浅谈引水式小型水电站的水能设计

       摘要：本文从水能计算与电能利用、水电站水能参数选择两个方面对引水式小型水电站的水能设计进行了分析。

　　1水能计算与电能利用

　　水能计算是针对枢纽设计的不同水能参数的运用规划，计算各种水文情况下水电站的能量指标，即水电站的保证出力和多年平均发电量等。由于河川径流在年际之间和年内分布存在着季节性差异，它需要通过水库进行径流调节，把丰水时段的多余水量重新分配到枯水季节里去利用，也就是说，旨在加大水电站的保证出力和年发电量。

　　通常水利计算和水能计算是同时进行的，时历法是应用最为普遍的方法。所谓水利计算系指运用水库调节径流，确定枢纽下游流量的全部计算工作，解决每一计算时段内的水量平衡方程，具有一般调节性能(季调节)的水电站，计算时段汛期按旬、枯水期按月较为适宜;只是对具有年和多年调节能力的水电站，计算时段才全部按月可取得较好的结果;对仅有日调节水库的水电站，也就是径流利用率低的水电站，才有必要将计算时段按日进行。

　　水能计算旨在求得:(l)在枢纽不同参数条件下水电站各项水能指标;(2)经过技术经济计算最终参数条件，反映水电站的多年运行特性。

　　1.1水电站的基本水能指标

　　1.1.1保证出力

　　水电站的保证出力是指相应于设计保证率(可靠性)枯水时段的最小日、旬、月平均或年平均的出力(按不同调节性能采用)。采用多年径流系列进行水利水能计算，确定保证出力是最普遍应用的方法。水电站的保证出力计算:

　　N保二AQ保H净

　　式中N保——水电站保证出力;

　　A——出力系数，一般大中型水电站可以取8.0-8.5；

　　Q保——设计保证流量；

　　H净——净水头。

　　保证出力的大小决定于河川天然流量、正常蓄水位、死水位，以及相应的水头变化，并且与设计保证率有关。取决于这一出力按年数或时间的保证率一般采用80%一95%，同时也取决于保证率以外的时间，即允许这一出力的降低程度。时间，即允许这一出力的降低程度。

　　1.1.2多年平均发电量

　　水电站多年平均发电量是指选用的径流系列历年发电量的平均值。在设计中，不论对新设计的水电站或是已运转的水电站，都是一项最重要的动能指标。

　　多年平均发电量的大小主要决定于天然流量的变化、枢纽水能基本参数(即正常蓄水位、死水位、装机容量等)和通过水电站水轮机的流量、水头变化的影响，以及所采用计算水文系列的统计参数。

　　1.1.3水电站预想出力

　　所谓水电站的预想出力(或峰荷出力)是指水电站一昼夜或数小时内，不论水头、流量、设备运行状态、枢纽上下游容许的水位变幅如何，水电站均能发出的最大出力。影响预想出力的主要因素是日平均出力(或日发电量)、通过水电站的日平均流量，以及水电站出力在一昼夜内的利用方式，即承担日负荷图的工作位置、形状等。预想出力需按每年逐月计算，但也常按规定的计算保证率，只确定电网最大负荷出现时预想出力。为确保水电站可靠地承担电网负荷，在最大负荷发生时的预想出力的保证率一般应为95%一100%。

　　1.2水能利用问题的研究

　　在我国水电比重大的地区，丰水期水电有大量季节性电能涌进电网，而电网对其有效吸收程度常受到一定的限制，即使网内火电按技术最小出力运行或部分停机，季节性电能也难以得到充分利用，特别是夜间负荷低谷时段。

　　1.2.1重视河流规划梯级开发中龙头水库的作用

　　水电事业的发展，梯级水电站的开发，水库淹没往往成为制约建库条件的主要因素。如果在河流上游有建库条件较好、淹没损失相对较少的坝址，建龙头水库蓄能、蓄丰补枯，实现对全河流梯级的调节或补偿，这样既可以减少下游梯级水电站丰水期弃水，又可以增加枯水期电能。如四川龙溪河上的狮子滩、福建古田溪上的古田一级、贵州猫跳河上的红枫、黄河上游的龙羊峡，以及广西红水河上的天生桥一级、龙滩等梯级的龙头水库，都是这样规划运用的。它对下游梯级可以实现水量调节和补偿作用，从而有利于提高水量利用、电量有效利用。

　　1.2.2联网与跨流域补偿的研究

　　水电比重大的地区，考虑到各条河流之间径流变化不同步和大水库具有增强径流调节的作用，因此，扩大联网就成为水电站进行跨流域径流补偿提供必要的前提，实现水电之间、水火之间的电力补偿，争取水能资源充分利用。西北、四川联网研究就是一个较好的例子。它以黄河龙羊峡为龙头的梯级蓄能，对水电比重大、调节性能差的四川水电进行跨流域径流和电力补偿。通过联网，使西北汛期水电让出部分基荷(或腰荷)出力，接纳四川水电部分季节性电能，枯水期黄河水电增发出力，反送四川。我区红水河丰富的水电能源，通过500kV天广线将云南、贵州、广西水电东送广东。虽然目前天生桥一级和龙滩水电站尚未建成，但径流不同步的联网效益已得到初步证实，并且减少了云南、广西丰水期水电弃水，缓解了广东能源紧张局面，收到了较好的经济效益。

　　2水电站水能参数选择

　　水电站水能主要参数(或称特征值)包括正常蓄水位、死水位、装机容量等。在参数选择时，必须考虑电站所在地区综合利用要求，参数选择的一致性，以及它们之间的相互影响。

　　2.1正常蓄水位

　　正常蓄水位是指水库在正常运用的情况下，满足设计的兴利要求，在开始供水时应蓄到的最高水位。通常，选择正常蓄水位采用以下步骤和方法:

　　(l)根据设计任务书的要求，在河流规划的基础上，对水库的具体条件进行全面分析，确定正常蓄水位的范围，拟定几个比较方案。

　　(2)对各比较方案进行综合利用水量平衡，并初选各方案相应的死水位、装机容量、机组等计算能量指标和效益。

　　(3)根据各方案的工程量、投资、施工工期等计算成果，进行动能比较，对不同方案作出评价，然后提出推荐方案。

　　随着正常蓄水位的抬高，水库库容和电站的装机容量、保证出力、多年平均发电量等均相应增加，水库淹没、大坝等水工建筑物的工程量也必然增加。水工建筑物规模越大，施工期也就越长，电站效益发挥越晚。通过经济比较找出最有利的正常蓄水位。当然水库淹没也会成为重要的制约因素。