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小型水电站水务计算法的探讨金波(云南滇能(集团)控股公司,云南昆明650011)摘要:小型水电站的水务计算由于前期投入不足,许多技术参数在建设过程中没有得到很好地落实,加之认识上差异,投产后一些技术参数匆匆整定或干脆空缺,造成水电站水务计算的误差或残缺,直接影响电站的正常生产经营和水能优化运行。在总结滇能集团一些小型水电站水务计算经验的基础上,提出了较为实用的小型水电站水务计算方法,并以老虎山梯级电站为实例进行演示。关键词:小型;水电站;水务计算;实例中图分类号:TV687.4文献标识码:B文章编号:1006-3951(2011)06-0005-04DOI:10.3969j.issn.1006-3951.2011.06.0020引言随着近年我国经济的快速发展,对电力的需求量大幅提高,在经过1998～2001年短暂的电力富裕时期后,2002年以来全国大部分地区相继出现了电力大量短缺的状况,许多地区在2011年用电紧张的时候缺口额达30%～40%。目前电力电量不足的问题已得到了社会各界的重视,新增和筹建的电力容量出现了前所未有的增长,但发电容量调节补偿能力同步增长的问题似乎还未提到应有的高度,特别是水电比重大的省份,在用户侧实行峰枯、峰谷电价的同时,应尽快推行发电侧峰枯、峰谷电价政策的实施,使发电侧已投产和在建上网容量的调节能力得到充分发挥。水电作为大自然赐予人类的宝贵财富,由于运行的机动灵活和水能资源的可再生性,成为迄今人类已发掘的最简捷、最经济的清洁能源,其价值不仅仅在于它的发电量及洁净环保作用,还在于它能方便地为电网提供调频、调峰、补偿、备用等服务。过去由于国力所限,资金短缺和施工技术落后,水电的开发一直没形成规模,水电的效益也没得到很好体现,大量优质宝贵的水能资源被白白的流失,改革开放后中国经济得到了长足地发展,现今三、五年建一个十多万千瓦的中型水电站已不再是梦想。小型水电由于其分布广、开发时间短的特点,对迅速解决地区性缺电、地区性扶贫、缓解小区域电网调节能力不足的矛盾具有独特的优势,在近两年缺电严重的背景下,各地小型水电的开发得到了大力地发展从云南电网几十年的运行经验看,水电绝大多数都取得了良好的经济效益,即便是在前几年电力过剩时期,由于其运行费用低、生产过程相对简单、电网对其调频、调峰的依赖性强,水电厂表现出了明显强于其它类型电厂的抗击市场风险能力,我们有理由相信,那些经过科学论证、精心设计和施工而单位造价又低的水电站在电力市场中具有永久的生命力。1水务计算存在的问题及解决办法从目前已投产和正在开发的水电看,大、中型水电站由于设备先进、资料和人员齐备,水务计算基本不成问题。而小型水电站由于设备和人力投入不足,许多技术参数在建设过程得不到很好地落实,投产后匆匆整定或干脆空缺,水务计算误差很大或残缺,这不利于水电站的正常生产经营,也不利于水电调节能力的充分发挥,需要作为一个重要问题来讨论。由于水务计算涉及的各类型参数很多,其取值或计算过程较为复杂,加上电站生产技术管理人员专业素质和认识上的差异,很容易在水务计算中造成误解和不足,现对常见的一些问题进行讨论,并提出解决办法。1.1水量计算大江大河上水电站一般都具备相应水文站的历史径流资料,电站建设时也容易建立“入库站”对来水进行监测。中小型水电站所在的小江、小河大多不具备历史径流资料,对入库流量进行实时监测也难于办到,特别是梯级电站的区间流量由许多条沟、渠汇集而成,更是难于监测,在实际生产中缺乏入库流量监测值的参考,入库或区间流量完全通过水电站发电量、弃水量和水库水位变化等、结合水量平衡式来推算。Q入=Q发+Q弃+Q蓄+Q其它式中:Q入、Q发、Q弃、Q蓄、Q其它分别为入库、发电、弃水、水库蓄水、其它用水流量。Q区间=Q入-Q上游出式中:Q区间、Q上游出分别为区间、上游电站出库流量。弃水流量按各泄洪设施开度和开闭时间计算,其它用水流量按实际用水计算,发电和水库蓄水流量用发电量反推,要求水电站具备较为准确的水位库容关系、流道水头损失特性、发电机组效率、尾水位变化特性等资料,如果这些资料不齐备或误差过大,将导致入库水量计算数值失真或无法进行。事实上大型水电站虽然拥有入库流量的监测值,但精度较低,不能满足水务计算和生产运行的要求,只能作为水情变化参考值和防洪渡汛使用,真正满足生产要求精度的水量值还是要通过发电量、弃水量和水库水位变化等来推算,直接使用水文监测值进行水务计算和生产安排是错误或不可行的,这在已投产的许多大中型水电站的生产运行中得到验证。1.2水头损失的计算水电站水头损失的计算式■H=α×Q2一般在设计说明书中就应有表述,流道有分叉、变径、糙率变化的可分段计算,根据各种工况出力结合该表达式用试算法可求出相应水头损失。许多中小水电站在设计施工过程中监督不够,水头损失设计和实测值都有所疏漏,直接影响到水电站的工作水头及其它参数的计算。为此一方面业主方应督促设计单位核定水电站的水头损失算式,另一方面也可按水力学中水头损失的理论算法对流道沿程水头损失和局部水头损失分别进行计算;对蜗壳进口断面有测压孔的水电站,可根据压力测量孔测取的压力,按文德里管的原理求出压力管进口断面至涡壳进口断面的综合水头损失。1.3出力系数水电站出力系数K=9.81ηTηS,实际上反映了机组及电站的综合效率,ηT为发电机效率,因变化很小可按常数来考虑,中小型水电站发电机额定效率多为96%～97%,安装、检修及运行过程中有较大变化的要结合实际情况选取。ηS为水电站水轮机效率,因在不同工况下的变幅较大须按运行方式计算。大型水电站大多具备机组效率监测设备,或是有详细的机组效率试验资料,可方便地对发电厂各种运行工况的效率进行监测和计算。而中小水电站大多数只有投产初期所作的机组效率试验资料,许多小型水电站甚至一直没作过效率试验,只有厂家提供的模型综合运转特性曲线,这需要我们根据已有的资料结合机组实际运行和检修情况整理出较为实际的机组效率曲线,当然根本途径还是要按规程进行现场效率试验。鉴于大多数小型水电站与电网签订购售电和并网调度协议时规定了设计水平年的分月发电量,各时段(月)一般都有较为典型的负荷方式,相应电站各工况的出力系数可按典型日负荷曲线和典型机组间负荷分配方式求出,典型日的平均出力系数则按各小时电量的加权平均计算。调节能力好、运行方式变化大的小型水电站,因库水位和工作水头变化大,加上电网临时安排的调频、调峰和各类备用任务繁重,典型负荷方式代表性相对较差,各时段的平均出力系数要结合电网的中短期要求进行求解。1.4耗水率的计算耗水率指水电站发出单位kWh电量所需的水量,具体到梯级电站又有特定的含义。用典型负荷方式的平均耗水率来概括水电站各时段的水能转化情况并进行水务计算,可避免随时对机组效率、上下游水位、水头损失等参数的繁琐计算,云南电网内许多水电站的生产运行经验表明,用时段典型方式平均耗水率进行水务计算是一种简捷实用而精度又满足要求的方法。1.4.1单级水电站单级水电站在计算时段i(一般以月为计算时段)内的耗水率mi按其定义为mi=WiEi式中:Wi—为i时段发电用水;Ei—为i时段发电量。将上式作如下变换可推出耗水率计算式mi=WiNi×T=QiT×3600KiHiQiT=3600KiHi式中:Q、N、K、H、T分别为i时段水电站的平均发电流量、出力、出力系数、工作水头和时段小时数,其中H=Z上-Z下-ΔH。该式表明与水电站发电耗水率值直接相关的参数为出力系数和工作水头,其它参数对耗水率的影响是通过这两参数间接作用的。在水务计算过程中,先根据典型日负荷曲线求解各小时水电站的平均水头和出力系数,再按各小时发电量求加权平均才得到水电站各时段典型发电方式的平均水头和出力系数,其算式为工作水头:Hi=∑24j=1Ej×HjE日出力系数:Ki=∑24j=1Ej×KjE日式中:Ej—为i时段第j小时发电量;Hi—为段第就j小时平均工作水头;Ki—为i时段第j小时出力系数;E日—为水电站i时段典型日发电量对来水和发电方式变化较大的5、10月份可将时段长细划到旬或周,用旬或周的典型负荷曲线对实际运行的耗水情况进行计算,再根据旬或周的耗水率的发电量加权平均求出水电站月耗水率。1.4.2梯级水电站设第i级水电站的耗水率为mi,m3kWh;则在第i级水电站每m3水可发电1mi,kWh;相应每m3水从第n梯级流到第p梯级共可发电En-p=1mn+1mn+…+1mp反过来,从第n梯级到第p梯级发1kWh电需用水mn-p=1En-p=1(1mn+1mn+1+…+1mp)此时耗水率mn-p的含义成为从第n梯级到第p梯级每发1kWh电需耗用第n梯级电站的水量。2实例计算以老虎山水电站为实例进行水务计算,该电站地处云南楚雄州双柏县,由一级两台6.3MW和二级两台12.5MW的机组组成。电站分别在麻嘎河(其多年平均来水占总来水量的59.4%)和空龙河(其多年平均来水占总来水量的40.6%)建拦河坝取水,经无压隧洞引至一级站压力前池发电,一级尾水再由引水隧洞引至二级前池发电,区间来水微小可忽略。其中空龙河上游建有塘房庙年调节水库补水发电(年补给水量占总来水量的19.3%),因麻嘎河拦河坝无调节能力,一般情况下电站带基荷运行中长方式可利用塘房庙水库进行部分补偿调节。将来该电站还要在上下游建数个梯级,其水务计算和水能优化利用较为复杂,用它作为算例,既有利于该电站解决将来复杂的水务计算问题,也值得其它小型水电站作为水务计算模式借鉴。2.1基本参数2.1.1一级站1)压力前池水位。正常高水位1499.95m、死水位1497.25m,正常工作时为保证进水口不渗入空气和不发生弃水一般在1498.5m左右运行。2)尾水。对流量和尾水位对应关系进行数学拟合,得到尾水表达式为Z尾=1296.2+0.058×Q23)水头损失。设计计算式暂缺,按蜗壳进口断面压力计测出的压力值,结合上游水位、实际出力和机组效率曲线,推算和整定出水头损失算式为ΔH=0.289Q24)工作水头H1=1498.5-1296.2-0.058Q2-0.289Q2=202.3-0.347Q25)发电机效率。该站配置两台SF6300-82600型发电机,平均工作效率按额定值结合实际运行情况设定为96.5%。6)发电方式。根据老虎山梯级电站水能调节计算,结合电厂与电网签定的年度及分月购售电合同,推算出一级站分月发电量和平均出力(见电站水务综合计算表)。7)水轮机效率。该站配置两台HLD54-LJ-110型水轮机,根据机组效率试验结果和实际运行经验,2号机效率普遍优于1号机,在进行机组间负荷分配时一般优先安排2号,有多余的负荷时再考虑让1号机在正常出力范围内承担,由此推算出一级站分月水机效率及出力系数(见电站水务综合计算表)。2.1.2二级站1)压力前池水位。正常高水位1290.9m、死水位1286.35m,正常工作时为保证进水口不渗入空气和不发生弃水一般在1288.5m左右运行。2)尾水。该站为冲击式水轮机组,尾水位为安装高程839.05m。3)水头损失。设计计算式暂缺,与一级站同样用喷管进口断面测压孔测取的压力值,推算和整定出二级站水头损失算式为ΔH=0.848Q2H2=1288.5-839.05-0.848Q2=449.45-0.848Q25)发电机效率。该站配置两台SF12.5-102860型发电机,平均工作效率按额定值结合实际运行情况设定为97%。6)发电方式及水轮机效率。与一级相同推算出二级站分月发电量和平均出力;该站配置两台CJA237-L-1404×11.5型水轮机,根据机组效率试验结果和实际运行经验,该站也是2号机效率普遍优于1号机,采用同样方法可推算出二级站分月水机效率及出力系数(见电站水务综合计算表)。2.2水务计算结果分析从计算过程和结果表分析(见表1),老虎山为高水头、小流量型水电站,在运行中水头损失对电站水能利用的影响大大超过了出力系数的影响,在丰水期发电量大时,平均水头损失占到了电站工作水头的5%左右,枯水期水头损失则大幅减小;而电站综合出力系数主要取决于每