小水电站发电量计算的分析探讨

小水电站发电量计算的分析探讨

１问题的提出

小水电站开发形式多样，有的小水电站引水线区间有径流加入，存在区间径流如何分析的问题；有的电站有几处跨流域水库，引水隧洞应如何优化设计以及引水工程能够达到怎样的效果的问题；有的经过扩容改造的电站，冲击式机组与混流式机组一起发电，对不同的水管路水力损失，不同的机组效率，不同的尾水位，如何确定水能参数；也有一些梯级电站，一级电站扩容，二、三级电站不扩容，梯级电站发电量如何重新确定等等。对于这些问题，如何给出一个更加量化的结论，这就需要小水电站发电量计算的进一步发展和完善。

２电量计算的算法原理

根据以往年份的水文规律利用计算机进行演算，来预测设计电站在未来年份中的一个平均发电量数值，这是电量计算的基本方法。电量算法分插补水文数据、来水量推算、来水量处理、库容曲线拟合、水管路水力损失、系统效率修正、时段发电量计算等几个部分。

３电量计算的分析探讨

３．１插补水文数据

原始水文资料仅提供每日流量数据，首先需要对水文数据进行插补数据完成逐小时模型水文流量表，以使程序能够以１小时为时间步长进行更为精确的分析计算，插补数据可以采用样条函数，样条插补数据的缺点是可能产生负流量，简单的办法是产生负数流量时以置零处理。

３．２天然来水量推算

对于有区间径流加入和几处跨流域引水水库的水电站。这类电站有多个集雨区，各个集雨区的水文参数以及引水条件有时候并不相似，所以程序对于天然来水量是分区计算和分区处理的。程序在计算时段发电量时，根据该时段模型水文数据

的流量数值，各个集雨区集雨面积和径流深数据，为各个集雨区推算时段来水量。各个集雨区逐日来水量不宜先期集中处理，而应分散在时段电量计算段中处理，因为像有压隧洞引水入库这种情况逐日入库水量无法事先确定。

３．３来水量处理

小水电站有些情况的来水需经过引水后进入电站水库，其中存在一个引水工程的过水能力问题，来水量大时超过引水能力的水量无法到达电站水库，这是一种先期弃水。如果是有压隧洞引水，水库水位有涨落，引水隧洞的过水能力则是随水库水位变化的动态量，在计算过程中加入这样的函数。同时引水线的漏水损失也需计算，漏水流量可以处理成一个定数，当来水量流量大于漏水量时，来水量应减去一个漏水量，当来水量小于漏水量时，来水量处理为零。对于梯级电站的水量需要记录进入下一级电站的逐日水量。

要考虑上一级弃水有可能进入下一级调蓄水库而作用于发电，在下一级电站电量中对上一级传递的水量进行数量方面的合理处理。

３．４库容曲线拟合

库容曲线函数在给定一个库容数据情况下能够确定地给出一个水库水位数值。库容曲线拟合可以采用样条拟合。也可以采用分段立方根函数拟合，即将两个高程区间的库容看作是一个上大下小的几何台体，这种拟合方法的好处是延伸性较好，即曲线的向上延伸段与客观实际符合得较好。

３．５动态库容和时段动态水位

时段初始库容已知，时段末库容可以由时段小时数、来水流量时段发电库容、具体时段发电流量进行计算。对于电站与水库之间以隧洞引水的电站，一般而言隧洞的漏水很少，可以认为发电流量即为通过机组的工作流量；对于渠道引水发电的电站，发电流量为通过渠道进水口处的工作流量，即通过机组的工作流量除以一个渠道效率。作为算法发电流量采用上一时段发电流量，最初时段采用额定发电流量。于是，可以估算该时段动态平均水位，溢洪问题安排在时段发电量计算以后处理，如果计算库容大于允许最大库容，则计算库容代之以允许最大库容。

３．６管路水力损失

小水电站往往是由很多水管路组成的。小水电站有水库至电站间的进出水口、引水隧洞，隧洞出口至电站间还有引水钢管、阀门等。这些水管路会有一定的水力损失（沿程损失和局部损失），管路流量和水力损失是一个动态变量，有了水库水位和水管路水力损失，可计算出电站发电净水头。

３．７水能换算和系统效率修正

按照能量转换理论，机组发电功率算式为：Ｐ＝９．８ηＱＨ式中η为机组综合效率，Ｑ为通过机组的流量，Ｈ为发电净水头。水头变化和工作流量的变化对于水轮机效率有一定影响。采用电量计算程序计算时机组效率可以根据水头和流量的变化，根据运转特性曲线给出的规律进行修正。

３．８单元时段发电量计算

一个单元时段可以是一个小时，或整个峰电时段或整个谷电时段。时段发电量计算过程最好处理成独立通用的程序段，可以用来处理峰电时段也可以用来处理谷电时段或峰电时段中划出一块灯峰时段这样的三时段问题。这样拥有一个通用的单元时段电量计算程序段以适应新的三时段电量计算的要求就方便得多。单元时段发电量计算程序段是电量计算程序的中心运算单元。编制程序时应注意避免重复计算工作量以提高程序的运算速度。影响时段发电量的因素有来水量、库存水量、时段小时数和调度规程。水库随月份变化的蓄水量安排，枯水季节低水位时机组减少负荷发电，机组规格不统一的电站中优先安排效率高的机组在枯水期运行，程序有必要考虑这方面的内容，对于机组规格统一的电站可以看作一台大机组处理；对于机组规格不统一的电站，按杂合机型多机组电站处理。

３．９时段电量计算程序段循环顺序和初始条件

水库水位的动态变化使电站其它发电参数都处于动态变化和动态循环影响之中。水库水位的变化导致电站发电水头的变化。电站发电水头的变化影响机组效率、工作流量和动力输出。水管路流量的改变导致水管路水力损失的改变转而影响发电

净水头的改变。所以电站的动态发电参数是一个动态的循环影响过程。编制程序时能够发现初始单元时段循环需要两个初始条件：一个是库容初始数据以计算水库水位，另一个是计算动态平均库容和水管路水头损失需要的通过管路的流量。中间单元时段循环还是需要已知这两个数据，不过作为一种算法这时流量数据可以借用上一单元时段的数据，最初时段采用额定发电流量。最初时段起始库容以死库容为库容最初变量。算法误差的存在可以通过缩短时段步长来观察其算法误差的大小。如果误差足够小，则说明这样的算法处理是合理的。

４结束语

由水文数据、水能参数、压力管线参数、机组参数等的合理组织，将原始数据函数化、程序化，编制实用通用的电站电量计算工具，需要多专业的综合分析，最好能结合已建坝后式、河床式、引水式等不同电站实例进行验算，使发电量这一重要的电站参数计算得更为科学。

作者单位：1 水利部农村电气化研究所；2 浙江省仙居县水利局