小型徑流式水電站水能復(fù)核研究

□ 程大鵬 □魏躍民

(1鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院 2河南省陸渾水庫管理局陸渾水電站)

1 工程概況

迎水寺水電站位于信陽市固始縣，其建址于鲇魚山水庫中干渠上，目前電站裝機(jī)1600 kW（2×800kW），1978年開始建設(shè)，1984年5月投產(chǎn)發(fā)電。電站設(shè)計(jì)水頭15.50m，最大水頭15.70m，最小水頭15m，設(shè)計(jì)流量單機(jī)6.90m3/s，設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量380萬kW·h。在農(nóng)田灌溉季節(jié)，電站利用渠道灌溉放水發(fā)電；在非灌溉季節(jié)，利用鲇魚山水庫鲇魚山水電站發(fā)電尾水發(fā)電。電站自建成并網(wǎng)運(yùn)行至2011年底累計(jì)發(fā)電量為9800萬kW·h，年均發(fā)電量350萬kW·h。

迎水寺水電站經(jīng)過多年運(yùn)行，其設(shè)備老化較為嚴(yán)重，安全操作性差，綜合能效較低。為提高電站對(duì)水能的利用效率，進(jìn)一步發(fā)揮其發(fā)電效益，擬對(duì)迎水寺水電站進(jìn)行全面的技術(shù)更新改造?？紤]電站建設(shè)年代較早，為合理確定其裝機(jī)方案，需通過水庫的調(diào)節(jié)計(jì)算，結(jié)合水庫與電站的運(yùn)行特性，對(duì)其裝機(jī)方案進(jìn)行復(fù)核，選出其合理的裝機(jī)方案。

2 水文徑流資料選取

鲇魚山水庫為河南省南部的大型水庫，其水文徑流資料較為全面，本次迎水寺水電站的徑流資料根據(jù)鲇魚山水庫1987—2010年共24 a歷年出庫流量資料進(jìn)行推求，以此作為此次水能復(fù)核計(jì)算的引用徑流系列，其多年徑流過程如圖1所示。

由圖1可知，1987—2010年24 a間的年徑流量總體較平穩(wěn)，近年來由于受到人類活動(dòng)以及地面植被變化的影響，徑流較上世紀(jì)有減少趨勢(shì)。迎水寺水電站多年平均年徑流量為1.70億m3，年徑流量最大值3.50億m3，年徑流量最小值0.80億m3，1987—2010年24 a間來流相差較大，水能復(fù)核選取來水系列中包含了豐、平、枯典型年，因此選取徑流資料系列具有代表性。

圖1 電站多年徑流過程圖

3 徑流資料排頻

由于電站對(duì)不同來流的利用情況不同，因此，必須對(duì)其來流按照流量區(qū)間進(jìn)行排頻，劃分流量區(qū)間過大，則導(dǎo)致計(jì)算精度過低，劃分流量區(qū)間過小，則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算工作量的增加，因此，選擇排頻流量的劃分區(qū)間應(yīng)充分考慮計(jì)算精度與計(jì)算效率，本次水能計(jì)算選取的流量區(qū)間為1m3/s，其流量統(tǒng)計(jì)見表1。

以上數(shù)據(jù)處理采用經(jīng)驗(yàn)公式，為更精確地描述電站引水流量情況，利用皮爾遜Ⅲ型曲線表示流量頻率關(guān)系，如圖2所示。

圖2 流量頻率曲線圖

表1 多年徑流資料流量統(tǒng)計(jì)表

統(tǒng)計(jì)分析多年徑流資料可知：1987—2010年24a間迎水寺水電站多年平均流量為5.30m3/s，最大流量為60.50m3/s，流量相差懸殊；各年4—8月來流均較大，為汛期月份，汛期持續(xù)時(shí)間較長、水能資源充沛，平均流量為9.90m3/s，最大流量可達(dá)60.50m3/s。

4 水能計(jì)算分析

電站的出力計(jì)算按照式（1）計(jì)算[3]：

式中，K為綜合出力系數(shù)；Q為發(fā)電流量，對(duì)于列表法，取排頻流量的平均值；為發(fā)電凈水頭，H對(duì)于迎水寺電站，取其設(shè)計(jì)水頭15.5m。

其發(fā)電時(shí)間為流量出現(xiàn)頻率與年小時(shí)的乘積，發(fā)電量為發(fā)電時(shí)間與其出力乘積，以此方法計(jì)算不同裝機(jī)對(duì)應(yīng)的發(fā)電量如圖3所示。

圖3 電站多年平均發(fā)電量與裝機(jī)容量關(guān)系曲線圖

從電站年均發(fā)電量與裝機(jī)容量的關(guān)系可知，電站總裝機(jī)容量在1800 kW以下均比較合理，>1800 kW后年均發(fā)電量增幅變化不大。但是考慮到電站為改造項(xiàng)目，受到原有發(fā)電機(jī)組所在土建部分以及引水管道過流能力的限制，不可能增幅太大。

5 裝機(jī)容量確定

結(jié)合迎水寺水電站的實(shí)際運(yùn)行情況，初步擬定以下兩種裝機(jī)方案：方案一：保持現(xiàn)有2臺(tái)機(jī)組單機(jī)容量800 kW不變，僅更換高效機(jī)組，總裝機(jī)容量仍為1600 kW；方案二：1臺(tái)機(jī)組保持原裝機(jī)800 kW不變，另1臺(tái)機(jī)組增容至1000 kW，總裝機(jī)容量達(dá)到1800 kW。現(xiàn)對(duì)上述兩種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證分析，改造后年均發(fā)電效益計(jì)算時(shí)上網(wǎng)電價(jià)按0.32元/kW·h，計(jì)算得到年均發(fā)電毛效益；通過查閱國內(nèi)目前水電設(shè)備的價(jià)格情況以及廠家詢價(jià)，對(duì)電站改造方案的機(jī)組報(bào)價(jià)給出參考價(jià)格。迎水寺水電站技改方案投資差異在不考慮土建情況下，主要在于發(fā)電機(jī)組、變壓器、調(diào)速器的差異，其余輔助設(shè)備差異較小，因此，在投資比較時(shí)取兩者的投資進(jìn)行比較，綜合列表如表2所示。

表2 迎水寺水電站技術(shù)改造方案經(jīng)濟(jì)比較表

由表2可知，兩種初擬技改方案電站年均發(fā)電量和發(fā)電收益較實(shí)際多年運(yùn)行狀況均有大幅提升，但方案一的效益投資比高于方案二；通過對(duì)1987—2010年24 a間徑流資料統(tǒng)計(jì)分析可知，平均每年徑流達(dá)到和超過13.20m3/s即以裝機(jī)1600 kW滿負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)段比例為10.80%，而平均每年徑流達(dá)到和超過14.90 m3/s即以裝機(jī)1800 kW滿負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)段比例僅為8.30%，且近年來天然徑流受人類活動(dòng)及地面植被變化影響有減少趨勢(shì)，如果電站擴(kuò)容，不僅水能上無法對(duì)其提供有力支撐，降低電站年利用小時(shí)數(shù)和設(shè)備利用率，同時(shí)不利于對(duì)原有土建部分的適應(yīng)性，因此，本次技術(shù)改造最終確定的迎水寺裝機(jī)容量為1600 kW（2×800 kW）。

6 結(jié)語

本文結(jié)合迎水寺水電站技術(shù)改造工程，充分水電站的實(shí)際運(yùn)行情況，在對(duì)水文資料進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用列表法對(duì)其水能進(jìn)行分析計(jì)算，并通過對(duì)不同方案進(jìn)行比選，最終確定了合理的裝機(jī)方案，對(duì)迎水寺水電站的技術(shù)改造具有一定的指導(dǎo)意義，也可以為類似工程提供必要的參考。

[1]趙鵬.基于模糊物元的中小型水電站增容改造方案研究[D].鄭州大學(xué),2010.

[2]伯納德·佩利肯，張學(xué)進(jìn).奧地利小水電發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國農(nóng)村水利水電,2002(8):56-57.

[3]馬躍先，馬希金，閆振真.小型水電站優(yōu)化運(yùn)行與管理[M].鄭州，黃河水利出版社，2000.