径流式小型水电站水能计算方法

径流式小型水电站水能计算方法

鄢丽丽;吕文丽;张旭辉

【摘 要】5 MW以下装机的小水电站多建于资料缺少的地区,一般为无调节能力水

电站,参考标准要求可做适当简化.通过实例,对无资料或资料短缺的5 MW以下的

水电站,介绍一种水能规划计算方法,供同行讨论和参考.

【期刊名称】《水电与新能源》

【年(卷),期】2011(000)005

【总页数】3页(P48-50)

【关键词】水能计算;无调节性能;水电站出力;装机容量;多年平均发电量

【作 者】鄢丽丽;吕文丽;张旭辉

【作者单位】广东省水利水电科学研究院,广东广州510610;广东省大坝安全技术

管理中心,广东广州510610;广东省水利水电科学研究院,广东广州510610;广东省

大坝安全技术管理中心,广东广州510610;广东省水利水电科学研究院,广东广州

510610;广东省大坝安全技术管理中心,广东广州510610

【正文语种】中 文

【中图分类】TK712

我国小水电资源十分丰富，技术可开发量达1.28亿kW。目前，大陆地区已建成

小水电站45 000多座，装机容量5 100多万kW。小水电遍及全国1/2的地域、

1/3的县市，使3亿多无电人口用上了电。小水电在解决农村用电、带动农村经济

社会发展、改善农民生产生活条件、促进节能减排等多方面发挥了重要作用［1］。

本文结合某小型水电站的设计，介绍该类小水电的水能计算方法。

1 水能计算

(1)计算流程。水电站的装机容量、出力和发电量等是水电站重要的指标。有关水

电站出力、发电量和其他参数的计算称为水能计算，其简化的计算过程如图1。

(2)基本资料分析。小水电水能设计应在收集和分析本地社会经济、自然条件、电

力系统、生态环境以及综合利用等基本资料和要求的基础上进行。

图1 水能计算流程

缺乏实测资料地区的小水电站可引用邻近流域实测资料或经审查的水文图表资料，

选取丰水年、平水年和枯水年3个或3个以上代表年的系列资料。

某小水电站坝址控制集水面积55.1 km2，由于流域无实测流量资料，而相邻流域

内离坝址71 km处有一水文站共有45 a的实测流量资料。初步分析，该水文站

45 a资料包括丰、平、枯水年，有一定的系列代表性。电站与水文站集水面积内

的地理、气象等条件基本一致，故可用面积比的一次方移用该站的水文资料，并以

离坝址最近的雨量站多年平均24 h暴雨量与水文站多年平均24 h暴雨量比例进

一步修正集水面积比拟成果。

式中:Q坝址、Q站 为坝址和水文站的流量，m3/s;F坝址、F站为坝址和水文站的

控制集水面积，km2;r为雨量修正系数，离坝址最近的雨量站多年平均24 h暴雨

量/水文站多年平均24 h暴雨量。

经计算坝址多年平均流量1.63 m3/s，枯水年(P=90%)平均流量Q=1.04 m3/s;平

水年(P=50%)平均流量Q=1.57 m3/s;丰水年(P=10%)平均流量Q=2.31 m3/s。

根据3个代表年的平均流量，选择与之相近的实际年作为典型年，枯水年为

1978～1979年;平水年为1966～1967年;丰水年为1994～1995年。

(3)保证出力的确定。无调节或日调节水电站的保证出力计算，规模在5 MW以下

的水电站可采用丰、平、枯3个或3个以上典型年的日平均流量系列绘制日流量

历时曲线或日流量保证率曲线;按各种流量时的相应水头和选择的出力系数，计算

出力并绘制出力历时曲线或出力保证率曲线。对应于电站设计保证率的出力即为保

证出力。

小水电站的设计保证率应根据设计水电站占当地电力系统比重，系统中有调节能力

水电站所占比重等因素确定。可参考表1选择适当的设计保证率［1］。

表1 小水电站设计保证率包括本电站系统中有调节能力水电站所占比重/% 25以

下 25～50 50/% 90～95 85～90 80～85以上水电站设计保证率

将丰、平、枯三个代表年的逐日流量作为电站的引用发电流量，并根据已确定的水

头，按出力公式N=AQH计算逐日的出力过程。根据电站3年的出力过程，点绘

成出力的频率曲线，再由已知的设计保证率P查出相应的保证出力NP。

无调节水电站的上游水位一般维持在正常蓄水位，只有在汛期宣泄洪水时才可能出

现临时超高。在计算中，将发电毛水头(上下游水位差)减去沿程损失hf和局部损

失hj后作为计算水头H。

本工程设计保证率为90%，A为电站出力系数，小型电站一般采用 6.5 ～7.5

［2］，本次发电计算电站出力系数取7.0。电站上游水位279.0 m，下游水位根

据坝址水位流量关系确定，不同流量下游水约263.3～264.1 m，水头损失约0.18

m，净水头14.72 ～15.52m。计算电站的出力保证率曲线如图2，查得保证率

P=90%的保证出力NP为38.0 kW，对应的流量 QP为0.35 m3/s。

图2 电站出力保证率曲线

(4)设计流量的确定。根据月(旬)平均流量或丰、平、枯代表年流量变化，合理确定

设计流量Q设(又称装机设计流量)。引水式电站水头基本上是固定的，因此合理确

定设计流量Q设，是确定电站规模及装机容量的关键，同时还应考虑负荷需要，

使电站装机更经济合理。

如何合理充分利用水能，一般从多年平均径流的水量利用率与多年平均利用小时二

者的关系，或从水能最优利用率来考虑。电站设计流量过大，则电站利用小时过小，

机组利用率低;反之，设计流量过小，电站利用小时很大，设备利用率很高，但水

量不能充分利用，浪费水力资源。

将水量利用率K、设备利用率B两者相乘，称为水能总利用率C。两系数乘积最大，

就是水能最优利用率C最优，它所相应的流量为设计流量。该流量的确定既考虑

了水力资源充分利用，又考虑了设备充分利用。

水量利用率K采用下式计算:

式中:W电为通过水轮机的年平均水量(104m3或108m3);W总为电站坝址以上集

水面积多年平均总水量(104m3或108m3)。

在多年平均流量历时曲线，某一流量Q以下包围面积为利用水量W电，历时曲线

所包围的总面积为多年平均总水量W总(水文资料较少时，常以丰、平、枯三个代

表年的逐日流量计算)。

设备利用率B采用下式计算:

年利用小时T是指电站1年中的发电量按全部装机容量折算所得的年运行小时数，

某一流量Q下的年利用小时T=W总/Q。

根据丰、平、枯三个代表年的逐日流量历时曲线，假设不同流量，可得出不同的水

量利用率K和设备利用率B，水能最优利用率C最优所对应的流量为设计流量 Q

设。

本工程设计流量计算如表2，根据坝址丰、平、枯三个代表年的逐日流量历时曲线，

假设不同流量，可得出不同的可利用水量W电，由此可按K=W电/W总算出水

量利用率K，及水能最优利用率C最优。

从表2计算结果可知，Q设=2.0 m3/s时总利用率C最大为23.9%，即为水能最

优利用率，故本电站设计流量采用2.0 m3/s。

表2 水能最优利用率计算表假定流量Q/(m3·s-1)总利用率C/%(1)(2)(3)(4)=(2)(1)

可利用水量W电/(m3·s-1·h-1)水量利用率K/%设备运转时间T/h设备利用率

B/%(5)=(4)8 760 (6)=(3)×(5)1.0 4 592.99 36.7 4 593.0 52.4 19.2 1.5 6 140.24

49.0 4 093.5 46.7 22.9 2.0 7 242.80 57.8 3 621.4 41.3 23.9 2.5 8 067.47 64.4

3 227.0 36.8 23.7 3.0 8 685.99 69.3 2 895.3 33.1 22.9 3.5 9 172.18 73.2 2

622.0 30.0 21.9 4.0 9 554.89 76.3 2 388.7 27.3 20.8 4.5 9 848.71 78.6 2

188.6 25.0 19.6 5.0 10 094.03 80.6 2 018.8 23.0 18.6

(5)装机容量的确定。占系统比重不大的小水电站的装机容量选择可根据当地电力

需求实际情况，采用技术经济比较的方法确定，而不必进行电力电量平衡。0.5

MW以下的水电站的装机容量可按年利用小时数控制确定［1］。

无调节的引水式电站，由于水头为常数，装机容量与设计流量成正比，因此确定设

计流量Q设，也就是确定了装机容量Ny。在规划设计中为了适应小型水电站的实

际情况，确定装机容量的方法应力求简单而又切合实际，以免将来运行后与实际负

荷相差太远。

采用出力公式确定Ny:

式中:Ny为装机容量，kW;A为系数;Q设为设计流量，m3/s;H计为计算水头，m。

本工设计流量为 Q设=2.0 m3/s，Ny=AQ设H计=7.0 ×2.0 ×15.52=217 kW，

故电站装机容量为217 kW。

2 多年平均发电量的计算

用n年系列各月平均流量，计算多年平均发电量多:

式中，E年为年发电量，E年=ΣE=ΣNT，其中T为每月的小时数，平均每月近似

为730 h。

出力N的基本计算公式:N=AQ计H计。式中:N为电站平均出力，kW;Q计为电

站发电计算流量，m3/s;H计为电站计算水头，m。

根据年月径流系列，或丰、平、枯代表年径流资料，并确定了计算流量Q计及计

算水头H计计，便可按式(4)计算求得逐月的平均出力，进而计算多年平均发电量。

对已有的45 a的逐月平均流量，月平均流量大于或等于设计流量2.0 m3/s以2.0

m3/s计算，小于设计流量则按实际流量计算。按公式E=NT=AQ计H计T计算

月平均发电量，得出每年的发电量，取平均为多年平均发电量，经计算得该电站的

多年平均发电量为109.8万 kW·h。

3 结语

根据水电站动能计算，本小型电站设计保证出力38.0 kW，水能最优利用率最大

的设计流量为2.0 m3/s，电站装机为217 kW，多年平均发电量为109.8万kW·h，

年利用小时数5 052 h。对比同类电站的设计，该电站的保证出力、装机容量和年

利用小时数是比较合适的。

参考文献:

【相关文献】

［1］SL76-2009，小水电水能设计规程［S］.

［2］薛金淮.关于水能计算中K值的探讨［J］.电网与水力发电进展，2008，24(3):27-29.