發電量計算分析方法在小水電站工程中的應用

【摘要】發電量為小水電站的重要技術經濟指標，它的計算涉及水文數據、來水量推算、庫容曲線擬合、水管路水力損失、系統效率修正等方面的問題；本文主要介紹了小水電站發電量計算過程中對有關參數的分析處理方法，以及在小水電站工程中的實際應用。

【關鍵詞】小水電；水文數據庫；發電量；數據處理

1. 小水電站開發形式的多元化

小水電站開發形式多樣，有的小水電站引水線區間有徑流加入，存在區間徑流如何分析的問題；有的電站有幾處跨流域水庫，引水隧洞應如何優化設計以及引水工程能夠達到怎樣的效果的問題；有的經過擴容改造的電站，沖擊式機組與混流式機組一起發電，對不同的管路水力損失，不同的機組效率，不同的尾水位，如何確定水能參數；也有一些梯級電站，一級電站擴容，二、三級電站不擴容，梯級電站發電量如何重新確定等等。對于這些問題，如何給出一個更加量化的結論，這就需要小水電站發電量計算分析方法的進一步發展和完善。

2. 發電量計算的方法及原理

根據以往年份的水文規律利用計算機進行演算，來預測設計電站在未來年份中的一個平均發電量數值，這是電量計算的基本方法。電量算法分插補水文數據、來水量推算、來水量處理、庫容曲線擬合、水管路水力損失、系統效率修正、時段發電量計算等幾個部分。

3. 發電量計算的分析方法

3.1插補水文數據。原始水文資料僅提供每日流量數據，首先需要對水文數據進行插補數據完成逐小時模型水文流量表，以使程序能夠以１小時為時間步長進行更為精確的分析計算，插補數據可以采用樣條函數，樣條插補數據的缺點是可能產生負流量，簡單的辦法是產生負數流量時以置零處理。

3.2天然來水量推算。對于有區間徑流加入和幾處跨流域引水水庫的水電站。這類電站有多個集雨區，各個集雨區的水文參數以及引水條件有時候并不相似，所以程序對于天然來水量是分區計算和分區處理的。程序在計算時段發電量時，根據該時段模型水文數據的流量數值，各個集雨區集雨面積和徑流深數據，為各個集雨區推算時段來水量。各個集雨區逐日來水量不宜先期集中處理，而應分散在時段電量計算段中處理，因為像有壓隧洞引水入庫這種情況逐日入庫水量無法事先確定。

3.3來水量處理。小水電站有些情況的來水需經過引水后進入電站水庫，其中存在一個引水工程的過水能力問題，來水量大時超過引水能力的水量無法到達電站水庫，這是一種先期棄水。如果是有壓隧洞引水，水庫水位有漲落，引水隧洞的過水能力則是隨水庫水位變化的動態量，在計算過程中加入這樣的函數。同時引水線的漏水損失也需計算，漏水流量可以處理成一個定數，當來水量流量大于漏水量時，來水量應減去一個漏水量，當來水量小于漏水量時，來水量處理為零。對于梯級電站的水量需要記錄進入下一級電站的逐日水量。要考慮上一級棄水有可能進入下一級調蓄水庫而作用于發電，在下一級電站電量中對上一級傳遞的水量進行數量方面的合理處理。

3.4庫容曲線擬合。庫容曲線函數在給定一個庫容數據情況下能夠確定地給出一個水庫水位數值。庫容曲線擬合可以采用樣條擬合。也可以采用分段立方根函數擬合，即將兩個高程區間的庫容看作是一個上大下小的幾何臺體，這種擬合方法的好處是延伸性較好，即曲線的向上延伸段與客觀實際符合得較好。

3.5動態庫容和時段動態水位。時段初始庫容已知，時段末庫容可以由時段小時數、來水流量時段發電庫容、具體時段發電流量進行計算。對于電站與水庫之間以隧洞引水的電站，一般而言隧洞的漏水很少，可以認為發電流量即為通過機組的工作流量；對于渠道引水發電的電站，發電流量為通過渠道進水口處的工作流量，即通過機組的工作流量除以一個渠道效率。作為算法發電流量采用上一時段發電流量，最初時段采用額定發電流量。于是，可以估算該時段動態平均水位，溢洪問題安排在時段發電量計算以后處理，如果計算庫容大于允許最大庫容，則計算庫容代之以允許最大庫容。

3.6管路水力損失。小水電站往往是由很多水管路組成的。小水電站有水庫至電站間的進出水口、引水隧洞，隧洞出口至電站間還有引水鋼管、閥門等。這些水管路會有一定的水力損失（沿程損失和局部損失），管路流量和水力損失是一個動態變量，有了水庫水位和水管路水力損失，可計算出電站發電凈水頭。

3.7水能換算和系統效率修正。按照能量轉換理論，機組發電功率算式為：Ｐ＝9.8ηＱＨ式中η為機組綜合效率，Ｑ為通過機組的流量，Ｈ為發電凈水頭。水頭變化和工作流量的變化對于水輪機效率有一定影響。采用電量計算程序計算時機組效率可以根據水頭和流量的變化，根據運轉特性曲線給出的規律進行修正。

3.8單元時段發電量計算。一個單元時段可以是一個小時，或整個峰電時段或整個谷電時段。時段發電量計算過程最好處理成獨立通用的程序段，可以用來處理峰電時段也可以用來處理谷電時段或峰電時段中劃出一塊燈峰時段這樣的三時段問題。這樣擁有一個通用的單元時段電量計算程序段以適應新的三時段電量計算的要求就方便得多。單元時段發電量計算程序段是電量計算程序的中心運算單元。編制程序時應注意避免重復計算工作量以提高程序的運算速度。影響時段發電量的因素有來水量、庫存水量、時段小時數和調度規程。水庫隨月份變化的蓄水量安排，枯水季節低水位時機組減少負荷發電，機組規格不統一的電站中優先安排效率高的機組在枯水期運行，程序有必要考慮這方面的內容，對于機組規格統一的電站可以看作一臺大機組處理；對于機組規格不統一的電站，按雜合機型多機組電站處理。

3.9時段電量計算程序段循環順序和初始條件。水庫水位的動態變化使電站其它發電參數都處于動態變化和動態循環影響之中。水庫水位的變化導致電站發電水頭的變化。電站發電水頭的變化影響機組效率、工作流量和動力輸出。水管路流量的改變導致水管路水力損失的改變轉而影響發電凈水頭的改變。所以電站的動態發電參數是一個動態的循環影響過程。編制程序時能夠發現初始單元時段循環需要兩個初始條件：一個是庫容初始數據以計算水庫水位，另一個是計算動態平均庫容和水管路水頭損失需要的通過管路的流量。中間單元時段循環還是需要已知這兩個數據，不過作為一種算法這時流量數據可以借用上一單元時段的數據，最初時段采用額定發電流量。最初時段起始庫容以死庫容為庫容最初變量。算法誤差的存在可以通過縮短時段步長來觀察其算法誤差的大小。如果誤差足夠小，則說明這樣的算法處理是合理的。