引水式电站装机容量的确定

刘 袁

(奎屯农七师勘测设计研究院(有限公司)，新疆奎屯市 833200)

水电站的装机容量的确定的最基础方法是利用出力公式计算得出，出力公式非常简单，易于计算，相关的教材和参考书都止于简单介绍，但在实际工作过程中，尤其是引水式电站的装机容量的确定，在相关计算参数的选取上容易陷入误区。本文对引水式电站装机容量确定的方法和程序进行梳理，对相关的问题进行探讨。

1 出力公式

出力计算公式有2个：理论出力和实验出力。

(1) 理论出力计算公式：

Pt=9.81QH0

(1)

式中：P为理论出力，kW;Q为流量，m3/s;H0为静水头,m。

(2) 实际出力计算公式[1]：

P=9.81QHηηdηg

(2)

式中：P为实际出力，kW;Q为流量，m3/s;H为静水头,m；η为水轮机效率；ηd为传动设备效率；ηg为发电机效率。

实际工作中采用实际出力公式计算确定装机容量。

根据公式可知，确定电站出力需要明确引用流量、额定水头和效率参数。

2 引用流量的确定

从某种角度上讲，一般文献所指的装机容量的选择，实质上就是引用流量的选择。引用流量的大小是影响电站出力最直接的因素,它取决于规模的大小，也是规模大小最直观的参数之一。确定引用流量主要涉及到工程投资和电力电量平衡2个方面，进行技术经济比较分析后确定。一般引水式电站装机容量确定方法有：保证出力的倍比系数法、年利用小时数法、投资收益最大法、边际成本差值最大法、目标函数法、模糊数学方法等[2]。前2种属于经验分析法，后面4种方法属于技术经济比较分析法。

由于技术经济比较分析方法多而复杂，工作量大，又没有一个权威的计算方法，造成实际工作往往流于形式，设计人员定规模时只根据经验分析法确定规模。这种做法容易与实际情况发生严重的偏离，最好还是采用技术经济比较去确定引用流量，但精确地计算各方案的工程量工作量太大。作者以为采用下面的方法确定引用流量较为合理：

(1) 收集近期类似电站工程数据作为基础，分析类比出规模变化和投资变化之间的关系曲线。

(2) 根据类似工程，按照装机利用小时数初步确定一个设计基础方案进行设计计算工程量和投资。

(3) 根据基础方案，调整引用流量的大小，与基础方案相比，用各方案的最主要建筑物以及设备的工程量变化系数和投资变化系数计算出加权平均系数，再用加权平均系数乘以基础方案的投资额，得出各方案的估计投资额。

(4) 利用动能经济的原理和经济评价的参数(例如投资收益率、经济内部收益率)进行方案比较，考虑水能利用，目标因素确定最优的方案，取其引用流量作为设计引用流量。对于担任调峰、调频的电站，计算经济效益时应适当考虑电站部分容量的效益，通过经济杠杆充分反映其在电力系统中承担的调峰、调频作用[3]。

确定设计流量时除进行技术经济分析时，还应考虑制约因素和客观要求：

(1) 应特别注意保留合适生态用水量。生态用水量应单独论证，直接扣除，排除外界因素，保护生态环境。

(2) 对进入孤立的地方电网中运行的电站，应进行电力电量平衡分析，分析装机容量是否受电网制约[4]。但从长远和宏观看，不宜轻易因为电力电量平衡的原因减少装机容量，应积极寻求对策和政策，毕竟水电是清洁能源。

对于建成后电站将并入国家电网，或者接入的地方电网已并入国家电网，是不需要进行电力电量平衡分析的[4]。

(3) 有灌溉和供水要求的电站，应确保灌溉和供水要求[4]，若没有恰当的理由，电站引用流量一般不应低于灌溉和供水的流量。

(4) 电站引用流量应与上、下游泳梯级电站相协调[4]。

(5) 对于承担峰荷的电站应考虑一定的备用容量[5]。

3 额定水头的确定

额定水头有3种概念，各不相同。① 额定静水头，不考虑水头损失；② 额定净水头，额定净水头是额定静水头减去水头损失；③ 水轮机额定水头，水轮机的设计额定水头，用以计算出力的额定水头。计算时，要先确定额定静水头，再求水头损失，然后得到额定净水头以及水轮机的额定水头。

3.1 额定静水头的确定

一般文献对坝后式电站的额定静水头计算介绍较多，设计人员往往容易用坝后式电站的计算方法确定引水式电站的额定静水头。对于非调节性引水式电站，这种方法欠妥。

坝后式电站额定静水头方法是：通过上游的来水和大坝的泄放情况确定不同时间内的水库水位，然后通过加权平均的方法确定水库加权平均水位，减去加权平均尾水位得到额定静水头。非调节性引水式电站的额定静水头和坝后式电站的额定静水头计算原理相同，但确定前池加权平均水位的方法又不同， 主要是因为引水式电站前池水位是可以人为调节的，即便是上游来水小于设计流量，前池可以通过水轮机导叶的控制将前池水位控制在设计水位进行发电(实际运行过程中，一般也会进行这样的操作以提高出力)，而坝后式电站由于水库库容太大无法通过这种方式进行调节。

虽然前池水位可以通过水轮机导叶进行调节，但是确定前池加权平均水位仍然要注意一个问题：小流量状态下，前池水位的人为抬升必然导致渠道水流流速降低，流速降低的范围是有限制的，主要要考虑泥沙和冰，也就是最低流速不宜低于不淤流速和不结冰流速。若存在这方面的限制，应将其时间段确定，再采用控制流速确定前池该时间段的前池水位，不受限制的时间段采用前池设计水位，再加权平均求得前池加权平均水位；若不受这方面的限制，前池的设计水位就是前池的加权平均水位。

值得一提的是，引水式的电站加权平均尾水位则需要根据不同时间段、不同流量情况下的尾水位进行加权平均求得，这和坝后式电站尾水位的算法是一致的，主要是因为尾水位不具有调节性。

另外，若考虑实际运行情况下水位存在波动，调节存在一定的滞后，通过上述方法确定的额定静水头可减掉一定的数值，使额定静水头值更符合实际情况，也可直接在确定水轮机额定水头时考虑这些因素。

3.2 水头损失的确定

水头损失设计值是通过计算设计流量下沿程水头损失和局部水头损失之和求得，局部水头损失计算可参考《水力学计算手册》[6]，其介绍较为详细全面。实际工作中，计算水头损失应注意以下问题：

(1) 计算沿程水头损失，管道长度应包括方变圆、弯管、岔管、锥管等局部变化段，不应只计算这些部位的局部损失而忽略其沿程水损。

(2) 计算局部水头损失，应注意要计算进口和出口的局部水头损失，一般设计人员容易漏掉这2个部位。

(3) 蜗壳以及水轮机造成的水头损失已在水轮机的效率系数中有所考虑，可不计。

(4) 存在支管的管道布置，应对每个机组的对应水头损失进行求解，取加权平均值作为设计水头损失值。若以安全起见，也可取最大水头损失值作为设计水头损失值。

(5) 拦污栅前容易堆积污物(如树枝、杂草)，又无法很好解决这个问题时，拦污栅的实际水头损失值往往比计算值偏大，有的甚至能达到3～5 m[7]，因此计算拦污栅水头损失应考虑污物的影响，可采用布尔可夫-邱津娜公式[8]，并根据类似电站实测资料进行类比确定。

3.3 水轮机额定水头的确定

水轮机的额定水头应根据电站开发方式确定[4]。对于高水头引水式电站，水轮机的额定水头就可以直接采用额定静水头减去水头损失，即额定净水头。但对于中低水头的引水式电站，水头对电站的影响比较大，应根据规范尚应在额定静水头上乘以一个0.85～0.95的系数，这一点容易被设计人员忽视。

最后计算全厂机组满发时的净水头，复核其是否满足前面所确定的额定水头，若不满足，应以全厂机组满发时的净水头为基础确定额定水头。这是因为有的电站尾水位随流量变化比较大，加权平均时所得的尾水位会较低，确定的额定水头有可能会大于机组满发时的净水头，这样选出的机组会无法满发，这是不允许的。

4 效率参数的确定

水轮发电机组的效率参数有3个：η为水轮机效率；ηd为传动设备效率；ηg为发电机效率。3个系数连乘得到水电站出力系数k。一般文献介绍：对中小型电站，k值一般取为6.5～8.0。由于k值范围太大，不经计算在该范围内取值容易与实际情况偏差太大。实际工作中，确定效率参数时宜进行转轮和发电机初选，得出的出力系数。一般单位都积累了一定的转轮和发电机资料，转轮初选的工作量也不大。

5 结 语

所有参数确定后按照公式计算向下取整即可确定电站的设计装机容量，再考虑机组台数的分配，若考虑不可预见的因素(如泥沙情况复杂、进水和出水不顺等)，可再乘以一个小于或等于1的安全系数向下取整后作为最终的电站设计装机容量。

[2] 李智杰,王治中,刘林章.用模糊数学方法选择水电站装机容量[J].水土保持研究，2006,13(3):247-251.