設(shè)計代表年法在小攤水電站保證出力計算中的應(yīng)用

周 棟，潘 靖，王萬林，李昌柏，鄒 虹

(湖北省咸寧市水文水資源勘測局，湖北 咸寧 437100)

水電站保證出力，是指水電站在長期工作中符合水電站設(shè)計保證率要求的供水期的平均出力[1]，表示水電站在多年運行期間提供的出力大于等于保證出力的概率恰好等于設(shè)計保證率。年調(diào)節(jié)水電站保證出力的推求方法有長系列法，設(shè)計枯水年法及簡化估算法[2-4]。長系列法是在已知多年水文流量資料的情況下，已知正常蓄水位及死水位，通過興利調(diào)節(jié)和水能計算，求出每年供水期的平均出力，然后將平均出力繪制成保證出力曲線，根據(jù)設(shè)計保證率在曲線中查的供水期平均出力值，即可作為年調(diào)節(jié)水電站的保證出力。對于年調(diào)節(jié)水電站，由于電站能否保證正常供電取決于枯水期，因此，通常直接采用枯水期作為保證出力的計算期，即為設(shè)計代表年法。本文針對小攤水電站，采用枯水期設(shè)計代表年法推求水電站的保證出力，針對其枯水期天然來水情況進(jìn)行蓄供水期的劃分，徑流調(diào)節(jié)，水能計算等求出其保證出力，并對其結(jié)果進(jìn)行分析[5]。

1 工程概況

白馬河發(fā)源于鄒城市城區(qū)東北老營山及傅村九龍山境內(nèi)，為淮河流域山東南四湖(微山湖)湖東支流，全長為60 km，流域面積為1 099 km2，水資源豐富，但水資源開發(fā)利用效率較低，故擬在白馬河干流修建小攤水電站。

擬建的小攤水電站為年調(diào)節(jié)電站，電站設(shè)計保證率取90%。水庫正常蓄水位為170 m，死水位為140 m，死庫容為6.9億m3，水電站效率系數(shù)η=0.85(已考慮水頭損失)，正常蓄水位至死水位之間的水庫容積稱為興利庫容，小攤水電站興利庫容為23.35億m3。小攤水電站各代表年月平均流量見表1，小攤水電站水位庫容關(guān)系見圖1，小攤水電站下游水位流量關(guān)系見圖2。

表1 小攤水電站各代表年平均流量 m3/s

2 方法及結(jié)果

年調(diào)節(jié)水電站保證出力的計算步驟如下：① 首先挑選典型設(shè)計代表年，保證出力的計算一般挑選典型枯水年；② 劃分典型年內(nèi)的供水期，蓄水期；③ 對枯水期電站來水情況進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)[6]；④ 用徑流調(diào)節(jié)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行水能計算，最后求出供水期的保證出力[7]。

圖1 小攤水電站水位庫容關(guān)系曲線

圖2 小攤水電站下游水位流量關(guān)系

2.1 供、蓄水期的劃分

以小攤水電站枯水期月平均流量為研究對象，進(jìn)行供、蓄水期的劃分。依據(jù)各月平均流量的數(shù)值情況，首先假設(shè)3—9月為蓄水期，10月—次年2月為供水期。設(shè)計枯水年的年平均流量Q設(shè)年=704 m3/s，年水量=222.18億m3，每月的秒數(shù)T月=2.63×106s，供蓄期間均不計水量損失，對應(yīng)計算公式如下：

V完=Q設(shè)年×T供-W供

(1)

(2)

(3)

上述公式中V完為完全調(diào)節(jié)庫容，V興為興利庫容，W供、W蓄分別為供水期，蓄水期的相應(yīng)水量，T供、T蓄分別為供水期，蓄水期的相應(yīng)時間，Q供、Q蓄分別為供水期，蓄水期的發(fā)電引用流量。計算求得Q供=292 m3/s，Q蓄=1 252 m3/s。由于供水期10月—次年2月的平均流量均小于Q供，故之前的假設(shè)正確[8]。若假設(shè)的供水期月平均流量存在大于Q供，則要重新假設(shè)供水期月，利用公式(1)～(3)重新計算相關(guān)數(shù)值，并重復(fù)上述步驟至假設(shè)正確。

2.2 徑流調(diào)節(jié)

根據(jù)劃分的供、蓄水期，對小攤水電站進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)，徑流調(diào)節(jié)遵循的原則有：① 蓄水期時，天然來水小于1 252 m3/s時，發(fā)電流量等于天然來水；當(dāng)天然來水大于1 252 m3/s時，發(fā)電流量為1 252 m3/s，其余流量為棄水部分[9]；② 供水期時，發(fā)電流量均為Q供；③ 蓄水期初，即3月的起調(diào)水位為死水位140 m，供水期即9月末水位為正常蓄水位170 m；供水期則相反，水位由正常蓄水位降至死水位[10]。

小攤水電站枯水期年調(diào)節(jié)時歷計算見表2，6月底水庫蓄至正常蓄水位170 m，相應(yīng)庫容為30.25億m3，在枯水期末即次年2月末水位消落至死水位140 m，相應(yīng)庫容為6.9億m3。

時段末蓄水量由時段初蓄水量加上蓄水量的變化值；時段末的水位由時段末蓄水量根據(jù)水位庫容曲線推算求得[11]。

表2 水庫枯水期年調(diào)節(jié)時歷計算

2.3 水能計算

在徑流調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上進(jìn)行水能計算，發(fā)電流量來自徑流調(diào)節(jié)的成果，水庫供蓄流量△Q=天然來水-發(fā)電流量-棄水流量。月平均上游水位等于時段初、末水位的平均值，月平均下游水位由下泄流量根據(jù)電站下游水位流量關(guān)系推求，水電站平均水頭等于月平均上游水位減去月平均下游水位[12]。

保證出力計算公式如下：

N=9.81ηQH供

(4)

式中H供為設(shè)計枯水年供水期水電站平均水頭，m；Q為徑流調(diào)節(jié)得到的發(fā)電流量，m3/s。

設(shè)計枯水年電站出力及發(fā)電量計算見表3。

供水期10月—次年2月月平均出力的平均值即為保證出力，具體計算如下：

表3 設(shè)計枯水年電站出力及發(fā)電量計算

3 結(jié)語

年調(diào)節(jié)水電站保證出力的推求中，長序列法對水文資料長度要求較高，需足夠時間范圍徑流資料支撐繪制電站保證率曲線，而由于年調(diào)節(jié)水電站能否保證正常供水主要取決于枯水期，所以對于徑流序列長度不夠的水電站，可以使用設(shè)計代表年法推算其保證出力。設(shè)計代表年法對水文資料需求不高，只需已知設(shè)計枯水年的月流量、水位庫容關(guān)系、下游水位流量關(guān)系、正常蓄水位及死水位等，可按照上述方法，通過供、蓄水期的劃分、徑流調(diào)節(jié)、水能計算的計算順序計算得到相應(yīng)的保證出力值。