水库电站改造的水能计算

郭东祥 张龙龙

摘 要：某水库电站现装机2×500千瓦，由于设备年久老化，需进行扩容改造升级，而小型水电站设计的难点在于水能计算。本文重点阐述水电站水能计算中涉及梯级中小水库时的简易计算方法。

关键词：水电站，水能计算； 计算方法

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

1 概述

该水库是一座以防洪为主，结合灌溉、发电、城镇供水综合利用的三等中型水库，控制流域面积160km2，总库容1947万m3，兴利库容1010万m3，死库容18万m3，最大坝高50.7m，坝长150m。该水库水电站现装机2×500千瓦，由于设备年久老化，需进行扩容改造升级，在水电站升级改造设计过程中的难点与重点在于水能计算，结合实践，下面介绍一种简易水能计算办法。

2 水库蒸发与渗漏损失

该水库年平均水面蒸发量为1742.9mm，按平均兴利库容1/2兴利库容+死库容=1010/2+18=523万m3，相应水面面积为0.46km2，相应水位为294.31m。则年蒸发量为：

0.46×1.7429×106=0.802×106m3=80.2万m3

该水库已完成除险加固工程，渗漏很少，可忽略不计，但要考虑生态基流，年径流深离差系数Cv取0.715；按上游水库与该水库区间径流量的10%，计算：

0.715×100km2×150mm×10%=107.2万m3。

3 额定水头计算

3.1 平均水头计算

（1）算术平均水位法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

下游尾水设计流量Q=4.16 m3/s，下游水深为0.77m。

下游尾水水位为：267.85+0.77=268.62；

△h=1.17；H平均=287.25-268.62-1.17=17.46m。

（2）平均库容法。

上游平均水位：按1/2兴利库容对应的水位计算；

兴利库容=1010万m3；兴利/2+死库容=523万m3。

通过水库库容曲线资料查得所对应水位为294.31m。

H平均=294.31-268.62-1.17=24.52m。

3.2 水电站的最大水头

上游最高水位为正常蓄水位302.5m。按该水库干渠加大设计流量4.16 m3/s的1/3计算，下游渠道水深为0.37m，下游渠底高程为267.85m，最底尾水位为267.85+0.37=268.22m。当Q=1.39m3/s时，水头损失为0.16，则H最大=302.5-268.22-0.16=34.12m。

3.3 水電站最小水头

上游死水位为272.0m。当下游流量为4.16m3/s时，下游水位为268.62m，水头损失为1.17m，则电站最小水头为272.0-268.62-1.17=2.21m。

3.4 最大最小水头法计算平均水头

H平均=（H最大+ H最小）÷2=18.17m。

3.5 平均水头确定

上述算术平均值法计算粗略，最大最小水头法没有考虑库容影响，相比较采用平均库容法较适宜，即：H平均=24.52m，相应上游水位采用294.31m。

3.6 设计水头

H设计/H平均=0.95；则H设计=0.95×24.52=23.29m。

由于该水库上游有水库，水库调度运行方式原则上长期保持高水位，不足水量由上游水库调配，可提高设计水头，水库消落深度按3m计算，即上游水库设计水位为302.5-3=299.5m，

则：H设计=299.5-268.62-1.17=29.71m；

H平均=（34.12+29.71）÷2=31.92m。

为保证下游抗旱灌溉，水库放水原则上不低于二级洞进口高程282.5m，相应最低水头为282.5-268.62-1.17=12.71m。

4 水能计算

4.1 计算原则

（1）在满足安全、节能、环保前提下，结合水电站实际情况，充分利用原水电站设备设施，采用新技术、新工艺、新材料，本着高新、节能、易于操作的原则，为水电站选用代表目前较高水平的设备设施，并使设备之间相互匹配，发挥最佳效益。

（2）由于水库已除险加固完成，电站引水闸，压力钢管已改造完成，本次设计计算按原钢管计算水头损失。

（3）水库灌区节水改造已完成，电站尾水渠利用灌区干渠，原则不再变动。

（4）该水库工程任务以防洪为主，结合农业灌溉，城市生活生产供水，兼顾水力发电。电站发电工况为：灌溉和城市供水时，发电流量等于灌溉供水流量，水库在汛期泄洪时，发电水位在正常水位满负荷发电。

4.2 保证出力计算

水库主要为灌区供水，灌区设计保证率为50%，故水电站设计保证率取50%，流量为Q流=3.33m3/s，故设计保证出力为：

N保=A×Q保×H设=742kw（A取7.5，Q保=3.33 m3/s，H设=29.71m）

4.3 装机规模确定

（1）装机规模。按照装机容量保证出力倍比法，可计算装机容量范围，参考《小型水电站》（天津大学水力系主编），结合本地水资源条件倍比系数按1.1～1.5，则水电站装机容量范围为：

N装=（1.1～1.5）×742=816～1113kw

由于原电站装机为2×500kw，按照《农村水电增效扩容改造项目指导意见》原则上不增加机组，充分利用原设备减少投资，本次计划该项目仍采用2×500kw机组。

4.4 多年平均发电量计算

灌区设计保证率50%，2000年为设计基准年，2010年为设计水平年，可供水量为4261万m3，地下水可供水量为780 万m3，合计可利用水量为5041万m3。

灌区设计灌溉面积11.2万亩，地表水利用系数达到0.6，地下水为0.85，50%设计保证率农业需水量3630.48万m3，加上灌区生活及工业需水量1330.6万m3，设计总需量为4961.08万m3，地表水可供水量为4261万m3，显然地表水不能满足灌区用水要求，因此该水库50%水平年，径流可全部用于灌区和城市供水。水库年蒸发量为80.2万m3，生态基流为107.2万m3。

（下转第37页）

（上接第110页）

上游水库每年可向该水库输水量：发电+生态=1691.6万m3；

上游水库与该水库区间径流量可用水量：

50%水平年区间径流=0.715×100km2×126mm=900.9万m3；

90%枯水年来水=0.715×100km2×39mm=278.9万m3；

10%丰水年来水=0.715×100km2×290mm=2073.5万m3；

丰枯年平均来水=（900.9+278.9+2073.5）/3=1084.4万m3。

蒸发量：80.2万m3；生态基流：107.2万m3；

可用于发电水量为1084.4-80.2-107.2=897万m3；

合计该水库电站发电水量为：1691.6+897=2588.6万m3；

设计水头Hr=29.71m，Q=3.33m3/s；N=7.5×Hr×Q =742kW；

单位电能需水量按1小时计算W=Q×3600=11988m3；

单位电能需水量为11988÷742=16.2 m3/千瓦时；

初估多年平均发电量为2588.6万m3÷16.2 m3=160万千瓦时。

4.5 装机容量年利用小时数

160万千瓦时÷0.1万千瓦时=1600小时。

4.6 发电流量估算

最大水头发电流量：H最大=34.12m；Q=1000÷7.5×34.12=3.91m3/s

设计水头发电流量H设计=29.71m；Q=1000÷7.5×29.71=4.5m3/s

最小水头发电流量H最小=12.71m（当水位低于设计时，一台机组发电）；Q单机=1000÷7.5×12.71=5.25m3/s（单机）。

平均水头发电流量：H平均=31.92m；Q=1000÷7.5×31.92=4.18m3/s

5 计算结果

該水库水电站设计水头29.71米，保证流量3.33m3/s，保证出力742kw，年发电水量2588.6万m3。拦截基流全部用于发电，经计算，多年平均发电量可达160万千瓦时，年利用小时1600小时。

参考文献：

[1]天津大学水力系主编《小型水电站》[M].水利电力出版社，1976.

[2]水利部主编《小型水电站技术改造规范》[M].水利水电出版社，

2011（11）.