郭東祥 張龍龍

摘 要：某水庫(kù)電站現(xiàn)裝機(jī)2×500千瓦，由于設(shè)備年久老化，需進(jìn)行擴(kuò)容改造升級(jí)，而小型水電站設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于水能計(jì)算。本文重點(diǎn)闡述水電站水能計(jì)算中涉及梯級(jí)中小水庫(kù)時(shí)的簡(jiǎn)易計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：水電站，水能計(jì)算； 計(jì)算方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.101

1 概述

該水庫(kù)是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電、城鎮(zhèn)供水綜合利用的三等中型水庫(kù)，控制流域面積160km2，總庫(kù)容1947萬(wàn)m3，興利庫(kù)容1010萬(wàn)m3，死庫(kù)容18萬(wàn)m3，最大壩高50.7m，壩長(zhǎng)150m。該水庫(kù)水電站現(xiàn)裝機(jī)2×500千瓦，由于設(shè)備年久老化，需進(jìn)行擴(kuò)容改造升級(jí)，在水電站升級(jí)改造設(shè)計(jì)過(guò)程中的難點(diǎn)與重點(diǎn)在于水能計(jì)算，結(jié)合實(shí)踐，下面介紹一種簡(jiǎn)易水能計(jì)算辦法。

2 水庫(kù)蒸發(fā)與滲漏損失

該水庫(kù)年平均水面蒸發(fā)量為1742.9mm，按平均興利庫(kù)容1/2興利庫(kù)容+死庫(kù)容=1010/2+18=523萬(wàn)m3，相應(yīng)水面面積為0.46km2，相應(yīng)水位為294.31m。則年蒸發(fā)量為：

0.46×1.7429×106=0.802×106m3=80.2萬(wàn)m3

該水庫(kù)已完成除險(xiǎn)加固工程，滲漏很少，可忽略不計(jì)，但要考慮生態(tài)基流，年徑流深離差系數(shù)Cv取0.715；按上游水庫(kù)與該水庫(kù)區(qū)間徑流量的10%，計(jì)算：

0.715×100km2×150mm×10%=107.2萬(wàn)m3。

3 額定水頭計(jì)算

3.1 平均水頭計(jì)算

（1）算術(shù)平均水位法H平均=Z上均-Z下均-△h

水位均值Z上均=（Z上均+Z死）÷2=287.25m

下游尾水設(shè)計(jì)流量Q=4.16 m3/s，下游水深為0.77m。

下游尾水水位為：267.85+0.77=268.62；

△h=1.17；H平均=287.25-268.62-1.17=17.46m。

（2）平均庫(kù)容法。

上游平均水位：按1/2興利庫(kù)容對(duì)應(yīng)的水位計(jì)算；

興利庫(kù)容=1010萬(wàn)m3；興利/2+死庫(kù)容=523萬(wàn)m3。

通過(guò)水庫(kù)庫(kù)容曲線資料查得所對(duì)應(yīng)水位為294.31m。

H平均=294.31-268.62-1.17=24.52m。

3.2 水電站的最大水頭

上游最高水位為正常蓄水位302.5m。按該水庫(kù)干渠加大設(shè)計(jì)流量4.16 m3/s的1/3計(jì)算，下游渠道水深為0.37m，下游渠底高程為267.85m，最底尾水位為267.85+0.37=268.22m。當(dāng)Q=1.39m3/s時(shí)，水頭損失為0.16，則H最大=302.5-268.22-0.16=34.12m。

3.3 水電站最小水頭

上游死水位為272.0m。當(dāng)下游流量為4.16m3/s時(shí)，下游水位為268.62m，水頭損失為1.17m，則電站最小水頭為272.0-268.62-1.17=2.21m。

3.4 最大最小水頭法計(jì)算平均水頭

H平均=（H最大+ H最小）÷2=18.17m。

3.5 平均水頭確定

上述算術(shù)平均值法計(jì)算粗略，最大最小水頭法沒有考慮庫(kù)容影響，相比較采用平均庫(kù)容法較適宜，即：H平均=24.52m，相應(yīng)上游水位采用294.31m。

3.6 設(shè)計(jì)水頭

H設(shè)計(jì)/H平均=0.95；則H設(shè)計(jì)=0.95×24.52=23.29m。

由于該水庫(kù)上游有水庫(kù)，水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式原則上長(zhǎng)期保持高水位，不足水量由上游水庫(kù)調(diào)配，可提高設(shè)計(jì)水頭，水庫(kù)消落深度按3m計(jì)算，即上游水庫(kù)設(shè)計(jì)水位為302.5-3=299.5m，

則：H設(shè)計(jì)=299.5-268.62-1.17=29.71m；

H平均=（34.12+29.71）÷2=31.92m。

為保證下游抗旱灌溉，水庫(kù)放水原則上不低于二級(jí)洞進(jìn)口高程282.5m，相應(yīng)最低水頭為282.5-268.62-1.17=12.71m。

4 水能計(jì)算

4.1 計(jì)算原則

（1）在滿足安全、節(jié)能、環(huán)保前提下，結(jié)合水電站實(shí)際情況，充分利用原水電站設(shè)備設(shè)施，采用新技術(shù)、新工藝、新材料，本著高新、節(jié)能、易于操作的原則，為水電站選用代表目前較高水平的設(shè)備設(shè)施，并使設(shè)備之間相互匹配，發(fā)揮最佳效益。

（2）由于水庫(kù)已除險(xiǎn)加固完成，電站引水閘，壓力鋼管已改造完成，本次設(shè)計(jì)計(jì)算按原鋼管計(jì)算水頭損失。

（3）水庫(kù)灌區(qū)節(jié)水改造已完成，電站尾水渠利用灌區(qū)干渠，原則不再變動(dòng)。

（4）該水庫(kù)工程任務(wù)以防洪為主，結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉，城市生活生產(chǎn)供水，兼顧水力發(fā)電。電站發(fā)電工況為：灌溉和城市供水時(shí)，發(fā)電流量等于灌溉供水流量，水庫(kù)在汛期泄洪時(shí)，發(fā)電水位在正常水位滿負(fù)荷發(fā)電。

4.2 保證出力計(jì)算

水庫(kù)主要為灌區(qū)供水，灌區(qū)設(shè)計(jì)保證率為50%，故水電站設(shè)計(jì)保證率取50%，流量為Q流=3.33m3/s，故設(shè)計(jì)保證出力為：

N保=A×Q?！罤設(shè)=742kw（A取7.5，Q保=3.33 m3/s，H設(shè)=29.71m）

4.3 裝機(jī)規(guī)模確定

（1）裝機(jī)規(guī)模。按照裝機(jī)容量保證出力倍比法，可計(jì)算裝機(jī)容量范圍，參考《小型水電站》（天津大學(xué)水力系主編），結(jié)合本地水資源條件倍比系數(shù)按1.1～1.5，則水電站裝機(jī)容量范圍為：

N裝=（1.1～1.5）×742=816～1113kw

由于原電站裝機(jī)為2×500kw，按照《農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目指導(dǎo)意見》原則上不增加機(jī)組，充分利用原設(shè)備減少投資，本次計(jì)劃該項(xiàng)目仍采用2×500kw機(jī)組。

4.4 多年平均發(fā)電量計(jì)算

灌區(qū)設(shè)計(jì)保證率50%，2000年為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)年，2010年為設(shè)計(jì)水平年，可供水量為4261萬(wàn)m3，地下水可供水量為780 萬(wàn)m3，合計(jì)可利用水量為5041萬(wàn)m3。

灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積11.2萬(wàn)畝，地表水利用系數(shù)達(dá)到0.6，地下水為0.85，50%設(shè)計(jì)保證率農(nóng)業(yè)需水量3630.48萬(wàn)m3，加上灌區(qū)生活及工業(yè)需水量1330.6萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)總需量為4961.08萬(wàn)m3，地表水可供水量為4261萬(wàn)m3，顯然地表水不能滿足灌區(qū)用水要求，因此該水庫(kù)50%水平年，徑流可全部用于灌區(qū)和城市供水。水庫(kù)年蒸發(fā)量為80.2萬(wàn)m3，生態(tài)基流為107.2萬(wàn)m3。

（下轉(zhuǎn)第37頁(yè)）

（上接第110頁(yè)）

上游水庫(kù)每年可向該水庫(kù)輸水量：發(fā)電+生態(tài)=1691.6萬(wàn)m3；

上游水庫(kù)與該水庫(kù)區(qū)間徑流量可用水量：

50%水平年區(qū)間徑流=0.715×100km2×126mm=900.9萬(wàn)m3；

90%枯水年來(lái)水=0.715×100km2×39mm=278.9萬(wàn)m3；

10%豐水年來(lái)水=0.715×100km2×290mm=2073.5萬(wàn)m3；

豐枯年平均來(lái)水=（900.9+278.9+2073.5）/3=1084.4萬(wàn)m3。

蒸發(fā)量：80.2萬(wàn)m3；生態(tài)基流：107.2萬(wàn)m3；

可用于發(fā)電水量為1084.4-80.2-107.2=897萬(wàn)m3；

合計(jì)該水庫(kù)電站發(fā)電水量為：1691.6+897=2588.6萬(wàn)m3；

設(shè)計(jì)水頭Hr=29.71m，Q=3.33m3/s；N=7.5×Hr×Q =742kW；

單位電能需水量按1小時(shí)計(jì)算W=Q×3600=11988m3；

單位電能需水量為11988÷742=16.2 m3/千瓦時(shí)；

初估多年平均發(fā)電量為2588.6萬(wàn)m3÷16.2 m3=160萬(wàn)千瓦時(shí)。

4.5 裝機(jī)容量年利用小時(shí)數(shù)

160萬(wàn)千瓦時(shí)÷0.1萬(wàn)千瓦時(shí)=1600小時(shí)。

4.6 發(fā)電流量估算

最大水頭發(fā)電流量：H最大=34.12m；Q=1000÷7.5×34.12=3.91m3/s

設(shè)計(jì)水頭發(fā)電流量H設(shè)計(jì)=29.71m；Q=1000÷7.5×29.71=4.5m3/s

最小水頭發(fā)電流量H最小=12.71m（當(dāng)水位低于設(shè)計(jì)時(shí)，一臺(tái)機(jī)組發(fā)電）；Q單機(jī)=1000÷7.5×12.71=5.25m3/s（單機(jī)）。

平均水頭發(fā)電流量：H平均=31.92m；Q=1000÷7.5×31.92=4.18m3/s

5 計(jì)算結(jié)果

該水庫(kù)水電站設(shè)計(jì)水頭29.71米，保證流量3.33m3/s，保證出力742kw，年發(fā)電水量2588.6萬(wàn)m3。攔截基流全部用于發(fā)電，經(jīng)計(jì)算，多年平均發(fā)電量可達(dá)160萬(wàn)千瓦時(shí)，年利用小時(shí)1600小時(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]天津大學(xué)水力系主編《小型水電站》[M].水利電力出版社，1976.

[2]水利部主編《小型水電站技術(shù)改造規(guī)范》[M].水利水電出版社，

2011（11）.