水能复核在农村小水电技术改造中的应用

李维庆

（河南省辉县市潭头水力发电有限公司，河南 新乡 45360053600）

我国农村水电是指分布在广大农村地区，单站装机容量在5 000kW以下的水电站及其配套电网，又被称为小水电[1]。目前，全国已建成小水电站45 000多座，总装机容量在5.1亿MW左右[2]。由于大部分小水电建成时间较早，经多年运行后，电站面临机组发电效率和自动化程度低、能耗大，长期带病运行等问题，装机容量与水文径流资料不匹配，造成水能资源未被充分利用，为了提高电站水能利用效率和电站综合自动化管理水平[3]，需要对这些电站进行技术改造。本文结合潭头水电站技术改造实例，系统探讨水能复核在农村小水电技术改造中的具体应用，为农村小水电技术改造提供参考。

潭头水电站位于辉县市薄壁镇潭头村，电站总装机容量10 000 kW（4×2 500 kW），设计水头287m，发电设计流量4.6m3/s，多年平均发电量3 830万kW·h。电站自1976年建成发电，至今已连续运行30余年，为周边地区的社会经济发展做出了重要贡献。

1 径流资料收集与分析

水文资料是电站运行的基础依据，尤其是径流资料的收集与分析对电站改造中装机容量的合理选择起着至关重要的作用。收集引用的水文资料不准确，径流资料分析不全面，将导致水电站的装机容量与水文径流资料不匹配，电站投入运行后达不到额定出力或出现未充分利用水能资源等问题。在电站技术改造中，应根据河流规划，系统全面收集选取最新的水文径流资料，并对水能资源的利用条件进行合理的分析与评价。

潭头水电站位于海河流域卫河支流峪河上，其径流资料可以选取电站附近宝泉水库水文站实测数据。宝泉水库水文站原名峪河口水文站，始建于1954年，隶属于河南省水文水资源局，控制流域面积538.3km2。收集到宝泉水库水文站1977年-2011年实测径流资料，并经计算还原为天然径流序列，绘制年径流量过程线如下图1所示。

图1 年径流量过程线

图2 日平均流量频率曲线

由图1可知，1977年-2011年35年的年径流量总体较平稳，近年来由于受到人类活动影响以及地面植被变化的影响，径流较20世纪70、80年代有所减少，本次电站水能复核计算所选取径流资料系列具有可靠性。把35年实测径流资料由大到小排列，采用经验频率计算方法对数据进行处理，绘制出日平均流量频率曲线如图2所示。由图2可知，潭头水电站丰枯变化较大，汛期水能资源丰富，枯水期水量较小。由于电站现有机组工作效率较低，效率衰减速度不断加快，对现有水能资源利用率较低。此次电站增效扩容改造将更换高效机组，提高水能资源利用效率，并根据水能复核计算论证是否具有增容潜力。

2 水能复核计算

在水文径流资料分析的基础上，对电站的来水流量、水位、弃水流量等资料进行系统的分析，并从合理利用水能资源的角度，通过水能复核计算，对电站是否具有增容的条件进行论证，确定出现有水能条件下的最优装机容量方案。

2.1 计算保证出力

保证出力是指水电站在多年运行期间所能提供的具有一定保证率的电力，通常是指相对于设计保证率的供水期的平均出力。根据《小型水电站设计规范》，同时考虑到潭头水电站的运行要求，取电站设计保证率P=80%，由电站出力计算公式计算电站保证出力[4]。

式中K为综合出力系数，潭头水电站属于引水式中小型水电站，结合其所在电网的实际运行情况，本次计算综合出力系数取8.0；Q保为发电流量，对应于电站设计保证率的流量0.9m3/s,；H为发电净水头，由毛水头扣除相应水头损失，得到电站发电净水头为287m。因此，由上式计算得出潭头水电站的保证出力为2 066kW。

2.2 确定装机容量范围

潭头水电站装机容量的确定由保证出力倍比系数计算。保证出力倍比系数为相关电站丰水期的径流量与枯水期径流量的比值[5]。保证出力倍比系数的大小与丰、枯季节来水量比例相关，合理确定保证出力倍比系数值，需要结合地区的降水、径流特点等，同时参考同类水电站的经验数据。潭头水电站是以灌溉为主结合发电的水电站，经验数据选择范围为3.0～5.0。依照装机容量的保证出力倍比法可计算装机容量范围为6 199～10 332kW。

2.3 绘制多年平均发电量与装机容量关系曲线

在对电站多年日平均径流资料进行统计分析的基础上，通过列表计算电站的装机容量、年均发电量及装机年利用小时等动能指标，绘制电站多年平均发电量与装机容量关系曲线如下图3所示。由图3可知电站总装机容量在18 000 kW以下均比较合理，大于18 000 kW后年均发电量增幅变化不大。但是考虑到电站为改造项目，受到原有发电机组所在土建部分以及引水管道过流能力的限制，不可能增幅太大；另外，通过对近5年来日平均流量统计分析可知，在总计为1 820d中，以2 500 kW一台至四台机组满负荷运行的天数分别为917d、346d、101d和23d。由于近年来天然径流受到人类活动的影响以及地面植被的变化，减小幅度较大，如果电站扩容，则会降低电站年利用小时数，设备利用率降低。

图3 多年平均发电量与装机容量关系曲线

3 确定装机容量

在水能复核分析计算的基础上，以提高电站综合能效和安全性能、促进水资源综合利用、维护河流健康为目标，考虑到电站原装机容量和现有土建部分的限制，初步拟定4×2 500kW和4×3 200kW两种装机容量方案，分别计算两种方案改造后的年均发电毛效益，同时参考水电设备现有市场价格，计算各方案的机组报价，对两种方案进行技术经济论证和分析。由于两种方案的投资在土建部分和辅助设备部分上的差异很小，因此主要考虑水轮发电机组和调速器、变压器等主要电气设备，计算两种方案的投资效益比分别为2.32和2.09。两个方案均具有较好的经济效益，但方案二主要是利用汛期富余水量进行发电，由前文径流资料分析可知，近年来大流量的历时较小，年利用小时相对偏低，设备利用率较低；方案二的投资效益比小，经济合理性较差；此外方案二装机容量增容较大，对原有土建部分的适应性较差，若对相应土建部分进行改造将大大增加电站改造费用，不能满足高效、经济的要求。因此推荐方案一，即保持现有装机容量不变，仅更换高效机组，总装机容量仍为10 000kW（4×2 500kW），改造后电站多年平均发电量为4 196.1万kW·h，年利用小时数为4 328h，年发电效益可达1 342.8万元，经济效益极为可观，对电站进行技改是亟须且合理的。

4 结语

本文结合潭头水电站技术改造实例，从电站水文径流资料的收集与分析、电站机组保证出力计算、装机容量范围确定、绘制多年平均发电量与装机容量关系曲线和确定装机容量方案等步骤，系统探讨了水能复核在农村小水电技术改造中的具体应用，可以为同类农村小水电的技术改造提供一定的参考作用。

[1]王朋.递推列比法在农村水电厂内经济运行的应用研究[J].河南科技，2013（11）：24-27.

[2]程大鹏.农村小水电电气化技术改造效益分析[J].创新科技，2014（12）：88-90.

[3]原文林.农村小型水电站增效扩容改造关键应用技术研究[J].中国农村水利水电，2015（10）：21-24.

[4]张秀菊.水电站保证出力的计算方法[J].水力发电，2006（10）：74-78.

[5]马跃先.小型水电站优化运行与管理[M].郑州∶黄河水利出版社，2000.