基于发电量反推径流水能小水电装机*

(1.德州市水利勘察设计研究院，山东 德州 253000；2.德州市水利局水利施工处，山东 德州 253000；3.西北农林科技大学水利水电科学研究院，陕西 杨凌 712100)

1 概 述

我国小水电资源非常丰富，可开发量高达1.28亿kW，呈分布广、数量多、单站装机容量小等特点。自2005年《可再生能源法》颁布后，农村小水电掀起开发建设高潮，截至2017底全国已建成50000kW以下小水电站4.7万余座，总装机7927万kW[1]。小水电站虽装机容量小，但其是广大农村尤其无电缺电地区人口用电的重要水力发电设施，对振兴地方经济、增加就业、改善民生、抗旱应急救灾、精准扶贫和促进江河治理、生态环境保护等方面均发挥着至关重要的作用[2]。由于农村小水电建设时，普遍受规划理念、建设标准、投资资金和施工技术等因素的影响，加上几十年运营又缺乏合理养护管理制度体系，许多电站一建成投运就存在“带病运行”问题[3]。装机容量达不到设计径流水能指标、机组长期运行在低效工况区、设备老化失修等导致大量水能资源浪费，综合利用效率逐年衰退，安全隐患增多，电站运行经济效益和安全稳定性的负面效应逐年扩大，亟待基于全面水能复核基础上进行增效扩容改造，实现小水电经济社会与环境的可持续稳定发展。

2 径流水能复核关联性函数

径流水能复核是小水电合理确定装机容量的关键，通过对小水电所属河流径流系列进行分析，对来流量大小进行排频，并结合径流与电站历史发电条件，分析不同装机条件下的发电量、年利用小时数等指标，最终优选与工程实际相匹配的装机方案，进一步挖掘径流水能资源，提高发电效益[4-5]。

由于山区河流径流来流量影响因素非常多，加上很多小水电修建在河流支流上，缺乏准确的历史水文数据，大多根据《小型水电站水文计算规范》(SL 77—2013)中的频率分析法利用邻近水文站采集的水文数据进行推演计算，其数据成果的代表性、可靠性和一致性需要进一步复核[6]。考虑到增效扩容改造小水电已有数十年历史，发电量数据较为完善，推荐采用发电量反推小水电径流引用流量，对水能进行全面复核以确定装机方案[7]。发电量反推径流水能复核计算中，主要涉及到电站出力、多年平均发电量和装机容量年利用小时数三个特征指标。

电站出力：为在某一运行工况条件下电站的输出功率,即

N=9.81η机η电QH=9.81ηQH=AQH

(1)

式中H——工作水头，m；

Q——发电流量，m3/s；

η——水力发电机组总效率，%；

A——电站出力系数。

(2)

(3)

为复核采用水文计算规范获得径流水能成果的准确可靠性，确保装机容量与小水电工程特性具有良好匹配性能，可根据式(1)～式(3)反推确定电站历史运行发电引用流量进行相互对比，即

(4)

将电站工作水头H、电站出力系数A、年利用小时数T和多年平均发电量Ei四个特征指标代入式(4)，即可反推发电引用流量，以复核径流水能计算成果，为增效扩容改造合理确定装机方案提供详实数据依据。

3 小水电技改增容水能装机复核

3.1 工程概况

桑郎水电站是汉江支流清水河梯级开发中的一座低坝引水式电站，现状总装机容量2000kW(2×800kW+1×400kW)。电站首部枢纽由混凝土重力溢流坝、进水闸和泄洪闸等组成。电站设计水头65.00m(最大水头65.30m，最小水头64.50m),设计发电引用流量5.17m3/s，年利用小时数4600h，多年平均发电量1250万kW·h。1992年开始建设，1996年建成投运。

电站经过近20年运行，水力发电机组老化严重，机电设备操控性能较差，机组效率逐年降低且安全隐患恶化速率加快。虽然近5年清水河上游来水量呈增加趋势，但电站年均发电量却呈下降趋势，只有715万kW·h，仅为设计年均发电量1250万kW·h的57.20%，综合水能利用效率非常低。为确保装机方案与工程实际匹配，需对清水河流域径流水文进行详细分析，并采用电站历史发电量数据进行复核验证，优选出合理的装机方案以提高电站水能综合利用效率，增加发电效益。

3.2 水文径流分析

清水河流域于1972年设立党家湾水文站，位于桑郎水电站坝址下游2km处，控制流域面积496km2，水文径流资料较为全面，资料连续完整，一致性好。桑郎水电站至党家湾水文站间，地质结构稳定且无额外大型引用水工程，区间降雨对径流影响较小。桑郎水电站技改增容工程选取党家湾水文站1982—2015年共34年径流资料进行水能计算。径流分析成果见图1。

图1 党家湾水文站径流特性

由图1可知，近20年由于人类活动及地面植被变化，径流量总体呈下降趋势，较上世纪径流量有所减少。近5年，退耕还林和生态环保力度加强，清水河流域生态环境得到有效改善，径流量也呈逐年增加趋势。选择的径流系列在分析年间曲线变化趋势较为平缓，既有1980—1985年、1995—1998年间的上升趋势，也有1986—1992年、2005—2006年间的下降趋势，选取的年径流系列具有一定代表性。根据水文比拟法计算获得桑郎水电站年径流量分析成果(见表1)。

表1 桑郎水电站年径流量分析成果

注Cv=0.45;Cs/Cv=2.6。

从表中可知，桑郎水电站平均流量为5.06m3/s，平均径流量为1.68亿m3，与原设计的5.17m3/s和1.55亿m3相差不大，说明选取党家湾水文站34年间的年径流系列资料进行分析，其计算成果具有较好的可靠性、一致性和代表性。

3.3 发电量反推复核水能装机

径流水文分析为电站装机容量确定提供了详实数据，但为进一步掌握电站水力发电特性，更新改造设计时需采用电站历史发电量数据反推进行水能复核，以确保优选与工程实际较匹配的装机方案[8-9]。根据桑郎水电站提供的1999—2013年15年历史发电量数据Ei和气象水文基本资料，按照式(4)进行电站发电引用流量反算，计算结果表明：ⓐ电站发电运行水头H在64.62～64.95m之间，长期偏离65.00m设计水头运行，水能利用效率低；ⓑ电站现有水力发电机组综合出力仅有6.98～8.10，远低于当前水力发电机组综合出力8.60的平均值，水能转换效率低；ⓒ1999—2013年电站年均发电量仅有715万kW·h，年利用小时数却高达5260h，远高于设计4600h和技术改造要求的4000h。电站发电年利用小时数明显偏高，说明电站装机容量明显偏小，电站装机容量虽能满足枯水和平水期来水发电需求，但丰水期即便机组全开且运行在超发工况，依然有1.1m3/s流量的水能资源从溢流道流出，没得到很好利用，存在较大扩容潜力。

根据桑郎水电站首部枢纽断面处的径流流量—频率关系和电站发电量与出力的乘积关系，结合电站工程特性，计算获得电站装机水能复核关系曲线(见图2)。

图2 桑郎电站装机水能复核关系曲线

为了充分挖掘电站发电潜力，对曲线进行二阶求导以优选最优装机方案。从图2可知，电站装机位于3280kW时装机容量—多年平均发电量关系曲线出现二阶拐点，即3280kW为桑郎水电站技改增容的最佳装机容量。综合水轮机和发电机的功率序列，同时考虑电站枯水期发电运行的灵活性[10]，设计最终确定装机容量为3130kW(2×1250kW+1×630kW)，电站装机由2000kW增加到3130kW，增容1130 kW，容量增比56.5%，扩容量大。年利用小时数由5260h降低到4120h，装机容量合理。全面技术改造后，电站多年平均发电量从715万kW·h增加到2020万kW·h，发电效益明显增加。

4 结 论

增效扩容改造是农村小水电充分挖掘河流水能发电潜力、提高水资源综合利用效率的再创造过程。通过对桑郎水电站技改增容改造径流水能的全面复核和装机方案匹配性分析，主要得到以下结论：

a.利用径流水文分析结合历史发电量反推发电引流流量，对电站水能指标进行全面核算和反推，获得的水能特性关系曲线能更好地反映工程实际，具有较好的准确性和匹配性。

b.结合水能复核成果并考虑电站特性及水力发电机组功率序列，确定桑郎水电站装机方案为3130kW(2×1250kW+1×630kW)，装机增容1130kW，多年平均发电量增加1305kW·h，改造后发电效益相当可观。

c.电站水能复核是增效扩容改造的关键，但并不是唯一影响因素。在装机容量确定后，还应从水轮机机型选择、电气主接线、电站监控自动化系统设施和生态环保等方面进行全方位考虑，合理开发利用河流水能资源，增加发电效益。