小型徑流式水電站水能復核研究

□ 程大鵬 □魏躍民

(1鄭州大學水利與環境學院 2河南省陸渾水庫管理局陸渾水電站)

1 工程概況

迎水寺水電站位于信陽市固始縣，其建址于鲇魚山水庫中干渠上，目前電站裝機1600 kW（2×800kW），1978年開始建設，1984年5月投產發電。電站設計水頭15.50m，最大水頭15.70m，最小水頭15m，設計流量單機6.90m3/s，設計多年平均發電量380萬kW·h。在農田灌溉季節，電站利用渠道灌溉放水發電；在非灌溉季節，利用鲇魚山水庫鲇魚山水電站發電尾水發電。電站自建成并網運行至2011年底累計發電量為9800萬kW·h，年均發電量350萬kW·h。

迎水寺水電站經過多年運行，其設備老化較為嚴重，安全操作性差，綜合能效較低。為提高電站對水能的利用效率，進一步發揮其發電效益，擬對迎水寺水電站進行全面的技術更新改造。考慮電站建設年代較早，為合理確定其裝機方案，需通過水庫的調節計算，結合水庫與電站的運行特性，對其裝機方案進行復核，選出其合理的裝機方案。

2 水文徑流資料選取

鲇魚山水庫為河南省南部的大型水庫，其水文徑流資料較為全面，本次迎水寺水電站的徑流資料根據鲇魚山水庫1987—2010年共24 a歷年出庫流量資料進行推求，以此作為此次水能復核計算的引用徑流系列，其多年徑流過程如圖1所示。

由圖1可知，1987—2010年24 a間的年徑流量總體較平穩，近年來由于受到人類活動以及地面植被變化的影響，徑流較上世紀有減少趨勢。迎水寺水電站多年平均年徑流量為1.70億m3，年徑流量最大值3.50億m3，年徑流量最小值0.80億m3，1987—2010年24 a間來流相差較大，水能復核選取來水系列中包含了豐、平、枯典型年，因此選取徑流資料系列具有代表性。

圖1 電站多年徑流過程圖

3 徑流資料排頻

由于電站對不同來流的利用情況不同，因此，必須對其來流按照流量區間進行排頻，劃分流量區間過大，則導致計算精度過低，劃分流量區間過小，則會導致計算工作量的增加，因此，選擇排頻流量的劃分區間應充分考慮計算精度與計算效率，本次水能計算選取的流量區間為1m3/s，其流量統計見表1。

以上數據處理采用經驗公式，為更精確地描述電站引水流量情況，利用皮爾遜Ⅲ型曲線表示流量頻率關系，如圖2所示。

圖2 流量頻率曲線圖

表1 多年徑流資料流量統計表

統計分析多年徑流資料可知：1987—2010年24a間迎水寺水電站多年平均流量為5.30m3/s，最大流量為60.50m3/s，流量相差懸殊；各年4—8月來流均較大，為汛期月份，汛期持續時間較長、水能資源充沛，平均流量為9.90m3/s，最大流量可達60.50m3/s。

4 水能計算分析

電站的出力計算按照式（1）計算[3]：

式中，K為綜合出力系數；Q為發電流量，對于列表法，取排頻流量的平均值；為發電凈水頭，H對于迎水寺電站，取其設計水頭15.5m。

其發電時間為流量出現頻率與年小時的乘積，發電量為發電時間與其出力乘積，以此方法計算不同裝機對應的發電量如圖3所示。

圖3 電站多年平均發電量與裝機容量關系曲線圖

從電站年均發電量與裝機容量的關系可知，電站總裝機容量在1800 kW以下均比較合理，>1800 kW后年均發電量增幅變化不大。但是考慮到電站為改造項目，受到原有發電機組所在土建部分以及引水管道過流能力的限制，不可能增幅太大。

5 裝機容量確定

結合迎水寺水電站的實際運行情況，初步擬定以下兩種裝機方案：方案一：保持現有2臺機組單機容量800 kW不變，僅更換高效機組，總裝機容量仍為1600 kW；方案二：1臺機組保持原裝機800 kW不變，另1臺機組增容至1000 kW，總裝機容量達到1800 kW。現對上述兩種方案進行技術經濟論證分析，改造后年均發電效益計算時上網電價按0.32元/kW·h，計算得到年均發電毛效益；通過查閱國內目前水電設備的價格情況以及廠家詢價，對電站改造方案的機組報價給出參考價格。迎水寺水電站技改方案投資差異在不考慮土建情況下，主要在于發電機組、變壓器、調速器的差異，其余輔助設備差異較小，因此，在投資比較時取兩者的投資進行比較，綜合列表如表2所示。

表2 迎水寺水電站技術改造方案經濟比較表

由表2可知，兩種初擬技改方案電站年均發電量和發電收益較實際多年運行狀況均有大幅提升，但方案一的效益投資比高于方案二；通過對1987—2010年24 a間徑流資料統計分析可知，平均每年徑流達到和超過13.20m3/s即以裝機1600 kW滿負荷運行的時段比例為10.80%，而平均每年徑流達到和超過14.90 m3/s即以裝機1800 kW滿負荷運行的時段比例僅為8.30%，且近年來天然徑流受人類活動及地面植被變化影響有減少趨勢，如果電站擴容，不僅水能上無法對其提供有力支撐，降低電站年利用小時數和設備利用率，同時不利于對原有土建部分的適應性，因此，本次技術改造最終確定的迎水寺裝機容量為1600 kW（2×800 kW）。

6 結語

本文結合迎水寺水電站技術改造工程，充分水電站的實際運行情況，在對水文資料進行分析的基礎上，應用列表法對其水能進行分析計算，并通過對不同方案進行比選，最終確定了合理的裝機方案，對迎水寺水電站的技術改造具有一定的指導意義，也可以為類似工程提供必要的參考。

[1]趙鵬.基于模糊物元的中小型水電站增容改造方案研究[D].鄭州大學,2010.

[2]伯納德·佩利肯，張學進.奧地利小水電發展現狀[J].中國農村水利水電,2002(8):56-57.

[3]馬躍先，馬希金，閆振真.小型水電站優化運行與管理[M].鄭州，黃河水利出版社，2000.