茶房寺電站裝機(jī)容量增加的可行性分析

程華衛(wèi)

（陜西江漢水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，陜西 西安 710016）

1 工程概況

茶房寺電站位于南鄭區(qū)湘水鎮(zhèn)境內(nèi)，漢江一級(jí)支流冷水河中游。壩址醫(yī)生控制流域面積436 km2，多年平均徑流量4.80億m3。該電站1976年動(dòng)工，1979年建成發(fā)電，主要建筑物有大壩、沖沙閘、進(jìn)水口、引水明渠、壓力管道、主副廠房、尾水渠及戶外變電站。茶房寺水電站為引水式電站，現(xiàn)裝機(jī)1000 kW，設(shè)計(jì)水頭為16.81 m，發(fā)電流量為7.96 m3/s，安裝兩臺(tái)500 kW混流式發(fā)電機(jī)組。

2 存在問(wèn)題

（1）根據(jù)收集到的電站近年來(lái)的發(fā)電量及年利用小時(shí)數(shù)分析，機(jī)組平均年利用小時(shí)數(shù)4775 h，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。而且進(jìn)水口與前池常有棄水，洪水期棄水量更大，水能未充分利用，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯降低。

表1 機(jī)組歷年發(fā)電量及年利用小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)以上分析，茶房寺水電站有增加裝機(jī)容量的潛力。本次在不改變現(xiàn)有建筑物的前提下，根據(jù)《小水電水能設(shè)計(jì)規(guī)程》（SL76-2009）附錄C“無(wú)調(diào)節(jié)或日調(diào)節(jié)電站水能計(jì)算”中的計(jì)算方法，對(duì)茶房寺水電站重新進(jìn)行水能計(jì)算。確定新的裝機(jī)規(guī)模。

3 徑流計(jì)算

冷水河是漢江一級(jí)支流。發(fā)源于小南海鎮(zhèn)的頭道河，至胡家營(yíng)東北入漢江。全長(zhǎng)54 km，流域面積660 km2，河道平均比降30.0‰，主要支流有青石關(guān)河、興隆河。冷水河多年平均徑流量6.57億 m3，平均流量20.83 m3/s。

茶房寺水電站下游14 km處冷水河上設(shè)有三華石水文站。三華石水文站控制流域面積578 km2；1948年4月在冷惠渠大壩下游設(shè)立，為國(guó)家基本水文站，該站有55年的水文資料系列，經(jīng)過(guò)代表性分析，三華石水文站55年徑流資料系列包括豐、平、枯水年，豐水段和枯水段交替出現(xiàn)，豐、枯水段大致是對(duì)稱分布。因此該55年年徑流系列具有較好的代表性。三華石水文站與茶房寺水電站在同一流域，下墊面相同，可以作為茶房寺水電站徑流計(jì)算的參證站。

（1）三華石水文站徑流計(jì)算

根據(jù)三華石水文站站55年徑流系列，按連續(xù)系列進(jìn)行頻率計(jì)算，用數(shù)學(xué)期望公式計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率，用矩法計(jì)算均值、Cv值等參數(shù)初試值，采用P━Ⅲ型曲線，按經(jīng)驗(yàn)適線法進(jìn)行適線[1]，確定最終參數(shù)，Cv取 0.40，Cs/Cv取 2.5，不同頻率年徑流量計(jì)算成果詳見(jiàn)表2。

表2 三華石水文站不同頻率年徑流計(jì)算成果表

（2）茶房寺電站壩址年徑流計(jì)算

茶房寺水電站壩址控制流域面積436 km2，三華石水文站控制流域面積578 km2，用水文比擬法推求設(shè)計(jì)流域年徑流量W設(shè)計(jì)算公式：

其中：W設(shè)、W參為設(shè)計(jì)壩址、參證站年徑流量；F設(shè)、F參為設(shè)計(jì)壩址、參證站控制流域面積，F(xiàn)設(shè)=436 km2，F(xiàn)參=578 km2；h設(shè)、h參為設(shè)計(jì)壩址流域、參證站流域多年平均降水量，設(shè)計(jì)壩址流域多年平均降水量h設(shè)=1193.2 mm，參證站流域多年平均降水量h參=1169.7 mm。

經(jīng)計(jì)算，茶房寺水電站壩址處多年平均流量為13.8 m3/s，設(shè)計(jì)斷面各頻率年徑流量成果詳見(jiàn)表3。

表3 茶房寺水電站壩址不同頻率年徑流計(jì)算成果表

（3）茶房寺水電站代表年逐日流量

裝機(jī)容量5MW以下的小水電站水能計(jì)算，可選取豐水年、平水年和枯水年3個(gè)代表年的系列資料進(jìn)行計(jì)算。典型代表年選擇根據(jù)年徑流頻率計(jì)算成果，按照對(duì)發(fā)電不利的原則進(jìn)行選取，本次選取與豐水年（P=20%）、平水年（P=50%）和枯水年（P=80%）設(shè)計(jì)頻率接近的1991年、1982年和1967年作為典型年，分別計(jì)算豐、平、枯設(shè)計(jì)代表年的日平均流量系列，作為茶房寺水電站水能計(jì)算的依據(jù)。典型年選擇詳見(jiàn)表4。

表4 三華石水文站典型代表年選擇成果表

根據(jù)選擇的三華石水文站典型代表年實(shí)測(cè)日平均流量系列資料，用同倍比法進(jìn)行縮放，即用壩址設(shè)計(jì)年徑流量與水文站典型年的年徑流量的比值K乘以典型年逐日平均流量，得到茶房寺壩址的代表年的日平均流量系列。對(duì)豐、平、枯設(shè)計(jì)代表年日平均流量進(jìn)行分級(jí)，然后用數(shù)學(xué)期望公式進(jìn)行保證率計(jì)算。得到日流量保證率曲線，見(jiàn)圖1。

圖1 壩址典型代表年日平均流量保證率曲線

4 水能計(jì)算及裝機(jī)容量選擇

茶房寺水電站屬日調(diào)節(jié)電站，故采用《小水電水能設(shè)計(jì)規(guī)程》（SL76-2009）附錄C“無(wú)調(diào)節(jié)或日調(diào)節(jié)電站水能計(jì)算”中計(jì)算方法[2]，計(jì)算時(shí)段采用日為單位。

（1）生態(tài)用水量

根據(jù)陜水電發(fā)[2007]6號(hào)文件和陜水電發(fā)[2010]11號(hào)文件“陜西省水利廳關(guān)于農(nóng)村水電站保證最小下泄流量有關(guān)問(wèn)題的通知”中規(guī)定“維持水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需最小水量一般不應(yīng)小于河道控制斷面多年平均流量的10%”。茶房寺電站壩址河道多年平均流量為13.8 m3/s，據(jù)此計(jì)算，茶房寺電站預(yù)留1.38 m3/s的生態(tài)流量。

（2）計(jì)算原則和方法

根據(jù)《小水電水能設(shè)計(jì)規(guī)程》，以豐、平、枯三個(gè)代表年日平均流量系列，按無(wú)調(diào)節(jié)電站水能計(jì)算方法計(jì)算本電站各項(xiàng)水能指標(biāo)。

出力計(jì)算公式為：

式中：N為出力值，kW；A為效率系數(shù)；Q為流量，m3/s；H為設(shè)計(jì)凈水頭，m。

（3）裝機(jī)容量選擇

選擇1000kW、1260kW、1600kW三種裝機(jī)容量方案，對(duì)其年發(fā)電量、年利用小時(shí)數(shù)、工程投資等進(jìn)行比較，見(jiàn)表5。

表5 裝機(jī)容量比較表

根據(jù)表2可以看出，隨著裝機(jī)容量增加，單位電度投資呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。方案一單位千瓦投資適中，單位電度投資最小，單位年利用小時(shí)數(shù)最高，但水利用率最小。方案二單位千瓦投資最小，單位電度投資適中，在裝機(jī)容量范圍內(nèi)工程效益最好。水工建筑物幾乎不需要改造。方案三單位千瓦投資和單位電度投資均最大，發(fā)電引用流量11.8 m3/s，再加5%的引水損失，進(jìn)水口需引水12.39 m3/s，現(xiàn)有的引水渠道進(jìn)水口的最大過(guò)流能力為10.12 m3/s，渠道的過(guò)流能力為9.45 m3/s，均不能滿足方案三的引水流量要求。需要對(duì)進(jìn)水口和引水渠道進(jìn)行改造。因此推薦方案二（1260 kW）作為擴(kuò)容后的裝機(jī)容量。

5 結(jié)語(yǔ)

茶房寺水電站增效擴(kuò)容后裝機(jī)1260 kW，水輪機(jī)額定水頭為16.5 m，發(fā)電流量8.94 m3/s，年利用小時(shí)數(shù)4642 h。多年平均發(fā)電量585萬(wàn) kW·h，較擴(kuò)容前增加了108萬(wàn)kW·h。按0.325元/度的上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算，電站每年增加收益35.1萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。擴(kuò)容后提高了水電站綜合能效和安全性能，最大程度的提高電站的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，裝機(jī)擴(kuò)容也緩解了當(dāng)?shù)仉娏?yīng)不足的問(wèn)題，改善當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)，保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。確保了地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康、持續(xù)、穩(wěn)步發(fā)展。