基于發(fā)電量反推徑流水能小水電裝機*

(1.德州市水利勘察設(shè)計研究院，山東 德州 253000；2.德州市水利局水利施工處，山東 德州 253000；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利水電科學(xué)研究院，陜西 楊凌 712100)

1 概 述

我國小水電資源非常豐富，可開發(fā)量高達1.28億kW，呈分布廣、數(shù)量多、單站裝機容量小等特點。自2005年《可再生能源法》頒布后，農(nóng)村小水電掀起開發(fā)建設(shè)高潮，截至2017底全國已建成50000kW以下小水電站4.7萬余座，總裝機7927萬kW[1]。小水電站雖裝機容量小，但其是廣大農(nóng)村尤其無電缺電地區(qū)人口用電的重要水力發(fā)電設(shè)施，對振興地方經(jīng)濟、增加就業(yè)、改善民生、抗旱應(yīng)急救災(zāi)、精準(zhǔn)扶貧和促進江河治理、生態(tài)環(huán)境保護等方面均發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[2]。由于農(nóng)村小水電建設(shè)時，普遍受規(guī)劃理念、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、投資資金和施工技術(shù)等因素的影響，加上幾十年運營又缺乏合理養(yǎng)護管理制度體系，許多電站一建成投運就存在“帶病運行”問題[3]。裝機容量達不到設(shè)計徑流水能指標(biāo)、機組長期運行在低效工況區(qū)、設(shè)備老化失修等導(dǎo)致大量水能資源浪費，綜合利用效率逐年衰退，安全隱患增多，電站運行經(jīng)濟效益和安全穩(wěn)定性的負面效應(yīng)逐年擴大，亟待基于全面水能復(fù)核基礎(chǔ)上進行增效擴容改造，實現(xiàn)小水電經(jīng)濟社會與環(huán)境的可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

2 徑流水能復(fù)核關(guān)聯(lián)性函數(shù)

徑流水能復(fù)核是小水電合理確定裝機容量的關(guān)鍵，通過對小水電所屬河流徑流系列進行分析，對來流量大小進行排頻，并結(jié)合徑流與電站歷史發(fā)電條件，分析不同裝機條件下的發(fā)電量、年利用小時數(shù)等指標(biāo)，最終優(yōu)選與工程實際相匹配的裝機方案，進一步挖掘徑流水能資源，提高發(fā)電效益[4-5]。

由于山區(qū)河流徑流來流量影響因素非常多，加上很多小水電修建在河流支流上，缺乏準(zhǔn)確的歷史水文數(shù)據(jù)，大多根據(jù)《小型水電站水文計算規(guī)范》(SL 77—2013)中的頻率分析法利用鄰近水文站采集的水文數(shù)據(jù)進行推演計算，其數(shù)據(jù)成果的代表性、可靠性和一致性需要進一步復(fù)核[6]?？紤]到增效擴容改造小水電已有數(shù)十年歷史，發(fā)電量數(shù)據(jù)較為完善，推薦采用發(fā)電量反推小水電徑流引用流量，對水能進行全面復(fù)核以確定裝機方案[7]。發(fā)電量反推徑流水能復(fù)核計算中，主要涉及到電站出力、多年平均發(fā)電量和裝機容量年利用小時數(shù)三個特征指標(biāo)。

電站出力：為在某一運行工況條件下電站的輸出功率,即

N=9.81η機η電QH=9.81ηQH=AQH

(1)

式中H——工作水頭，m；

Q——發(fā)電流量，m3/s；

η——水力發(fā)電機組總效率，%；

A——電站出力系數(shù)。

(2)

(3)

為復(fù)核采用水文計算規(guī)范獲得徑流水能成果的準(zhǔn)確可靠性，確保裝機容量與小水電工程特性具有良好匹配性能，可根據(jù)式(1)～式(3)反推確定電站歷史運行發(fā)電引用流量進行相互對比，即

(4)

將電站工作水頭H、電站出力系數(shù)A、年利用小時數(shù)T和多年平均發(fā)電量Ei四個特征指標(biāo)代入式(4)，即可反推發(fā)電引用流量，以復(fù)核徑流水能計算成果，為增效擴容改造合理確定裝機方案提供詳實數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 小水電技改增容水能裝機復(fù)核

3.1 工程概況

桑郎水電站是漢江支流清水河梯級開發(fā)中的一座低壩引水式電站，現(xiàn)狀總裝機容量2000kW(2×800kW+1×400kW)。電站首部樞紐由混凝土重力溢流壩、進水閘和泄洪閘等組成。電站設(shè)計水頭65.00m(最大水頭65.30m，最小水頭64.50m),設(shè)計發(fā)電引用流量5.17m3/s，年利用小時數(shù)4600h，多年平均發(fā)電量1250萬kW·h。1992年開始建設(shè)，1996年建成投運。

電站經(jīng)過近20年運行，水力發(fā)電機組老化嚴重，機電設(shè)備操控性能較差，機組效率逐年降低且安全隱患惡化速率加快。雖然近5年清水河上游來水量呈增加趨勢，但電站年均發(fā)電量卻呈下降趨勢，只有715萬kW·h，僅為設(shè)計年均發(fā)電量1250萬kW·h的57.20%，綜合水能利用效率非常低。為確保裝機方案與工程實際匹配，需對清水河流域徑流水文進行詳細分析，并采用電站歷史發(fā)電量數(shù)據(jù)進行復(fù)核驗證，優(yōu)選出合理的裝機方案以提高電站水能綜合利用效率，增加發(fā)電效益。

3.2 水文徑流分析

清水河流域于1972年設(shè)立黨家灣水文站，位于桑郎水電站壩址下游2km處，控制流域面積496km2，水文徑流資料較為全面，資料連續(xù)完整，一致性好。桑郎水電站至黨家灣水文站間，地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且無額外大型引用水工程，區(qū)間降雨對徑流影響較小。桑郎水電站技改增容工程選取黨家灣水文站1982—2015年共34年徑流資料進行水能計算。徑流分析成果見圖1。

圖1 黨家灣水文站徑流特性

由圖1可知，近20年由于人類活動及地面植被變化，徑流量總體呈下降趨勢，較上世紀徑流量有所減少。近5年，退耕還林和生態(tài)環(huán)保力度加強，清水河流域生態(tài)環(huán)境得到有效改善，徑流量也呈逐年增加趨勢。選擇的徑流系列在分析年間曲線變化趨勢較為平緩，既有1980—1985年、1995—1998年間的上升趨勢，也有1986—1992年、2005—2006年間的下降趨勢，選取的年徑流系列具有一定代表性。根據(jù)水文比擬法計算獲得桑郎水電站年徑流量分析成果(見表1)。

表1 桑郎水電站年徑流量分析成果

注Cv=0.45;Cs/Cv=2.6。

從表中可知，桑郎水電站平均流量為5.06m3/s，平均徑流量為1.68億m3，與原設(shè)計的5.17m3/s和1.55億m3相差不大，說明選取黨家灣水文站34年間的年徑流系列資料進行分析，其計算成果具有較好的可靠性、一致性和代表性。

3.3 發(fā)電量反推復(fù)核水能裝機

徑流水文分析為電站裝機容量確定提供了詳實數(shù)據(jù)，但為進一步掌握電站水力發(fā)電特性，更新改造設(shè)計時需采用電站歷史發(fā)電量數(shù)據(jù)反推進行水能復(fù)核，以確保優(yōu)選與工程實際較匹配的裝機方案[8-9]。根據(jù)桑郎水電站提供的1999—2013年15年歷史發(fā)電量數(shù)據(jù)Ei和氣象水文基本資料，按照式(4)進行電站發(fā)電引用流量反算，計算結(jié)果表明：?電站發(fā)電運行水頭H在64.62～64.95m之間，長期偏離65.00m設(shè)計水頭運行，水能利用效率低；?電站現(xiàn)有水力發(fā)電機組綜合出力僅有6.98～8.10，遠低于當(dāng)前水力發(fā)電機組綜合出力8.60的平均值，水能轉(zhuǎn)換效率低；?1999—2013年電站年均發(fā)電量僅有715萬kW·h，年利用小時數(shù)卻高達5260h，遠高于設(shè)計4600h和技術(shù)改造要求的4000h。電站發(fā)電年利用小時數(shù)明顯偏高，說明電站裝機容量明顯偏小，電站裝機容量雖能滿足枯水和平水期來水發(fā)電需求，但豐水期即便機組全開且運行在超發(fā)工況，依然有1.1m3/s流量的水能資源從溢流道流出，沒得到很好利用，存在較大擴容潛力。

根據(jù)桑郎水電站首部樞紐斷面處的徑流流量—頻率關(guān)系和電站發(fā)電量與出力的乘積關(guān)系，結(jié)合電站工程特性，計算獲得電站裝機水能復(fù)核關(guān)系曲線(見圖2)。

圖2 桑郎電站裝機水能復(fù)核關(guān)系曲線

為了充分挖掘電站發(fā)電潛力，對曲線進行二階求導(dǎo)以優(yōu)選最優(yōu)裝機方案。從圖2可知，電站裝機位于3280kW時裝機容量—多年平均發(fā)電量關(guān)系曲線出現(xiàn)二階拐點，即3280kW為桑郎水電站技改增容的最佳裝機容量。綜合水輪機和發(fā)電機的功率序列，同時考慮電站枯水期發(fā)電運行的靈活性[10]，設(shè)計最終確定裝機容量為3130kW(2×1250kW+1×630kW)，電站裝機由2000kW增加到3130kW，增容1130 kW，容量增比56.5%，擴容量大。年利用小時數(shù)由5260h降低到4120h，裝機容量合理。全面技術(shù)改造后，電站多年平均發(fā)電量從715萬kW·h增加到2020萬kW·h，發(fā)電效益明顯增加。

4 結(jié) 論

增效擴容改造是農(nóng)村小水電充分挖掘河流水能發(fā)電潛力、提高水資源綜合利用效率的再創(chuàng)造過程。通過對桑郎水電站技改增容改造徑流水能的全面復(fù)核和裝機方案匹配性分析，主要得到以下結(jié)論：

a.利用徑流水文分析結(jié)合歷史發(fā)電量反推發(fā)電引流流量，對電站水能指標(biāo)進行全面核算和反推，獲得的水能特性關(guān)系曲線能更好地反映工程實際，具有較好的準(zhǔn)確性和匹配性。

b.結(jié)合水能復(fù)核成果并考慮電站特性及水力發(fā)電機組功率序列，確定桑郎水電站裝機方案為3130kW(2×1250kW+1×630kW)，裝機增容1130kW，多年平均發(fā)電量增加1305kW·h，改造后發(fā)電效益相當(dāng)可觀。

c.電站水能復(fù)核是增效擴容改造的關(guān)鍵，但并不是唯一影響因素。在裝機容量確定后，還應(yīng)從水輪機機型選擇、電氣主接線、電站監(jiān)控自動化系統(tǒng)設(shè)施和生態(tài)環(huán)保等方面進行全方位考慮，合理開發(fā)利用河流水能資源，增加發(fā)電效益。