水能復(fù)核在農(nóng)村小水電技術(shù)改造中的應(yīng)用

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(jī)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(jī)容量在5.1億MW左右[2]。由于大部分小水電建成時(shí)間較早，經(jīng)多年運(yùn)行后，電站面臨機(jī)組發(fā)電效率和自動化程度低、能耗大，長期帶病運(yùn)行等問題，裝機(jī)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(jìn)行技術(shù)改造。本文結(jié)合潭頭水電站技術(shù)改造實(shí)例，系統(tǒng)探討水能復(fù)核在農(nóng)村小水電技術(shù)改造中的具體應(yīng)用，為農(nóng)村小水電技術(shù)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(jī)容量10 000 kW（4×2 500 kW），設(shè)計(jì)水頭287m，發(fā)電設(shè)計(jì)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(yùn)行30余年，為周邊地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

1 徑流資料收集與分析

水文資料是電站運(yùn)行的基礎(chǔ)依據(jù)，尤其是徑流資料的收集與分析對電站改造中裝機(jī)容量的合理選擇起著至關(guān)重要的作用。收集引用的水文資料不準(zhǔn)確，徑流資料分析不全面，將導(dǎo)致水電站的裝機(jī)容量與水文徑流資料不匹配，電站投入運(yùn)行后達(dá)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(shù)改造中，應(yīng)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(jìn)行合理的分析與評價(jià)。

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(shí)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(shí)測徑流資料，并經(jīng)計(jì)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(jì)70、80年代有所減少，本次電站水能復(fù)核計(jì)算所選取徑流資料系列具有可靠性。把35年實(shí)測徑流資料由大到小排列，采用經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算方法對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)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(kuò)容改造將更換高效機(jī)組，提高水能資源利用效率，并根據(jù)水能復(fù)核計(jì)算論證是否具有增容潛力。

2 水能復(fù)核計(jì)算

在水文徑流資料分析的基礎(chǔ)上，對電站的來水流量、水位、棄水流量等資料進(jìn)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(fù)核計(jì)算，對電站是否具有增容的條件進(jìn)行論證，確定出現(xiàn)有水能條件下的最優(yōu)裝機(jī)容量方案。

2.1 計(jì)算保證出力

保證出力是指水電站在多年運(yùn)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(shè)計(jì)保證率的供水期的平均出力。根據(jù)《小型水電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，同時(shí)考慮到潭頭水電站的運(yùn)行要求，取電站設(shè)計(jì)保證率P=80%，由電站出力計(jì)算公式計(jì)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(shí)際運(yùn)行情況，本次計(jì)算綜合出力系數(shù)取8.0；Q保為發(fā)電流量，對應(yīng)于電站設(shè)計(jì)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(yīng)水頭損失，得到電站發(fā)電凈水頭為287m。因此，由上式計(jì)算得出潭頭水電站的保證出力為2 066kW。

2.2 確定裝機(jī)容量范圍

潭頭水電站裝機(jī)容量的確定由保證出力倍比系數(shù)計(jì)算。保證出力倍比系數(shù)為相關(guān)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(guān)，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(diǎn)等，同時(shí)參考同類水電站的經(jīng)驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)選擇范圍為3.0～5.0。依照裝機(jī)容量的保證出力倍比法可計(jì)算裝機(jī)容量范圍為6 199～10 332kW。

2.3 繪制多年平均發(fā)電量與裝機(jī)容量關(guān)系曲線

在對電站多年日平均徑流資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，通過列表計(jì)算電站的裝機(jī)容量、年均發(fā)電量及裝機(jī)年利用小時(shí)等動能指標(biāo)，繪制電站多年平均發(fā)電量與裝機(jī)容量關(guān)系曲線如下圖3所示。由圖3可知電站總裝機(jī)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(xiàng)目，受到原有發(fā)電機(jī)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(jì)分析可知，在總計(jì)為1 820d中，以2 500 kW一臺至四臺機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)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(kuò)容，則會降低電站年利用小時(shí)數(shù)，設(shè)備利用率降低。

圖3 多年平均發(fā)電量與裝機(jī)容量關(guān)系曲線

3 確定裝機(jī)容量

在水能復(fù)核分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，以提高電站綜合能效和安全性能、促進(jìn)水資源綜合利用、維護(hù)河流健康為目標(biāo)，考慮到電站原裝機(jī)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(jī)容量方案，分別計(jì)算兩種方案改造后的年均發(fā)電毛效益，同時(shí)參考水電設(shè)備現(xiàn)有市場價(jià)格，計(jì)算各方案的機(jī)組報(bào)價(jià)，對兩種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證和分析。由于兩種方案的投資在土建部分和輔助設(shè)備部分上的差異很小，因此主要考慮水輪發(fā)電機(jī)組和調(diào)速器、變壓器等主要電氣設(shè)備，計(jì)算兩種方案的投資效益比分別為2.32和2.09。兩個(gè)方案均具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，但方案二主要是利用汛期富余水量進(jìn)行發(fā)電，由前文徑流資料分析可知，近年來大流量的歷時(shí)較小，年利用小時(shí)相對偏低，設(shè)備利用率較低；方案二的投資效益比小，經(jīng)濟(jì)合理性較差；此外方案二裝機(jī)容量增容較大，對原有土建部分的適應(yīng)性較差，若對相應(yīng)土建部分進(jìn)行改造將大大增加電站改造費(fèi)用，不能滿足高效、經(jīng)濟(jì)的要求。因此推薦方案一，即保持現(xiàn)有裝機(jī)容量不變，僅更換高效機(jī)組，總裝機(jī)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(shí)數(shù)為4 328h，年發(fā)電效益可達(dá)1 342.8萬元，經(jīng)濟(jì)效益極為可觀，對電站進(jìn)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(shù)改造實(shí)例，從電站水文徑流資料的收集與分析、電站機(jī)組保證出力計(jì)算、裝機(jī)容量范圍確定、繪制多年平均發(fā)電量與裝機(jī)容量關(guān)系曲線和確定裝機(jī)容量方案等步驟，系統(tǒng)探討了水能復(fù)核在農(nóng)村小水電技術(shù)改造中的具體應(yīng)用，可以為同類農(nóng)村小水電的技術(shù)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(jì)運(yùn)行的應(yīng)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(shù)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(kuò)容改造關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)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(jì)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(yùn)行與管理[M].鄭州∶黃河水利出版社，2000.