李維慶

（河南省輝縣市潭頭水力發(fā)電有限公司，河南 新鄉(xiāng) 45360053600）

我國農(nóng)村水電是指分布在廣大農(nóng)村地區(qū)，單站裝機容量在5 000kW以下的水電站及其配套電網(wǎng)，又被稱為小水電[1]。目前，全國已建成小水電站45 000多座，總裝機容量在5.1億MW左右[2]。由于大部分小水電建成時間較早，經(jīng)多年運行后，電站面臨機組發(fā)電效率和自動化程度低、能耗大，長期帶病運行等問題，裝機容量與水文徑流資料不匹配，造成水能資源未被充分利用，為了提高電站水能利用效率和電站綜合自動化管理水平[3]，需要對這些電站進行技術改造。本文結(jié)合潭頭水電站技術改造實例，系統(tǒng)探討水能復核在農(nóng)村小水電技術改造中的具體應用，為農(nóng)村小水電技術改造提供參考。

潭頭水電站位于輝縣市薄壁鎮(zhèn)潭頭村，電站總裝機容量10 000 kW（4×2 500 kW），設計水頭287m，發(fā)電設計流量4.6m3/s，多年平均發(fā)電量3 830萬kW·h。電站自1976年建成發(fā)電，至今已連續(xù)運行30余年，為周邊地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展做出了重要貢獻。

1 徑流資料收集與分析

水文資料是電站運行的基礎依據(jù)，尤其是徑流資料的收集與分析對電站改造中裝機容量的合理選擇起著至關重要的作用。收集引用的水文資料不準確，徑流資料分析不全面，將導致水電站的裝機容量與水文徑流資料不匹配，電站投入運行后達不到額定出力或出現(xiàn)未充分利用水能資源等問題。在電站技術改造中，應根據(jù)河流規(guī)劃，系統(tǒng)全面收集選取最新的水文徑流資料，并對水能資源的利用條件進行合理的分析與評價。

潭頭水電站位于海河流域衛(wèi)河支流峪河上，其徑流資料可以選取電站附近寶泉水庫水文站實測數(shù)據(jù)。寶泉水庫水文站原名峪河口水文站，始建于1954年，隸屬于河南省水文水資源局，控制流域面積538.3km2。收集到寶泉水庫水文站1977年-2011年實測徑流資料，并經(jīng)計算還原為天然徑流序列，繪制年徑流量過程線如下圖1所示。

圖1 年徑流量過程線

圖2 日平均流量頻率曲線

由圖1可知，1977年-2011年35年的年徑流量總體較平穩(wěn)，近年來由于受到人類活動影響以及地面植被變化的影響，徑流較20世紀70、80年代有所減少，本次電站水能復核計算所選取徑流資料系列具有可靠性。把35年實測徑流資料由大到小排列，采用經(jīng)驗頻率計算方法對數(shù)據(jù)進行處理，繪制出日平均流量頻率曲線如圖2所示。由圖2可知，潭頭水電站豐枯變化較大，汛期水能資源豐富，枯水期水量較小。由于電站現(xiàn)有機組工作效率較低，效率衰減速度不斷加快，對現(xiàn)有水能資源利用率較低。此次電站增效擴容改造將更換高效機組，提高水能資源利用效率，并根據(jù)水能復核計算論證是否具有增容潛力。

2 水能復核計算

在水文徑流資料分析的基礎上，對電站的來水流量、水位、棄水流量等資料進行系統(tǒng)的分析，并從合理利用水能資源的角度，通過水能復核計算，對電站是否具有增容的條件進行論證，確定出現(xiàn)有水能條件下的最優(yōu)裝機容量方案。

2.1 計算保證出力

保證出力是指水電站在多年運行期間所能提供的具有一定保證率的電力，通常是指相對于設計保證率的供水期的平均出力。根據(jù)《小型水電站設計規(guī)范》，同時考慮到潭頭水電站的運行要求，取電站設計保證率P=80%，由電站出力計算公式計算電站保證出力[4]。

式中K為綜合出力系數(shù)，潭頭水電站屬于引水式中小型水電站，結(jié)合其所在電網(wǎng)的實際運行情況，本次計算綜合出力系數(shù)取8.0；Q保為發(fā)電流量，對應于電站設計保證率的流量0.9m3/s,；H為發(fā)電凈水頭，由毛水頭扣除相應水頭損失，得到電站發(fā)電凈水頭為287m。因此，由上式計算得出潭頭水電站的保證出力為2 066kW。

2.2 確定裝機容量范圍

潭頭水電站裝機容量的確定由保證出力倍比系數(shù)計算。保證出力倍比系數(shù)為相關電站豐水期的徑流量與枯水期徑流量的比值[5]。保證出力倍比系數(shù)的大小與豐、枯季節(jié)來水量比例相關，合理確定保證出力倍比系數(shù)值，需要結(jié)合地區(qū)的降水、徑流特點等，同時參考同類水電站的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。潭頭水電站是以灌溉為主結(jié)合發(fā)電的水電站，經(jīng)驗數(shù)據(jù)選擇范圍為3.0～5.0。依照裝機容量的保證出力倍比法可計算裝機容量范圍為6 199～10 332kW。

2.3 繪制多年平均發(fā)電量與裝機容量關系曲線

在對電站多年日平均徑流資料進行統(tǒng)計分析的基礎上，通過列表計算電站的裝機容量、年均發(fā)電量及裝機年利用小時等動能指標，繪制電站多年平均發(fā)電量與裝機容量關系曲線如下圖3所示。由圖3可知電站總裝機容量在18 000 kW以下均比較合理，大于18 000 kW后年均發(fā)電量增幅變化不大。但是考慮到電站為改造項目，受到原有發(fā)電機組所在土建部分以及引水管道過流能力的限制，不可能增幅太大；另外，通過對近5年來日平均流量統(tǒng)計分析可知，在總計為1 820d中，以2 500 kW一臺至四臺機組滿負荷運行的天數(shù)分別為917d、346d、101d和23d。由于近年來天然徑流受到人類活動的影響以及地面植被的變化，減小幅度較大，如果電站擴容，則會降低電站年利用小時數(shù)，設備利用率降低。

圖3 多年平均發(fā)電量與裝機容量關系曲線

3 確定裝機容量

在水能復核分析計算的基礎上，以提高電站綜合能效和安全性能、促進水資源綜合利用、維護河流健康為目標，考慮到電站原裝機容量和現(xiàn)有土建部分的限制，初步擬定4×2 500kW和4×3 200kW兩種裝機容量方案，分別計算兩種方案改造后的年均發(fā)電毛效益，同時參考水電設備現(xiàn)有市場價格，計算各方案的機組報價，對兩種方案進行技術經(jīng)濟論證和分析。由于兩種方案的投資在土建部分和輔助設備部分上的差異很小，因此主要考慮水輪發(fā)電機組和調(diào)速器、變壓器等主要電氣設備，計算兩種方案的投資效益比分別為2.32和2.09。兩個方案均具有較好的經(jīng)濟效益，但方案二主要是利用汛期富余水量進行發(fā)電，由前文徑流資料分析可知，近年來大流量的歷時較小，年利用小時相對偏低，設備利用率較低；方案二的投資效益比小，經(jīng)濟合理性較差；此外方案二裝機容量增容較大，對原有土建部分的適應性較差，若對相應土建部分進行改造將大大增加電站改造費用，不能滿足高效、經(jīng)濟的要求。因此推薦方案一，即保持現(xiàn)有裝機容量不變，僅更換高效機組，總裝機容量仍為10 000kW（4×2 500kW），改造后電站多年平均發(fā)電量為4 196.1萬kW·h，年利用小時數(shù)為4 328h，年發(fā)電效益可達1 342.8萬元，經(jīng)濟效益極為可觀，對電站進行技改是亟須且合理的。

4 結(jié)語

本文結(jié)合潭頭水電站技術改造實例，從電站水文徑流資料的收集與分析、電站機組保證出力計算、裝機容量范圍確定、繪制多年平均發(fā)電量與裝機容量關系曲線和確定裝機容量方案等步驟，系統(tǒng)探討了水能復核在農(nóng)村小水電技術改造中的具體應用，可以為同類農(nóng)村小水電的技術改造提供一定的參考作用。

[1]王朋.遞推列比法在農(nóng)村水電廠內(nèi)經(jīng)濟運行的應用研究[J].河南科技，2013（11）：24-27.

[2]程大鵬.農(nóng)村小水電電氣化技術改造效益分析[J].創(chuàng)新科技，2014（12）：88-90.

[3]原文林.農(nóng)村小型水電站增效擴容改造關鍵應用技術研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2015（10）：21-24.

[4]張秀菊.水電站保證出力的計算方法[J].水力發(fā)電，2006（10）：74-78.

[5]馬躍先.小型水電站優(yōu)化運行與管理[M].鄭州∶黃河水利出版社，2000.