水电站工程水能的计算方法研究

水电站工程水能的计算方法研究

黄凤岗

(临沧市水利水电勘测设计研究院，云南 临沧677000)

【摘要】水能是指水流在某一时段里所能够做的功。水能计算的任务是确定水电站工程的保证出力、多年平均发电量等水电站的功能指标，选定装机容量等水电站工程参变数。水电站工程保证出力的计算方法有两种：长系列法和代表年法，可依据径流资料情况与计算精度的要求来选择；装机容量应该根据用电负荷要求、河流来水量等条件经济合理确定。

【关键词】水电站；水能；计算方法

中图分类号：TV72

Research of hydro-energy calculation method in hydropower station project

HUANG Fenggang

(LincangWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Lincang677000,China)

Abstract:Hydro-energy refers to work that is made by water flow within certain period of time. Hydro-energy is calculated aiming at determining hydropower station project firm capacity, average power generation for many years and other function indicators of hydropower station, selected parametric variable such as installed capacity in hydropower projects. Hydropower station firm capacity can be calculated according to two methods: long series method and representative year method. The method can be selected according to runoff data and calculation accuracy, and installed capacity can be economically and rationally determined according to power load requirement, river inflow capacity and other conditions.

Key words: hydropower station; hydro-energy; calculation method

1水利计算

随着水利工程建设的开展，人们更加重视水利工程技术的研究。水利计算是水利学的一个组成部分，它是水资源系统开发和治理中对于河流等水体的水文情况、国民经济各行业用水需求、径流调节方式与经济论证等开展分析计算[1]。水利计算的目的是为建筑物工程的设计与设备工作状态的选择提供数据，以便确定建筑工程的规模与设备的运行规程；此外，水利计算也可以对各种水资源工程的投资和效益、用水单位正常工作的保证程度和工程修建的后果等作经济分析、综合论证提供定量分析的依据。水利计算主要包括水电站的水能计算、灌溉工程的兴利计算、水库防洪计算以及综合利用水库的水利计算等。

2水电站工程水能计算的基本概念

2.1水电站工程

水电站工程的作用主要是利用水能来生产电能，其类型较多，包括无调节水电站、日调节水电站、年调节水电站和灌溉库区水电站等。由于水电站上游没有水库或者水库库容很小，难以对天然来水过程进行调节的水电站，称为无调节水电站；而利用水库(或日调节池)的调节库容使天然来水在一昼夜内重新分配，即把低谷负荷时多余的水量积蓄起来，以供高峰负荷时使用，这样的水电站称为日调节水电站；同理，年调节水电站是调节全年度来水以重新分配的；本着一库多用和一水多用的精神，一些蓄水灌溉的水库，以灌溉为主结合发电，这些水电站称为灌溉水电站，它是农村小型水电站的常见类型。如果按照开发方式来区分，水电站又可以分为坝式、引水式和混合式。

2.2水能计算的基本概念

图1　河段纵断面剖面

设计水电站，首先需要了解天然河流可以利用的能量与功率的大小，然后才能有针对性地设计水电站的出力与发电量。我们所说的水能，就是指水流在某一时段里所能够做的功，在单位时间里水能所做的功被称为水流功率N(kW)[2]。为了计算水流的能量与功率，先取天然河道中一个河段分析，见图1。根据水力学的伯努利方程，水体W在Δt时间内从断面1-1到断面2-2所消耗的能量为

(1)

其中

式中z——断面的水面高程，m；

p/γ——水面压力水头，m；

α——断面流速不均匀系数；

v——断面平均流速，m/s；

γ——水的容重；

g——重力加速度，m/s2；

W——在时间t内流过河段的水体积，m3。

天然河道的水流可近似看作均匀流，在此情况下，可以认定

则式(1)可以写作

(2)

式(2)表示水体W在时间t内经过断面1-1到断面2-2所消耗的水能，即水流的做功。根据水流功率定义，可以知道

(3)

式(3)计算水流功率的单位是kgf ·m/s,因1kW=102kgf ·m/s,则

(4)

通过式(3)、式(4)计算得到的水流功率为水流在天然情况下的功率，称为理想功率。但是水流通过水电站引水建筑物工程到水轮机，并经过尾水管排到下游河道的过程中，会产生各种水头损失ΔH；同时，水电站的总效率η与水轮机效率η水机、传动设备效率η传动、发电机的效率η电机有关，即η=η水机η传动η电机，则水电站实际功率(简称为水电站的出力)为

(5)

令A=0.98η，A为出力系数，小型水电站的A=6.5～7.5。

水电站在t(t1-t2)时段内所发出的电能，称为这一时段的发电量，计算公式如下

(6)

3水电站工程的水能计算方法研究

在水电站工程规划设计期间，必须进行水能计算，它是关系到工程建设全局的一项关键工作。水能计算的任务是确定水电站工程的保证出力、多年平均发电量等水电站的功能指标，选定装机容量、正常蓄水位等水电站工程参变数，以便掌握水电站参变数与功能指标之间的关系。其目的是便于开展多方案的比较，分析各设计方案的水电站经济效益，以选择经济合理的设计方案，并在水电站运行期间，确定水电站的最佳运行方式。

3.1水电站工程保证出力的计算方法

水电站工程的保证出力是指相应于设计保证率的水流平均出力，它是水电站工程的主要动能指标之一[3]。我们以无调节水电站为例来分析其计算方法。无调节水电站的设计保证率可用P历时表示。无调节水电站工程的保证出力的计算方法有两种：长系列法和代表年法，可依据径流资料情况与计算精度的要求来选择。当水电站工程取水断面处的径流系列较长，且具有较好的代表性时，一般采用长系列法，这时计算得出的结果精度较高。下面详细研究长系列法的计算方法。长系列法先根据已有的水文系列，取日为计算时段，逐日计算水电站的日平均出力，再把日平均出力按照大小排列，按常用的经验频率公式计算日平均出力的频率(或保证率)，然后绘制出相应的保证出力频率曲线备查。为简化计算，可由小到大将日平均流量分组，并统计出其出现日数和累积出现日数，再按照分组流量的平均值来计算出力与推求保证出力。出力的计算式为

(7)

式中Q电——发电日平均流量，m3/s，等于分组日平均流量减去其他综合利用部门自水库引走的流量与水库的损失流量；

H净——净水头，m，等于上下游水位差减去水头损失，即H净=Z上-Z下-ΔH。

下面以湖南省湘潭市的湘林水电站为研究对象，介绍其出力的计算方法。湘林水电站位于湘江支流，属于无调节水电站，采用长系列法计算出力，计算结果见下表。除了长系列法外，为了简化过程，也可以采用代表年法计算，即选择设计代表年进行计算。在规划与初步设计阶段，一般是选择三个设计代表年来计算，这三个代表年分别是设计枯水年、设计平水年和设计丰水年。其水能计算通常是按照年水量或枯水期水量来选择设计代表年。但是按照年水量选择设计代表年的最大缺点是没有考虑到径流年内分配的特性。因为年水量符合设计保证率的枯水年份，其枯水期水量却可能出现偏大、偏小的情况。如果使用这样的枯水年去求水电站的保证出力，必然会得到偏大或偏小的结果。因此，只有在径流年内分配较稳定的河流，才以年水量为主来选择设计代表年[4]。另外，日调节水电站工程保证出力的计算方法基本与无调节水电站工程的计算方法相同，只不过日调节水电站工程的上游水位应该是以日调节库容的一半查库容曲线得出的水位为准。

湘林水电站出力计算表

3.2水电站工程多年平均年发电量的计算方法

图2　日平均出力历时曲线

3.3装机容量的计算方法

装机容量的选择，应该根据用电负荷要求、河流来水量等条件经济合理确定。

a.按照负荷要求确定装机容量。根据电力电量平衡原理，设计新水电站时，应满足电力系统在设计水平年对该水电站在电力容量与电能方面的要求。无调节水电站在设计枯水日之内按不变的保证流量Qp放水发电，因此其在日负荷图及年负荷图上的最优工作位置应该是基荷，这样才能充分利用水力资源[5]，即无调节水电站的最优工作容量就等于其保证出力，亦即N″工=Np。无调节水电站为了充分利用丰水季或丰水年的水量，通常装设一部分重复容量(季节容量)。季节容量可通过各种方法进行经济合理性论证，一般也可采用较为简单的季节容量年利用小时数法确定。

用季节容量年利用小时数确定季节容量N季，首先要根据季节用户的特点，初步拟定设计水电站季节容量N季，并按日平均出力历时曲线计算出相应的季节电能E季，然后计算季节容量利用小时数h季，计：

式中h季，规——季节容量年利用小时数的规定值。

根据上述方法，求出最大工作容量和季节容量后，即可初步确定无调节水电站的装机容量：

(8)

再经过机组机型选择，就可以确定无调节水电站的装机容量。

(9)

h年是表示水电站机电设备利用率大小的指标。在一年内，h年较大则机组运行时间长，较小则机组运行时间短。可根据供电对象电力需要的特点及地区水利资源多少的具体条件，预先选定水电站应达到的年利用小时数，然后计算装机容量N装：

(10)

水电站的多年平均年发电量与装机容量存在着密切关系，先假定若干个装机容量方案，计算出每个方案的平均年发电量；再利用式(10)计算每一个方案的年利用小时数，即可绘制出N装—h年关系曲线，然后按照选定的设计年利用小时数h年，设就可查出水电站应有的装机容量N装，设。

参考文献

[1]沈时兴，刘航，金菊良，等. 基于模糊层次分析法的中国水能开发利用潜力评价 [J]. 水电能源科学，2010(12).

[2]文坛花，袁鹰.等流量法和等出力法在年调节水电站水能计算中的应用[J]. 小水电，2006(2).

[3]罗先武，韩操宇，季斌，等.李仙江流域水能资源开发与运行的初步评价[J]. 中国农村水利水电，2012(5).

[4]张仁贡，程夏蕾，陈星.我国水能资源区划的构想[J]. 水电能源科学，2012(4).

[5]王平. 小水电水能计算方法的改进[J]. 水利规划与设计，2013(9).