中小型水电站水文及动能设计对发电量的影响分析

摘要：针对福建省山区性河流特点，对省内几个中小型水电站实际年发电量与设计值不符的原因进行了分析，探讨合理取用水文动能设计参数对多年平均年发电量的影响。

关键词：中小型水电站 水文及动能设计 发电量 计算

福建省是水电农村电气化县试点省份，中小水电的发展处在全国最前列。“七五”至“九五”期间建成了53个水电农村初级电气化县，“十五、十一五”期间有50 个县列入新一轮较高水平的水电农村电气化县建设县。福建省属亚热带海洋性季风气候，境内气候温和，雨量充沛，水力资源丰富,集雨面积在50 km2以上的河流有663 条，其中50~100 km2的河流有321 条，多属山区性河流，河道比降大，落差集中，洪水暴涨暴落。目前全省已建有装机容量< 25 MW的水电站约6 000座。2002——2005 年间，中小型水电站快速开发，但水电站年发电量无法达到设计值的问题时有反应。当前，福建省正在开展国家“农村水电增效扩容项目”工程的前期工作，对中小型水电站无法达到年发电量原因进行分析，可为技改提供借鉴。

1 影响因素

根据水库调节性能，无(日) 调节、年调节、多年调节水电站多年平均年发电量计算一般采用:

式中，△t为计算时段小时数; N i 为计算时段平均出力，N = KQ调节.H (H 为计算时段平均净水头; Q调节为时段调节流量; K = 9.81η水η发，η水为水轮机效率，η发为发电机效率)；n 为计算年数。

从公式可以看出，影响年发电量的因素有计算时段的流量、净水头、水轮机及发电机效率，这些参数取用的合理性影响着年发电量的计算结果。

2002 年前，福建省中小型水电站多建在水能资源丰富的山区，通过隧洞及高压管道引水发电的电站居多，河道比降大，水头高，经济指标好。随着资源点的快速开发，2002——2005 年间开发的水电站多为中低水头、大流量、无调节或日调节性能。

2 原因分析

2.1 径流计算

1) 径流系列过短影响年电能计算的准确性。早期建设的中小型水电站，在设计径流计算时，由于当时的水文系列不长，造成年电能计算偏差。如1963 年设计的福建省连江县才溪水电站(集雨面积24.2 km2)，流域内无水文测站，采用的参证站是溪源宫水文站(控制流域面积10.3 km2，水文资料系列17 a)。根据业主反映，尽管才溪水电站机组效率低，运行40 a以来设备老化，长年机组不能满出力运行，但年发电量均较原设计值大。分析其原因，是由于20 世纪60 年代水文系列偏短，采用的径流参数无法代表实际情况所致。

2002 年技改设计复核径流计算以赤桥水文站为参证站(流域面积10.3 km2，才溪水电站所处流域更接近赤桥溪)。赤桥溪水文站有1956——1995 年共31 a实测流量资料。算得长系列年平均流量为0.255 m3/ s、3 个代表年的年平均流量为0.252 m3/ s，两者很接近。对才溪坝头站实测共34 a长系列降雨资料与赤桥站的同期降雨资料进行分析，两者的相关系数为0.89 (≥0.8)，计算得坝址处的年平均径流深为818 mm; 同时查福建省水文图集中的径流深等值线图在800~ 900 mm之间,与水文图集的径流深等值线分布规律相吻合。经年电能重新复核计算，与实际情况较为相符。

2) 应尽量选用自然地理、水文气象特征较为相近的水文站作为参证站。例如，福建省永泰三宝溪水库电站(集雨面积27.5 km2) 所在的三宝溪流域内无实测水文资料和雨量观测资料，径流计算采用邻近流域的渡里水文站(控制流域面积76.5 km2) 作为参证站，得到坝址多年平均流量0.775 m3/ s，径流深888.7 mm。经统计三宝溪电站的发电量与设计值接近，说明径流计算符合实际情况，其主要原因是选用的参证站与设计流域属同一气候区，下垫面情况相似，流域平均高程相当; 三宝溪电站和渡里水文站多年平均降雨量和多年平均径流深等值线图分布趋势也相一致，设计流域自然地理和水文气象特征相近。

2.2 年发电量计算方法的影响

《小型水力发电站设计规范》(GB 50071—2002) 4.2.7 明确规定“多年平均发电量可采用长系列年发电量或典型年年发电量的平均值”。福建省中小型水电站年发电量计算通常采用计算频率分别为10%、50% 、90% 的丰、中、枯3 个设计代表年的发电量再取其平均值。

早期建成的电站往往水文资料欠缺，尤其是1970——1990 年设计的小型水电站常采用只计算中水年的年发电量代表多年平均年发电量(早期对小型水电站设计允许这样计算)。在无水文资料时，还有用公式粗估多年平均年发电量的情况:

E = Aα(Q年均- Q引- Q漏) H 净×8 760

式中，A 为出力系数(7~ 7.5)；α为径流利用系数(与天然来水、装机、调节性能等有关，无调节取0.3 ~ 0.6)；Q年均为多年平均年径流量(m3/ s)；Q引为自电站上游引取的流量(m3/ s)；Q漏为渗漏损失流量(m3/ s)；H 净为净水头(m)。

从公式可见，系数取用误差较大，计算公式代表性差，计算精度不高，如果遇上水文计算精度较低情况，可能造成多年平均发电量计算偏差较大。

早期建设的中小型水电站因水文数据缺乏，本该采用代表年日平均流量计算年平均发电量(如日调节、不完全年调节电站) 的，改而采用月或旬平均流量替代进行计算，扩大了计算误差。如福建省永泰县后亭水电站，坝址以上集雨面积265 km2,有效库容90 万m3，坝高19 m，洞长1 km，设有1个调压井，装机容量为630×2+ 250 kW，是1 座日调节引水式小型水电站，于2005 年建成发电。采用平水年法计算多年平均发电量为680 万kW·h。2006——2011 年发电量分别为: 390、526、482、366、733、350 万kW·h，其中2010 年闽江流域来水丰富且均匀，约为平均来水量的130%。以此推算，后亭水电站多年平均发电量计算值偏大约为25%。而采用3 个代表年法，即?E 年= 1/ 3 (E 10% +E 50%+ E 90% ) 比单一的平水年法更为合理，经计算多年平均发电量为510万kW·h。如果水文资料齐全，在计算机普及的今天，应采用全部水文系列逐年计算发电量，最后取其多年平均值更为合理。

2.3 计算水头

2.3.1 采用天然水位~ 流量关系曲线

年发电量计算采用的时段平均净水头与上游水位、下游水位及水头损失有关。据调查，中小型水电站设计普遍采用天然河道下游水位~流量关系曲线作为水头计算依据。

水电站水文及动能设计工作在有了现场测量断面资料后，水文设计即点绘出以天然河道水位及流量为坐标的水位流量关系曲线，而后的水电站水头计算则以此为依据。由于福建省多为山区性河流,河道比降大，电站水头较高，通常采用混流式或轴流式水轮机，在水轮机安装高程确定后，按照规范尾水管上缘至少淹没0.5 m并需考虑山区河流洪水带来的大量泥砂，往往将尾水渠设计成斜坡状，因而逼高了下游尾水位; 另外机组满出力时流量一般带来尾水渠水位壅高，尤其低水头电站该壅高值占机组工作水头比重不可小视。考虑以上两个因素的影响，应对厂房下游水位~ 流量关系进行修正后供复核年电能计算取用，否则，电量计算所采用的加权平均水头将偏大，带来年发电量计算值偏大。据调查分析，对于装有混流式水轮机电站应用未加修正的水位~ 流量关系一般会带来2~ 3 m水头误差,对于安装轴流式或贯流式水轮机的20 m以下水头径流式开发电站，将会带来约0.5 m水头误差，从而给年发电量设计带来误差。

2.3.2 水头损失计算偏差

年发电量计算采用的水头是电站毛水头扣除引水系统水头损失后作为计算时段平均水头，水头损失计算误差大将造成电量计算与实际差距大，有可能导致电站常年无法达到预定效益。

福州瑞丰电站流域面积101 km2，总库容380万m3，有效库容327 万m3，引水系统由1 km压力隧洞及230 m长高压管道组成，支管卜型分叉，1号机支管长约20 m，2 号机支管经纵向与水平向2个约90b转角并变直径后与2 号机组蜗壳前主阀连接。厂房内装有2 台混流式机组，总装机容量5 000 kW，机组额定水头95 m，原设计多年平均发电量1 580万kW·h。电站于2005 年发电即出现单机可以满出力发电，而2 台机组同时发电却无法满出力。现场测试: 上游水库为正常蓄水位，开机前1、2 号水轮机蜗壳进口压力表读数96.5 m (为了比较方便，仅以蜗壳压力表计水轮机工作水头)，先投入1 号机至满发，此时压力表读数91.5 m (2号机停机)。接着增开2 号机组，导叶开度达最大时出力2 350 kW即受阻，2 号机压力表读数降至81.5 m，伴随着2 号机的开机，1 号机压力表读数降至86 m，即2 台同时满发时的水头损失为: 1 号机10.5 m，2 号机15 m。分析机组无法同时满出力发电的原因有: 隧洞未加衬砌及2 号机组支管水头损失过大，设计时水头损失计算误差过大，造成机组订货采用的额定水头为95 m (发满出力的最小工作水头)，而实际上2 台机同时发电时达不到发满出力要求的最小水头(额定水头)，影响年发电量。

2.3.3 尾水渠设计

年发电量计算采用的对应时段的水轮机工作水头是该时段的上下游水位差，再扣除水头损失所得的净水头。不合理的尾水渠设计会减小水轮机有效工作水头而对年发电量产生影响。

前例后亭水电站，原设计厂房内安装立式轴流定桨式水轮机，机组额定水头17 m，电站满发流量10.6 m3/ s，距厂房下游尾水出口约10 m处，尾水渠有1 个近90b转弯后与下游河道连接，在该急弯处水流壅水约60 cm，造成水轮机工作水头达不到计算值而影响年发电量。轴流定桨式水轮机的运转特性曲线陡峻，水头的变化对效率及出力影响大，因而降低年发电量约3%。经过2007 年对尾水渠进行弯道拓宽，降低了回流影响，提高了机组效率，取得了较好的效果。

福建省长汀县汀州水电站，安装3 台单机容量8 500 kW轴流转桨式水轮发电机组，机组额定水头14.2 m，总过流量234 m3/ s，计算多年平均发电量8 214 kW·h。施工期对厂房尾水渠下游河道进行全面疏浚，使得厂房下游尾水出口水流顺畅，保持机组工作水头及在高效率区运行，实际发电量基本满足设计值。

在尾水渠设计时，对于低水头安装轴流及贯流式机组的水电站，应特别注意尽量减少壅水现象;对于安装混流式机组的水电站，应尽量扩大设计断面，保持出水流畅。

2.3.4 机组效率

年发电量计算应较为准确地取用水轮机及发电机效率。在初步设计计算阶段，因未选定水轮发电机组的具体型号，如转轮直径、转速、安装高程,一般仅依据径流调节初定平均水头、估算系数K进行多年平均年发电量计算。应该待机组的参数确定后，作出水轮机运转特性曲线，才可能准确得到水轮机额定水头及各计算时段平均水头; 然后根据发电机安装形式(立式、卧式) 、转速及容量确定发电机效率; 最后应采用真机效率对年发电量进行复核并最终确定年发电量。但是，中小型水电站设计常常忽略复核。实际上不同形式的水轮发电机组效率相差很大，如冲击式机组效率曲线扁平，效率随着水头出力变化较小，目前最高效率在89% ~90%; 混流式机组最高效率可达到94% 并随水头、出力的变化小于轴流式机组; 贯流式机组用于低水头电站，效率随水头、出力变化较敏感。同一个机组在不同水头(库水位) 和出力工况下效率是不相同的，因此，笼统地取用1个数据有可能影响多年平均年发电量计算值。

3 结语

合理取用水文及动能设计参数对中小型水电站多年平均年发电量计算的准确性十分重要。影响其计算的参数主要有: 计算时段上、下游水位差，水头损失，调节流量，机组效率。山区性河流影响参数的可靠性因素具体有: 水文参证站的选用、水文系列及代表年的选用、工作水头、下游尾水、机组机型、机组效率等。待水工建筑物及机组设计方案选定后，应利用设计成果反过来校核多年平均年发电量计算成果并加以修正，确保电站多年平均年发电量计算与实际相符。

作者简介: 黄新华(1962-)，男，高级工程师，主要从事水利水电工程设计、研究工作。