水能計算分析在中小水電站技術改造工程中的應用

姚桂紅，聶金松，朱方和

（桃源縣水利局， 湖南 常德 415700）

1 問題的提出

桃源縣安塘坪水電站位于沅水夷望溪支流木旺溪下游。壩址以上控制集雨面積為74.7 km2，干流長度為26.17 km，干流坡降為13.16‰。水庫正常庫容為8.25 萬m3，多年平均降雨量為1 927.84 mm。該工程于1976 年12 月在攔河壩右岸建成了裝機容量為2×125 kW＝250 kW 的安塘坪右岸水電站，由于運行時間長，機電設備陳舊老化，引水系統多次遭到暴雨洪水的襲擊，水毀嚴重，2005 年底拆除報廢。1997 年5 月在攔河壩左岸建成了裝機容量為1×320 kW 的安塘坪左岸水電站。由于棄水量大，2015年10 月在攔河壩左岸新增了1 臺裝機容量為630 kW的水輪發電機組，具體見表1。

表1 桃源縣安塘坪水電站裝機容量變化情況表

2006—2014 年期間，安塘坪水電站裝機容量為1×320 kW，每年有大量的棄水，特別是該地區處于湖南省三大暴雨中心之一安化縣的北部邊緣，每一次暴雨洪水過程的洪峰流量大、歷時短，加之攔河壩攔蓄庫容較小，電站利用洪峰流量發電的能力極差，不僅浪費水力資源，而且造成了庫區內部分農田淹沒時間長，下游河床沖刷嚴重等損失，當地曾強烈要求拆除該攔河壩。

桃源縣安塘坪水電站由于受當時科學技術發展水平的限制，對水電站的水能計算存在推求依據不充分，推求過程不嚴謹等，致使工程出現裝機容量過小，水力資源浪費，經濟效益低下等問題，嚴重制約當地經濟發展。

本文以桃源縣安塘坪水電站為例，闡述無調節、日調節水電站水能計算方法。

2 計算方法

2.1 項目調查

在開展安塘坪水電站改擴建工程規劃時，對項目現狀情況進行調查。重點是項目的水文氣象資料、工程各部分的技術檔案資料和現狀參數、運行過程中出現的安全隱患及事故情況等，通過全面的梳理，去粗取精、除偽存真，并以此作為電站改擴建工程規劃設計的依據。

2.2 水能計算

2.2.1 項目區代表年的推求

桃源縣安塘坪水電站位于沅水夷望溪支流木旺溪下游，沒有木旺溪支流的徑流和降雨觀測資料，采用距安塘坪壩址約7.7 km 的桃源縣西溪水庫1975—2012年共38 年的降雨觀測資料。根據P=m/（n+1）公式進行頻率計算，按頻率20%、50%、80%分別選出豐、平、枯水代表年，具體見表2。各代表年降雨情況見表3。

表2 桃源縣西溪水庫年降雨量排比頻率統計表

表3 安塘坪水電站設計代表年降雨量統計表 mm

2.2.2 項目區代表年徑流深R代表年和代表年徑流量W代表年的計算

桃源縣安塘坪水電站位于沅水夷望溪支流木旺溪下游。夷望溪屬沅水支流，發源于桃源縣、沅陵縣與安化縣交界處的嶺鳳尖，流經沅陵縣、桃源縣，在桃源縣夷望溪鎮注入沅水。干流長103.9 km，流域面積為734 km2，天然落差969 m，平均坡降為5.1‰。年徑流量為8.37 億m3，河流平均流量為26.5 m3/s。

流域多年平均徑流深R平均是指通過河流指定斷面的多年平均徑流總量W（萬m3）除以該斷面以上的流域面積F（km2）。

R平均=10W/F＝10×8.37×10 000/734＝1 140.3 mm

通過《湖南省暴雨洪水查算手冊》，查得桃源縣安塘坪水電站不同頻率P 的皮爾遜Ⅲ型曲線的模比系數Kp如表4。

表4 頻率～徑流深～徑流量關系對照表

根據推求出的夷望溪流域的多年平均徑流深R平均，按R代表年=Kp×R平均公式進行修正，可得電站豐、平、枯代表年的徑流深R代表年，具體見表4。

2.2.3 項目區月徑流量W月和月平均流量Q月平均的計算

1）月徑流量W月是指一個月時間內通過河流某一斷面的水量。

其中：R月＝代表年的月降雨量×R代表年/代表年的年降雨總量

2）月平均流量Q月平均：

式中 T——月實際天數（天）。

3）將月平均流量Q月平均由大到小按降序排列，可以求得代表年月平均流量的保證率，計算成果見表5 和表6。

表5 電站代表年壩址斷面月降雨量～月徑流深～月徑流量～月平均流量計算成果表

表6 安塘坪水電站代表年月平均流量保證率計算成果表

2.2.4 項目區保證出力N保和裝機容量N裝推求

1）按照《小水電水能設計規程》（SL 76-2009）附錄C 的規定，根據安塘坪水電站實際情況，考慮到安塘坪水電站屬日調節性能的電站，電站建成后并入國網，系統不會限載；電站地處暴雨中心區邊緣的特殊地理位置，選取保證率P=65%，從表6 中查得相應流量Q=1.65 m3/s。電站凈水頭為16.0 m，由此可以推求保證出力

N保=9.81QHη=9.81×1.65×16×0.8=207.19 kW

式中 η 為水輪發電機組的綜合效率，取為0.8。

2）根據《水利計算》查得裝機容量的倍比系數C=4.5，按公式N裝=CN保得：N裝=4.5×207.19=932.36 kW。原計劃裝機容量為1×320（現有）+2×320=960 kW,由于受項目場地等因素的限制，裝機容量變更為1×320（現有）+1×630=950 kW。其機組選型及參數如表7。

表7 安塘坪水電站設備選型及參數表

表8 安塘坪水電站多年平均發電量計算表

2.2.5 項目多年平均發電量E 和年利用小時T 的推求

1）多年平均發電量采用3 個代表年法，根據下列公式計算：

2）電站裝機容量為N裝=1×320+1×630=950 kW，通過計算：電站多年平均發電量為：E=272.86 萬kW·h。年利用小時T＝E/N裝＝272.86×10 000/950＝2 872 h。

2.3 項目優缺點比較

根據以上推理計算，桃源縣安塘坪水電站改擴建工程新增了1 臺單機容量為630 kW 的水輪發電機組，總裝機容量為950 kW。通過近幾年的實際運行，機組運行平穩，各部分的振動、擺度、溫升均滿足規程要求；調度方便，可實行三種方式運行；減少棄水，電站的引用水流量由原來的3.44 m3/s 增加到8.94 m3/s，提高了利用洪峰流量發電能力，充分合理地利用了水資源，同時也縮短了對庫區部分農田淹沒的時間；提高了經濟效益，據統計：電站2001—2005 年裝機570 kW，5 年平均發電量121.92 萬kW·h；2017—2021 年裝機950 kW，5 年平均發電量255.12 萬kW·h；平均每年增加發電量約130 萬kW·h，增加電費收入65 萬元；減少了對下游河床的沖刷，保護了河流的健康生命。

盡管電站的裝機容量由原來的250 kW 增加到570 kW 再增加到950 kW，但由于水庫的庫容小，調節能力差，暴雨強度大，仍有少部分棄水。

3 結 語

從桃源縣安塘坪水電站發展過程可以看出，水能計算是小水電站建設工作中的重要環節。全面掌握水能計算的原理和方法，有利于正確指導小水電站的技術改造工作，有利于充分合理地利用水資源，有利于全面推動小水電事業高質量發展。讓小水電照亮大地、抹綠河湖、造福人間。