茶房寺电站装机容量增加的可行性分析

程华卫

（陕西江汉水电勘测设计有限公司，陕西 西安 710016）

1 工程概况

茶房寺电站位于南郑区湘水镇境内，汉江一级支流冷水河中游。坝址医生控制流域面积436 km2，多年平均径流量4.80亿m3。该电站1976年动工，1979年建成发电，主要建筑物有大坝、冲沙闸、进水口、引水明渠、压力管道、主副厂房、尾水渠及户外变电站。茶房寺水电站为引水式电站，现装机1000 kW，设计水头为16.81 m，发电流量为7.96 m3/s，安装两台500 kW混流式发电机组。

2 存在问题

（1）根据收集到的电站近年来的发电量及年利用小时数分析，机组平均年利用小时数4775 h，运行时间长。而且进水口与前池常有弃水，洪水期弃水量更大，水能未充分利用，经济效益和社会效益明显降低。

表1 机组历年发电量及年利用小时数统计表

根据以上分析，茶房寺水电站有增加装机容量的潜力。本次在不改变现有建筑物的前提下，根据《小水电水能设计规程》（SL76-2009）附录C“无调节或日调节电站水能计算”中的计算方法，对茶房寺水电站重新进行水能计算。确定新的装机规模。

3 径流计算

冷水河是汉江一级支流。发源于小南海镇的头道河，至胡家营东北入汉江。全长54 km，流域面积660 km2，河道平均比降30.0‰，主要支流有青石关河、兴隆河。冷水河多年平均径流量6.57亿 m3，平均流量20.83 m3/s。

茶房寺水电站下游14 km处冷水河上设有三华石水文站。三华石水文站控制流域面积578 km2；1948年4月在冷惠渠大坝下游设立，为国家基本水文站，该站有55年的水文资料系列，经过代表性分析，三华石水文站55年径流资料系列包括丰、平、枯水年，丰水段和枯水段交替出现，丰、枯水段大致是对称分布。因此该55年年径流系列具有较好的代表性。三华石水文站与茶房寺水电站在同一流域，下垫面相同，可以作为茶房寺水电站径流计算的参证站。

（1）三华石水文站径流计算

根据三华石水文站站55年径流系列，按连续系列进行频率计算，用数学期望公式计算经验频率，用矩法计算均值、Cv值等参数初试值，采用P━Ⅲ型曲线，按经验适线法进行适线[1]，确定最终参数，Cv取 0.40，Cs/Cv取 2.5，不同频率年径流量计算成果详见表2。

表2 三华石水文站不同频率年径流计算成果表

（2）茶房寺电站坝址年径流计算

茶房寺水电站坝址控制流域面积436 km2，三华石水文站控制流域面积578 km2，用水文比拟法推求设计流域年径流量W设计算公式：

其中：W设、W参为设计坝址、参证站年径流量；F设、F参为设计坝址、参证站控制流域面积，F设=436 km2，F参=578 km2；h设、h参为设计坝址流域、参证站流域多年平均降水量，设计坝址流域多年平均降水量h设=1193.2 mm，参证站流域多年平均降水量h参=1169.7 mm。

经计算，茶房寺水电站坝址处多年平均流量为13.8 m3/s，设计断面各频率年径流量成果详见表3。

表3 茶房寺水电站坝址不同频率年径流计算成果表

（3）茶房寺水电站代表年逐日流量

装机容量5MW以下的小水电站水能计算，可选取丰水年、平水年和枯水年3个代表年的系列资料进行计算。典型代表年选择根据年径流频率计算成果，按照对发电不利的原则进行选取，本次选取与丰水年（P=20%）、平水年（P=50%）和枯水年（P=80%）设计频率接近的1991年、1982年和1967年作为典型年，分别计算丰、平、枯设计代表年的日平均流量系列，作为茶房寺水电站水能计算的依据。典型年选择详见表4。

表4 三华石水文站典型代表年选择成果表

根据选择的三华石水文站典型代表年实测日平均流量系列资料，用同倍比法进行缩放，即用坝址设计年径流量与水文站典型年的年径流量的比值K乘以典型年逐日平均流量，得到茶房寺坝址的代表年的日平均流量系列。对丰、平、枯设计代表年日平均流量进行分级，然后用数学期望公式进行保证率计算。得到日流量保证率曲线，见图1。

图1 坝址典型代表年日平均流量保证率曲线

4 水能计算及装机容量选择

茶房寺水电站属日调节电站，故采用《小水电水能设计规程》（SL76-2009）附录C“无调节或日调节电站水能计算”中计算方法[2]，计算时段采用日为单位。

（1）生态用水量

根据陕水电发[2007]6号文件和陕水电发[2010]11号文件“陕西省水利厅关于农村水电站保证最小下泄流量有关问题的通知”中规定“维持水生生态系统稳定所需最小水量一般不应小于河道控制断面多年平均流量的10%”。茶房寺电站坝址河道多年平均流量为13.8 m3/s，据此计算，茶房寺电站预留1.38 m3/s的生态流量。

（2）计算原则和方法

根据《小水电水能设计规程》，以丰、平、枯三个代表年日平均流量系列，按无调节电站水能计算方法计算本电站各项水能指标。

出力计算公式为：

式中：N为出力值，kW；A为效率系数；Q为流量，m3/s；H为设计净水头，m。

（3）装机容量选择

选择1000kW、1260kW、1600kW三种装机容量方案，对其年发电量、年利用小时数、工程投资等进行比较，见表5。

表5 装机容量比较表

根据表2可以看出，随着装机容量增加，单位电度投资呈增长趋势。方案一单位千瓦投资适中，单位电度投资最小，单位年利用小时数最高，但水利用率最小。方案二单位千瓦投资最小，单位电度投资适中，在装机容量范围内工程效益最好。水工建筑物几乎不需要改造。方案三单位千瓦投资和单位电度投资均最大，发电引用流量11.8 m3/s，再加5%的引水损失，进水口需引水12.39 m3/s，现有的引水渠道进水口的最大过流能力为10.12 m3/s，渠道的过流能力为9.45 m3/s，均不能满足方案三的引水流量要求。需要对进水口和引水渠道进行改造。因此推荐方案二（1260 kW）作为扩容后的装机容量。

5 结语

茶房寺水电站增效扩容后装机1260 kW，水轮机额定水头为16.5 m，发电流量8.94 m3/s，年利用小时数4642 h。多年平均发电量585万 kW·h，较扩容前增加了108万kW·h。按0.325元/度的上网电价计算，电站每年增加收益35.1万元，经济效益显著。扩容后提高了水电站综合能效和安全性能，最大程度的提高电站的经济效益。同时，装机扩容也缓解了当地电力供应不足的问题，改善当地能源结构，保护当地生态环境。确保了地区社会经济健康、持续、稳步发展。