裝機容量，因而裝機容量不是定得太低，便是太高。

（3）上述第三種方法重點是裝機年利用小時數(shù)的確定，目前小水電多以上網(wǎng)方式運行，為多發(fā)季節(jié)性電能，裝機年利用小時數(shù)一般不要求過高，結(jié)合小水電在電力系統(tǒng)中所占的比重，一般在3000h～4000h之間，較容易確定。

多年平均發(fā)電量計算，可按公式：

式中，A——出力系數(shù)，一般取7.0，Q為發(fā)電流量，m3/s；

H——設計水頭，m；

T——發(fā)電流量持續(xù)的時間，小時。

電站所處河流有逐日流量觀測記錄的，可進行流量分級和排頻計算，根據(jù)排頻流量和流量持續(xù)的天數(shù)時間進行計算，后進行發(fā)電量累計。但農(nóng)村小型水電站，往往無逐日流量觀測記錄，按逐日流量分級排頻計算，難度很大。為滿足規(guī)劃和初設的精度要求，可根據(jù)電站所在河流豐、中、枯三個年份的月平均流量進行計算，大大減少了計算難度。因此，裝機年利用小時數(shù)法對于農(nóng)村引水式無調(diào)節(jié)水電站裝機容量的確定較為簡潔、準確和實用，也是筆者重點推薦的方法。

2 裝機年利用小時法確定裝機容量的具體計算過程

2.1 基礎資料的確定

基礎資料主要包括電站所在河流的流域特性及徑流特性。重點要確定出電站取水樞紐以上的河道長度、河道縱比降、控制流域面積和河道枯水期最枯流量，同時還要確定流域內(nèi)多年平均降雨量、多年平均徑流深、年徑流系數(shù)等主要參數(shù)，為電站取水樞紐以上多年平均徑流量的計算奠定基礎。河道縱比降、最枯流量可通過實測確定，其他主要參數(shù)可通過流域圖或1/50000電子地形圖和相關的《區(qū)內(nèi)實用水文手冊》獲取，難度較小。

2.2 多年平均徑流量的計算

基礎資料搜集完成后，即可進行電站取水樞紐處多年平均徑流量的計算。在規(guī)劃和初步設計階段，多年平均徑流量的計算可采用多種經(jīng)驗公式進行。多年平均徑流量計算后，即可根據(jù)《區(qū)內(nèi)實用水文手冊》，依據(jù)皮爾遜—Ⅲ型曲線計算出豐、中、枯，即20%、50%、75%三個典型年的年徑流總量。同時根據(jù)《區(qū)內(nèi)實用水文手冊》中年徑流的月分配比例或降雨量月分配比例，將徑流分配至各月，進而計算出月平均流量。值得注意的是，區(qū)內(nèi)有年徑流月分配比例的，可將多年平均徑流總量按月分配比例直接分配到月，得出月平均流量。無徑流月分配比例，而有降雨量月分配比例的，可將多年平均徑流總量扣除基流總量（最枯流量產(chǎn)生）后，得出地表降雨產(chǎn)生的徑流總量，然后按降雨量月分配比例分配到月，加上月基流總量后，得出月徑流總量，進而計算出月平均流量。

2.3 月均發(fā)電量計算

根據(jù)計算出的三個年份的月平均流量，即可進行豐、中、枯三個年份的月均發(fā)電量計算，累計后形成不同裝機規(guī)模下的年平均發(fā)電量。

計算時，可先假定不同的裝機容量，用公式：N=A·Q·H

式中，N——假定的裝機容量，kW；

Q——發(fā)電流量，m3/s；

H——設計水頭，m。

反算出電站所需的發(fā)電流量，月天然來水量大于發(fā)電流量的，按假定的裝機容量計算發(fā)電量，多余流量按棄水處理，小于發(fā)電流量的，按月天然來水量計算發(fā)電量。發(fā)電小時數(shù)按月平均小時數(shù)計算。

2.4 多年平均發(fā)電量計算

根據(jù)不同裝機規(guī)模下的豐、中、枯三個年份的年發(fā)電量，采用加權(quán)平均法，即可計算出不同裝機規(guī)模下的電站多年平均發(fā)電量?？尚行匝芯侩A段或初步設計階段亦可選取設計中水年（50%保證率）進行一個代表年的計算。

2.5 繪制曲線，確定電站裝機容量

根據(jù)計算的不同裝機情況下的發(fā)電量，即可繪制裝機容量～多年平均發(fā)電量和裝機容量～年利用小時曲線。

據(jù)既定的裝機年利用小時數(shù)，即可確定較為合理的電站裝機容量。

3 計算實例

3.1 電站工程概況

該工程位于嘉陵江右岸一級支流——清河中游，由樞紐擋水壩、857m動力明渠、43m輸水隧洞、前池、壓力管道及電站廠房等主要建筑物組成。通過1/50000地形圖量算出電站壩址以上流域面積173km2?？菟趯崪y河道最枯流量0.18m3/s。電站設計水頭39m。設計保證率80%。宜并入10kV電網(wǎng)運行。

3.2 主要水文參數(shù)的確定

（1）多年平均徑流量：多年平均徑流量的確定，對于無水文資料地區(qū)，可依據(jù)壩址以上流域面積、流域內(nèi)多年平均降雨量、多年平均徑流深等數(shù)據(jù)，采用區(qū)內(nèi)《實用水文手冊》中的多種經(jīng)驗公式及其他相關方法進行計算，后進行綜合分析，確定合理的多年平均徑流量。該電站工程壩址以上多年平均徑流量為7000萬 m3。

表1 淺灘子電站設計中水年（50%）發(fā)電量計算表

表2 淺灘子電站多年平均發(fā)電量、年利用小時計算表

（2）設計年徑流量：根據(jù)計算得出的多年平均徑流量，依據(jù)區(qū)內(nèi)年徑流變差系數(shù)，采用皮爾遜—Ⅲ型曲線，可計算出不同設計保證率下的年徑流總量。該電站工程20%的豐水年多年平均徑流量為9450萬m3，50%的中水年多年平均徑流量為6370萬m3，95%的枯水年多年平均徑流量為2800萬m3。

（3）設計保證流量：設計保證流量主要用作電站保證出力計算，可采用區(qū)內(nèi)《實用水文手冊》中相關的經(jīng)驗公式計算，然后與河道常流量、設計枯水年月流量對比分析后確定。該電站設計保證率為80%，設計日保證流量0.32m3/s。

3.3 水能計算

3.3.1 保證出力

保證出力可采用公式N=AQH進行計算，其中A為出力系數(shù)，Q為扣除輸水損失后的設計保證流量，H為設計水頭。該電站保證出力N=89.86kW。

3.3.2 多年平均發(fā)電量的計算

因?qū)贌o資料地區(qū)，河道分級流量及其出現(xiàn)的天數(shù)難以確定，多年平均發(fā)電量無法按日電能累計法進行準確計算，可采用天然河道月平均流量進行計算。該電站工程按選取一個典型年的方式進行計算，設計選擇50%中水年，采用上述計算過程，用中水年設計年徑流總量6370萬m3，扣除基流（視為最枯流量）年來水量568萬m3，得出地表降雨所產(chǎn)生的徑流總量5802萬m3，然后依據(jù)區(qū)內(nèi)降雨量分配記錄，將年地表降雨產(chǎn)生的徑流總量分配至各月，計算出地表降水所形成的月徑流量，加上月基流總量后，得出月徑流總量，進而計算出中水年月平均流量。中水年的發(fā)電量可采用上述計算過程中的第三步要求進行計算，計算結(jié)果見表1。采用上述方法，同樣可計算出20%豐水年、95%枯水年發(fā)電量，詳細計算過程略。

3.4 裝機容量的確定

根據(jù)計算出的豐、中、枯三個年份的不同裝機容量下的年發(fā)電量、裝機年利用小時，采用加權(quán)平均法計算出不同裝機容量下的多年平均發(fā)電量、裝機年利用小時見表2。根據(jù)區(qū)內(nèi)水電裝機占電力系統(tǒng)容量比重和電站接入電力系統(tǒng)的運行方式，同時結(jié)合季節(jié)性容量所占的比重，確定合理的裝機年利用小時數(shù)。該電站系并入10kV電網(wǎng)運行，裝機年利用小時宜在3000h～4000h之間，最終確定電站裝機容量為1000kW較為適宜，相應的多年平均發(fā)電量為 3533270kW·h，裝機年利用小時3533h。實際工作中，為切實利用好汛期天然來水量，可采用進一步降低年利用小時的方法，擴大裝機規(guī)模，多發(fā)季節(jié)性電能。

以上范例采用裝機年利用小時法較為詳細地演示了引水式無調(diào)節(jié)水電站裝機容量的確定過程。其實質(zhì)是首先利用多年平均徑流量的年分配確定出設計水平年月平均流量，進而計算出不同裝機規(guī)模下的設計年發(fā)電量、裝機年利用小時，最后采用加權(quán)平均法得出不同裝機規(guī)模下的電站多年平均發(fā)電量和年利用小時，然后結(jié)合電站接入系統(tǒng)的運行方式，確定較為適宜的裝機年利用小時，最終確定合理的電站裝機容量。該方法直觀、簡單、實用，易于理解和掌握，對于無原始水文資料系列和實測流量觀測記錄的流域或河道，在進行農(nóng)村小型水電站可行性研究階段和初步設計階段，水能計算時均具有一定的參考和利用價值。陜西水利

[1]河海大學、天津大學、清華大學合編《水文及水利水電規(guī)劃》.

[2]清華大學、大連工學院、天津大學合編《水電站建筑物》.

[3]成都水力發(fā)電學校主編《水電站》.