水能计算分析在中小水电站技术改造工程中的应用

姚桂红，聂金松，朱方和

（桃源县水利局， 湖南 常德 415700）

1 问题的提出

桃源县安塘坪水电站位于沅水夷望溪支流木旺溪下游。坝址以上控制集雨面积为74.7 km2，干流长度为26.17 km，干流坡降为13.16‰。水库正常库容为8.25 万m3，多年平均降雨量为1 927.84 mm。该工程于1976 年12 月在拦河坝右岸建成了装机容量为2×125 kW＝250 kW 的安塘坪右岸水电站，由于运行时间长，机电设备陈旧老化，引水系统多次遭到暴雨洪水的袭击，水毁严重，2005 年底拆除报废。1997 年5 月在拦河坝左岸建成了装机容量为1×320 kW 的安塘坪左岸水电站。由于弃水量大，2015年10 月在拦河坝左岸新增了1 台装机容量为630 kW的水轮发电机组，具体见表1。

表1 桃源县安塘坪水电站装机容量变化情况表

2006—2014 年期间，安塘坪水电站装机容量为1×320 kW，每年有大量的弃水，特别是该地区处于湖南省三大暴雨中心之一安化县的北部边缘，每一次暴雨洪水过程的洪峰流量大、历时短，加之拦河坝拦蓄库容较小，电站利用洪峰流量发电的能力极差，不仅浪费水力资源，而且造成了库区内部分农田淹没时间长，下游河床冲刷严重等损失，当地曾强烈要求拆除该拦河坝。

桃源县安塘坪水电站由于受当时科学技术发展水平的限制，对水电站的水能计算存在推求依据不充分，推求过程不严谨等，致使工程出现装机容量过小，水力资源浪费，经济效益低下等问题，严重制约当地经济发展。

本文以桃源县安塘坪水电站为例，阐述无调节、日调节水电站水能计算方法。

2 计算方法

2.1 项目调查

在开展安塘坪水电站改扩建工程规划时，对项目现状情况进行调查。重点是项目的水文气象资料、工程各部分的技术档案资料和现状参数、运行过程中出现的安全隐患及事故情况等，通过全面的梳理，去粗取精、除伪存真，并以此作为电站改扩建工程规划设计的依据。

2.2 水能计算

2.2.1 项目区代表年的推求

桃源县安塘坪水电站位于沅水夷望溪支流木旺溪下游，没有木旺溪支流的径流和降雨观测资料，采用距安塘坪坝址约7.7 km 的桃源县西溪水库1975—2012年共38 年的降雨观测资料。根据P=m/（n+1）公式进行频率计算，按频率20%、50%、80%分别选出丰、平、枯水代表年，具体见表2。各代表年降雨情况见表3。

表2 桃源县西溪水库年降雨量排比频率统计表

表3 安塘坪水电站设计代表年降雨量统计表 mm

2.2.2 项目区代表年径流深R代表年和代表年径流量W代表年的计算

桃源县安塘坪水电站位于沅水夷望溪支流木旺溪下游。夷望溪属沅水支流，发源于桃源县、沅陵县与安化县交界处的岭凤尖，流经沅陵县、桃源县，在桃源县夷望溪镇注入沅水。干流长103.9 km，流域面积为734 km2，天然落差969 m，平均坡降为5.1‰。年径流量为8.37 亿m3，河流平均流量为26.5 m3/s。

流域多年平均径流深R平均是指通过河流指定断面的多年平均径流总量W（万m3）除以该断面以上的流域面积F（km2）。

R平均=10W/F＝10×8.37×10 000/734＝1 140.3 mm

通过《湖南省暴雨洪水查算手册》，查得桃源县安塘坪水电站不同频率P 的皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数Kp如表4。

表4 频率～径流深～径流量关系对照表

根据推求出的夷望溪流域的多年平均径流深R平均，按R代表年=Kp×R平均公式进行修正，可得电站丰、平、枯代表年的径流深R代表年，具体见表4。

2.2.3 项目区月径流量W月和月平均流量Q月平均的计算

1）月径流量W月是指一个月时间内通过河流某一断面的水量。

其中：R月＝代表年的月降雨量×R代表年/代表年的年降雨总量

2）月平均流量Q月平均：

式中 T——月实际天数（天）。

3）将月平均流量Q月平均由大到小按降序排列，可以求得代表年月平均流量的保证率，计算成果见表5 和表6。

表5 电站代表年坝址断面月降雨量～月径流深～月径流量～月平均流量计算成果表

表6 安塘坪水电站代表年月平均流量保证率计算成果表

2.2.4 项目区保证出力N保和装机容量N装推求

1）按照《小水电水能设计规程》（SL 76-2009）附录C 的规定，根据安塘坪水电站实际情况，考虑到安塘坪水电站属日调节性能的电站，电站建成后并入国网，系统不会限载；电站地处暴雨中心区边缘的特殊地理位置，选取保证率P=65%，从表6 中查得相应流量Q=1.65 m3/s。电站净水头为16.0 m，由此可以推求保证出力

N保=9.81QHη=9.81×1.65×16×0.8=207.19 kW

式中 η 为水轮发电机组的综合效率，取为0.8。

2）根据《水利计算》查得装机容量的倍比系数C=4.5，按公式N装=CN保得：N装=4.5×207.19=932.36 kW。原计划装机容量为1×320（现有）+2×320=960 kW,由于受项目场地等因素的限制，装机容量变更为1×320（现有）+1×630=950 kW。其机组选型及参数如表7。

表7 安塘坪水电站设备选型及参数表

表8 安塘坪水电站多年平均发电量计算表

2.2.5 项目多年平均发电量E 和年利用小时T 的推求

1）多年平均发电量采用3 个代表年法，根据下列公式计算：

2）电站装机容量为N装=1×320+1×630=950 kW，通过计算：电站多年平均发电量为：E=272.86 万kW·h。年利用小时T＝E/N装＝272.86×10 000/950＝2 872 h。

2.3 项目优缺点比较

根据以上推理计算，桃源县安塘坪水电站改扩建工程新增了1 台单机容量为630 kW 的水轮发电机组，总装机容量为950 kW。通过近几年的实际运行，机组运行平稳，各部分的振动、摆度、温升均满足规程要求；调度方便，可实行三种方式运行；减少弃水，电站的引用水流量由原来的3.44 m3/s 增加到8.94 m3/s，提高了利用洪峰流量发电能力，充分合理地利用了水资源，同时也缩短了对库区部分农田淹没的时间；提高了经济效益，据统计：电站2001—2005 年装机570 kW，5 年平均发电量121.92 万kW·h；2017—2021 年装机950 kW，5 年平均发电量255.12 万kW·h；平均每年增加发电量约130 万kW·h，增加电费收入65 万元；减少了对下游河床的冲刷，保护了河流的健康生命。

尽管电站的装机容量由原来的250 kW 增加到570 kW 再增加到950 kW，但由于水库的库容小，调节能力差，暴雨强度大，仍有少部分弃水。

3 结 语

从桃源县安塘坪水电站发展过程可以看出，水能计算是小水电站建设工作中的重要环节。全面掌握水能计算的原理和方法，有利于正确指导小水电站的技术改造工作，有利于充分合理地利用水资源，有利于全面推动小水电事业高质量发展。让小水电照亮大地、抹绿河湖、造福人间。