水庫電站改造的水能計算

郭東祥 張龍龍

摘 要：某水庫電站現(xiàn)裝機2×500千瓦，由于設(shè)備年久老化，需進(jìn)行擴容改造升級，而小型水電站設(shè)計的難點在于水能計算。本文重點闡述水電站水能計算中涉及梯級中小水庫時的簡易計算方法。

關(guān)鍵詞：水電站，水能計算； 計算方法

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

1 概述

該水庫是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電、城鎮(zhèn)供水綜合利用的三等中型水庫，控制流域面積160km2，總庫容1947萬m3，興利庫容1010萬m3，死庫容18萬m3，最大壩高50.7m，壩長150m。該水庫水電站現(xiàn)裝機2×500千瓦，由于設(shè)備年久老化，需進(jìn)行擴容改造升級，在水電站升級改造設(shè)計過程中的難點與重點在于水能計算，結(jié)合實踐，下面介紹一種簡易水能計算辦法。

2 水庫蒸發(fā)與滲漏損失

該水庫年平均水面蒸發(fā)量為1742.9mm，按平均興利庫容1/2興利庫容+死庫容=1010/2+18=523萬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m3

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

0.715×100km2×150mm×10%=107.2萬m3。

3 額定水頭計算

3.1 平均水頭計算

（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）平均庫容法。

上游平均水位：按1/2興利庫容對應(yīng)的水位計算；

興利庫容=1010萬m3；興利/2+死庫容=523萬m3。

通過水庫庫容曲線資料查得所對應(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。按該水庫干渠加大設(shè)計流量4.16 m3/s的1/3計算，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，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，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 最大最小水頭法計算平均水頭

H平均=（H最大+ H最?。?=18.17m。

3.5 平均水頭確定

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

3.6 設(shè)計水頭

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

由于該水庫上游有水庫，水庫調(diào)度運行方式原則上長期保持高水位，不足水量由上游水庫調(diào)配，可提高設(shè)計水頭，水庫消落深度按3m計算，即上游水庫設(shè)計水位為302.5-3=299.5m，

則：H設(shè)計=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，水庫放水原則上不低于二級洞進(jìn)口高程282.5m，相應(yīng)最低水頭為282.5-268.62-1.17=12.71m。

4 水能計算

4.1 計算原則

（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）由于水庫已除險加固完成，電站引水閘，壓力鋼管已改造完成，本次設(shè)計計算按原鋼管計算水頭損失。

（3）水庫灌區(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。

（4）該水庫工程任務(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，發(fā)電流量等于灌溉供水流量，水庫在汛期泄洪時，發(fā)電水位在正常水位滿負(fù)荷發(fā)電。

4.2 保證出力計算

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

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 裝機規(guī)模確定

（1）裝機規(guī)模。按照裝機容量保證出力倍比法，可計算裝機容量范圍，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，則水電站裝機容量范圍為：

N裝=（1.1～1.5）×742=816～1113kw

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

4.4 多年平均發(fā)電量計算

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

灌區(qū)設(shè)計灌溉面積11.2萬畝，地表水利用系數(shù)達(dá)到0.6，地下水為0.85，50%設(shè)計保證率農(nóng)業(yè)需水量3630.48萬m3，加上灌區(qū)生活及工業(yè)需水量1330.6萬m3，設(shè)計總需量為4961.08萬m3，地表水可供水量為4261萬m3，顯然地表水不能滿足灌區(qū)用水要求，因此該水庫50%水平年，徑流可全部用于灌區(qū)和城市供水。水庫年蒸發(fā)量為80.2萬m3，生態(tài)基流為107.2萬m3。

（下轉(zhuǎn)第37頁）

（上接第110頁）

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

上游水庫與該水庫區(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m3；

90%枯水年來水=0.715×100km2×39mm=278.9萬m3；

10%豐水年來水=0.715×100km2×290mm=2073.5萬m3；

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

蒸發(fā)量：80.2萬m3；生態(tài)基流：107.2萬m3；

可用于發(fā)電水量為1084.4-80.2-107.2=897萬m3；

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

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

單位電能需水量按1小時計算W=Q×3600=11988m3；

單位電能需水量為11988÷742=16.2 m3/千瓦時；

初估多年平均發(fā)電量為2588.6萬m3÷16.2 m3=160萬千瓦時。

4.5 裝機容量年利用小時數(shù)

160萬千瓦時÷0.1萬千瓦時=1600小時。

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)計水頭發(fā)電流量H設(shè)計=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)計時，一臺機組發(fā)電）；Q單機=1000÷7.5×12.71=5.25m3/s（單機）。

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

5 計算結(jié)果

該水庫水電站設(shè)計水頭29.71米，保證流量3.33m3/s，保證出力742kw，年發(fā)電水量2588.6萬m3。攔截基流全部用于發(fā)電，經(jīng)計算，多年平均發(fā)電量可達(dá)160萬千瓦時，年利用小時1600小時。

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）.