徑流式小型水電站水能計算方法

徑流式小型水電站水能計算方法

鄢麗麗;呂文麗;張旭輝

【摘 要】5 MW以下裝機的小水電站多建于資料缺少的地區,一般為無調節能力水

電站,參考標準要求可做適當簡化.通過實例,對無資料或資料短缺的5 MW以下的

水電站,介紹一種水能規劃計算方法,供同行討論和參考.

【期刊名稱】《水電與新能源》

【年(卷),期】2011(000)005

【總頁數】3頁(P48-50)

【關鍵詞】水能計算;無調節性能;水電站出力;裝機容量;多年平均發電量

【作 者】鄢麗麗;呂文麗;張旭輝

【作者單位】廣東省水利水電科學研究院,廣東廣州510610;廣東省大壩安全技術

管理中心,廣東廣州510610;廣東省水利水電科學研究院,廣東廣州510610;廣東省

大壩安全技術管理中心,廣東廣州510610;廣東省水利水電科學研究院,廣東廣州

510610;廣東省大壩安全技術管理中心,廣東廣州510610

【正文語種】中 文

【中圖分類】TK712

我國小水電資源十分豐富，技術可開發量達1.28億kW。目前，大陸地區已建成

小水電站45 000多座，裝機容量5 100多萬kW。小水電遍及全國1/2的地域、

1/3的縣市，使3億多無電人口用上了電。小水電在解決農村用電、帶動農村經濟

社會發展、改善農民生產生活條件、促進節能減排等多方面發揮了重要作用［1］。

本文結合某小型水電站的設計，介紹該類小水電的水能計算方法。

1 水能計算

(1)計算流程。水電站的裝機容量、出力和發電量等是水電站重要的指標。有關水

電站出力、發電量和其他參數的計算稱為水能計算，其簡化的計算過程如圖1。

(2)基本資料分析。小水電水能設計應在收集和分析本地社會經濟、自然條件、電

力系統、生態環境以及綜合利用等基本資料和要求的基礎上進行。

圖1 水能計算流程

缺乏實測資料地區的小水電站可引用鄰近流域實測資料或經審查的水文圖表資料，

選取豐水年、平水年和枯水年3個或3個以上代表年的系列資料。

某小水電站壩址控制集水面積55.1 km2，由于流域無實測流量資料，而相鄰流域

內離壩址71 km處有一水文站共有45 a的實測流量資料。初步分析，該水文站

45 a資料包括豐、平、枯水年，有一定的系列代表性。電站與水文站集水面積內

的地理、氣象等條件基本一致，故可用面積比的一次方移用該站的水文資料，并以

離壩址最近的雨量站多年平均24 h暴雨量與水文站多年平均24 h暴雨量比例進

一步修正集水面積比擬成果。

式中:Q壩址、Q站 為壩址和水文站的流量，m3/s;F壩址、F站為壩址和水文站的

控制集水面積，km2;r為雨量修正系數，離壩址最近的雨量站多年平均24 h暴雨

量/水文站多年平均24 h暴雨量。

經計算壩址多年平均流量1.63 m3/s，枯水年(P=90%)平均流量Q=1.04 m3/s;平

水年(P=50%)平均流量Q=1.57 m3/s;豐水年(P=10%)平均流量Q=2.31 m3/s。

根據3個代表年的平均流量，選擇與之相近的實際年作為典型年，枯水年為

1978～1979年;平水年為1966～1967年;豐水年為1994～1995年。

(3)保證出力的確定。無調節或日調節水電站的保證出力計算，規模在5 MW以下

的水電站可采用豐、平、枯3個或3個以上典型年的日平均流量系列繪制日流量

歷時曲線或日流量保證率曲線;按各種流量時的相應水頭和選擇的出力系數，計算

出力并繪制出力歷時曲線或出力保證率曲線。對應于電站設計保證率的出力即為保

證出力。

小水電站的設計保證率應根據設計水電站占當地電力系統比重，系統中有調節能力

水電站所占比重等因素確定。可參考表1選擇適當的設計保證率［1］。

表1 小水電站設計保證率包括本電站系統中有調節能力水電站所占比重/% 25以

下 25～50 50/% 90～95 85～90 80～85以上水電站設計保證率

將豐、平、枯三個代表年的逐日流量作為電站的引用發電流量，并根據已確定的水

頭，按出力公式N=AQH計算逐日的出力過程。根據電站3年的出力過程，點繪

成出力的頻率曲線，再由已知的設計保證率P查出相應的保證出力NP。

無調節水電站的上游水位一般維持在正常蓄水位，只有在汛期宣泄洪水時才可能出

現臨時超高。在計算中，將發電毛水頭(上下游水位差)減去沿程損失hf和局部損

失hj后作為計算水頭H。

本工程設計保證率為90%，A為電站出力系數，小型電站一般采用 6.5 ～7.5

［2］，本次發電計算電站出力系數取7.0。電站上游水位279.0 m，下游水位根

據壩址水位流量關系確定，不同流量下游水約263.3～264.1 m，水頭損失約0.18

m，凈水頭14.72 ～15.52m。計算電站的出力保證率曲線如圖2，查得保證率

P=90%的保證出力NP為38.0 kW，對應的流量 QP為0.35 m3/s。

圖2 電站出力保證率曲線

(4)設計流量的確定。根據月(旬)平均流量或豐、平、枯代表年流量變化，合理確定

設計流量Q設(又稱裝機設計流量)。引水式電站水頭基本上是固定的，因此合理確

定設計流量Q設，是確定電站規模及裝機容量的關鍵，同時還應考慮負荷需要，

使電站裝機更經濟合理。

如何合理充分利用水能，一般從多年平均徑流的水量利用率與多年平均利用小時二

者的關系，或從水能最優利用率來考慮。電站設計流量過大，則電站利用小時過小，

機組利用率低;反之，設計流量過小，電站利用小時很大，設備利用率很高，但水

量不能充分利用，浪費水力資源。

將水量利用率K、設備利用率B兩者相乘，稱為水能總利用率C。兩系數乘積最大，

就是水能最優利用率C最優，它所相應的流量為設計流量。該流量的確定既考慮

了水力資源充分利用，又考慮了設備充分利用。

水量利用率K采用下式計算:

式中:W電為通過水輪機的年平均水量(104m3或108m3);W總為電站壩址以上集

水面積多年平均總水量(104m3或108m3)。

在多年平均流量歷時曲線，某一流量Q以下包圍面積為利用水量W電，歷時曲線

所包圍的總面積為多年平均總水量W總(水文資料較少時，常以豐、平、枯三個代

表年的逐日流量計算)。

設備利用率B采用下式計算:

年利用小時T是指電站1年中的發電量按全部裝機容量折算所得的年運行小時數，

某一流量Q下的年利用小時T=W總/Q。

根據豐、平、枯三個代表年的逐日流量歷時曲線，假設不同流量，可得出不同的水

量利用率K和設備利用率B，水能最優利用率C最優所對應的流量為設計流量 Q

設。

本工程設計流量計算如表2，根據壩址豐、平、枯三個代表年的逐日流量歷時曲線，

假設不同流量，可得出不同的可利用水量W電，由此可按K=W電/W總算出水

量利用率K，及水能最優利用率C最優。

從表2計算結果可知，Q設=2.0 m3/s時總利用率C最大為23.9%，即為水能最

優利用率，故本電站設計流量采用2.0 m3/s。

表2 水能最優利用率計算表假定流量Q/(m3·s-1)總利用率C/%(1)(2)(3)(4)=(2)(1)

可利用水量W電/(m3·s-1·h-1)水量利用率K/%設備運轉時間T/h設備利用率

B/%(5)=(4)8 760 (6)=(3)×(5)1.0 4 592.99 36.7 4 593.0 52.4 19.2 1.5 6 140.24

49.0 4 093.5 46.7 22.9 2.0 7 242.80 57.8 3 621.4 41.3 23.9 2.5 8 067.47 64.4

3 227.0 36.8 23.7 3.0 8 685.99 69.3 2 895.3 33.1 22.9 3.5 9 172.18 73.2 2

622.0 30.0 21.9 4.0 9 554.89 76.3 2 388.7 27.3 20.8 4.5 9 848.71 78.6 2

188.6 25.0 19.6 5.0 10 094.03 80.6 2 018.8 23.0 18.6

(5)裝機容量的確定。占系統比重不大的小水電站的裝機容量選擇可根據當地電力

需求實際情況，采用技術經濟比較的方法確定，而不必進行電力電量平衡。0.5

MW以下的水電站的裝機容量可按年利用小時數控制確定［1］。

無調節的引水式電站，由于水頭為常數，裝機容量與設計流量成正比，因此確定設

計流量Q設，也就是確定了裝機容量Ny。在規劃設計中為了適應小型水電站的實

際情況，確定裝機容量的方法應力求簡單而又切合實際，以免將來運行后與實際負

荷相差太遠。

采用出力公式確定Ny:

式中:Ny為裝機容量，kW;A為系數;Q設為設計流量，m3/s;H計為計算水頭，m。

本工設計流量為 Q設=2.0 m3/s，Ny=AQ設H計=7.0 ×2.0 ×15.52=217 kW，

故電站裝機容量為217 kW。

2 多年平均發電量的計算

用n年系列各月平均流量，計算多年平均發電量多:

式中，E年為年發電量，E年=ΣE=ΣNT，其中T為每月的小時數，平均每月近似

為730 h。

出力N的基本計算公式:N=AQ計H計。式中:N為電站平均出力，kW;Q計為電

站發電計算流量，m3/s;H計為電站計算水頭，m。

根據年月徑流系列，或豐、平、枯代表年徑流資料，并確定了計算流量Q計及計

算水頭H計計，便可按式(4)計算求得逐月的平均出力，進而計算多年平均發電量。

對已有的45 a的逐月平均流量，月平均流量大于或等于設計流量2.0 m3/s以2.0

m3/s計算，小于設計流量則按實際流量計算。按公式E=NT=AQ計H計T計算

月平均發電量，得出每年的發電量，取平均為多年平均發電量，經計算得該電站的

多年平均發電量為109.8萬 kW·h。

3 結語

根據水電站動能計算，本小型電站設計保證出力38.0 kW，水能最優利用率最大

的設計流量為2.0 m3/s，電站裝機為217 kW，多年平均發電量為109.8萬kW·h，

年利用小時數5 052 h。對比同類電站的設計，該電站的保證出力、裝機容量和年

利用小時數是比較合適的。

參考文獻:

【相關文獻】

［1］SL76-2009，小水電水能設計規程［S］.

［2］薛金淮.關于水能計算中K值的探討［J］.電網與水力發電進展，2008，24(3):27-29.