引水式電站裝機容量的確定

劉 袁

(奎屯農七師勘測設計研究院(有限公司)，新疆奎屯市 833200)

水電站的裝機容量的確定的最基礎方法是利用出力公式計算得出，出力公式非常簡單，易于計算，相關的教材和參考書都止于簡單介紹，但在實際工作過程中，尤其是引水式電站的裝機容量的確定，在相關計算參數的選取上容易陷入誤區。本文對引水式電站裝機容量確定的方法和程序進行梳理，對相關的問題進行探討。

1 出力公式

出力計算公式有2個：理論出力和實驗出力。

(1) 理論出力計算公式：

Pt=9.81QH0

(1)

式中：P為理論出力，kW;Q為流量，m3/s;H0為靜水頭,m。

(2) 實際出力計算公式[1]：

P=9.81QHηηdηg

(2)

式中：P為實際出力，kW;Q為流量，m3/s;H為靜水頭,m；η為水輪機效率；ηd為傳動設備效率；ηg為發電機效率。

實際工作中采用實際出力公式計算確定裝機容量。

根據公式可知，確定電站出力需要明確引用流量、額定水頭和效率參數。

2 引用流量的確定

從某種角度上講，一般文獻所指的裝機容量的選擇，實質上就是引用流量的選擇。引用流量的大小是影響電站出力最直接的因素,它取決于規模的大小，也是規模大小最直觀的參數之一。確定引用流量主要涉及到工程投資和電力電量平衡2個方面，進行技術經濟比較分析后確定。一般引水式電站裝機容量確定方法有：保證出力的倍比系數法、年利用小時數法、投資收益最大法、邊際成本差值最大法、目標函數法、模糊數學方法等[2]。前2種屬于經驗分析法，后面4種方法屬于技術經濟比較分析法。

由于技術經濟比較分析方法多而復雜，工作量大，又沒有一個權威的計算方法，造成實際工作往往流于形式，設計人員定規模時只根據經驗分析法確定規模。這種做法容易與實際情況發生嚴重的偏離，最好還是采用技術經濟比較去確定引用流量，但精確地計算各方案的工程量工作量太大。作者以為采用下面的方法確定引用流量較為合理：

(1) 收集近期類似電站工程數據作為基礎，分析類比出規模變化和投資變化之間的關系曲線。

(2) 根據類似工程，按照裝機利用小時數初步確定一個設計基礎方案進行設計計算工程量和投資。

(3) 根據基礎方案，調整引用流量的大小，與基礎方案相比，用各方案的最主要建筑物以及設備的工程量變化系數和投資變化系數計算出加權平均系數，再用加權平均系數乘以基礎方案的投資額，得出各方案的估計投資額。

(4) 利用動能經濟的原理和經濟評價的參數(例如投資收益率、經濟內部收益率)進行方案比較，考慮水能利用，目標因素確定最優的方案，取其引用流量作為設計引用流量。對于擔任調峰、調頻的電站，計算經濟效益時應適當考慮電站部分容量的效益，通過經濟杠桿充分反映其在電力系統中承擔的調峰、調頻作用[3]。

確定設計流量時除進行技術經濟分析時，還應考慮制約因素和客觀要求：

(1) 應特別注意保留合適生態用水量。生態用水量應單獨論證，直接扣除，排除外界因素，保護生態環境。

(2) 對進入孤立的地方電網中運行的電站，應進行電力電量平衡分析，分析裝機容量是否受電網制約[4]。但從長遠和宏觀看，不宜輕易因為電力電量平衡的原因減少裝機容量，應積極尋求對策和政策，畢竟水電是清潔能源。

對于建成后電站將并入國家電網，或者接入的地方電網已并入國家電網，是不需要進行電力電量平衡分析的[4]。

(3) 有灌溉和供水要求的電站，應確保灌溉和供水要求[4]，若沒有恰當的理由，電站引用流量一般不應低于灌溉和供水的流量。

(4) 電站引用流量應與上、下游泳梯級電站相協調[4]。

(5) 對于承擔峰荷的電站應考慮一定的備用容量[5]。

3 額定水頭的確定

額定水頭有3種概念，各不相同。① 額定靜水頭，不考慮水頭損失；② 額定凈水頭，額定凈水頭是額定靜水頭減去水頭損失；③ 水輪機額定水頭，水輪機的設計額定水頭，用以計算出力的額定水頭。計算時，要先確定額定靜水頭，再求水頭損失，然后得到額定凈水頭以及水輪機的額定水頭。

3.1 額定靜水頭的確定

一般文獻對壩后式電站的額定靜水頭計算介紹較多，設計人員往往容易用壩后式電站的計算方法確定引水式電站的額定靜水頭。對于非調節性引水式電站，這種方法欠妥。

壩后式電站額定靜水頭方法是：通過上游的來水和大壩的泄放情況確定不同時間內的水庫水位，然后通過加權平均的方法確定水庫加權平均水位，減去加權平均尾水位得到額定靜水頭。非調節性引水式電站的額定靜水頭和壩后式電站的額定靜水頭計算原理相同，但確定前池加權平均水位的方法又不同， 主要是因為引水式電站前池水位是可以人為調節的，即便是上游來水小于設計流量，前池可以通過水輪機導葉的控制將前池水位控制在設計水位進行發電(實際運行過程中，一般也會進行這樣的操作以提高出力)，而壩后式電站由于水庫庫容太大無法通過這種方式進行調節。

雖然前池水位可以通過水輪機導葉進行調節，但是確定前池加權平均水位仍然要注意一個問題：小流量狀態下，前池水位的人為抬升必然導致渠道水流流速降低，流速降低的范圍是有限制的，主要要考慮泥沙和冰，也就是最低流速不宜低于不淤流速和不結冰流速。若存在這方面的限制，應將其時間段確定，再采用控制流速確定前池該時間段的前池水位，不受限制的時間段采用前池設計水位，再加權平均求得前池加權平均水位；若不受這方面的限制，前池的設計水位就是前池的加權平均水位。

值得一提的是，引水式的電站加權平均尾水位則需要根據不同時間段、不同流量情況下的尾水位進行加權平均求得，這和壩后式電站尾水位的算法是一致的，主要是因為尾水位不具有調節性。

另外，若考慮實際運行情況下水位存在波動，調節存在一定的滯后，通過上述方法確定的額定靜水頭可減掉一定的數值，使額定靜水頭值更符合實際情況，也可直接在確定水輪機額定水頭時考慮這些因素。

3.2 水頭損失的確定

水頭損失設計值是通過計算設計流量下沿程水頭損失和局部水頭損失之和求得，局部水頭損失計算可參考《水力學計算手冊》[6]，其介紹較為詳細全面。實際工作中，計算水頭損失應注意以下問題：

(1) 計算沿程水頭損失，管道長度應包括方變圓、彎管、岔管、錐管等局部變化段，不應只計算這些部位的局部損失而忽略其沿程水損。

(2) 計算局部水頭損失，應注意要計算進口和出口的局部水頭損失，一般設計人員容易漏掉這2個部位。

(3) 蝸殼以及水輪機造成的水頭損失已在水輪機的效率系數中有所考慮，可不計。

(4) 存在支管的管道布置，應對每個機組的對應水頭損失進行求解，取加權平均值作為設計水頭損失值。若以安全起見，也可取最大水頭損失值作為設計水頭損失值。

(5) 攔污柵前容易堆積污物(如樹枝、雜草)，又無法很好解決這個問題時，攔污柵的實際水頭損失值往往比計算值偏大，有的甚至能達到3～5 m[7]，因此計算攔污柵水頭損失應考慮污物的影響，可采用布爾可夫-邱津娜公式[8]，并根據類似電站實測資料進行類比確定。

3.3 水輪機額定水頭的確定

水輪機的額定水頭應根據電站開發方式確定[4]。對于高水頭引水式電站，水輪機的額定水頭就可以直接采用額定靜水頭減去水頭損失，即額定凈水頭。但對于中低水頭的引水式電站，水頭對電站的影響比較大，應根據規范尚應在額定靜水頭上乘以一個0.85～0.95的系數，這一點容易被設計人員忽視。

最后計算全廠機組滿發時的凈水頭，復核其是否滿足前面所確定的額定水頭，若不滿足，應以全廠機組滿發時的凈水頭為基礎確定額定水頭。這是因為有的電站尾水位隨流量變化比較大，加權平均時所得的尾水位會較低，確定的額定水頭有可能會大于機組滿發時的凈水頭，這樣選出的機組會無法滿發，這是不允許的。

4 效率參數的確定

水輪發電機組的效率參數有3個：η為水輪機效率；ηd為傳動設備效率；ηg為發電機效率。3個系數連乘得到水電站出力系數k。一般文獻介紹：對中小型電站，k值一般取為6.5～8.0。由于k值范圍太大，不經計算在該范圍內取值容易與實際情況偏差太大。實際工作中，確定效率參數時宜進行轉輪和發電機初選，得出的出力系數。一般單位都積累了一定的轉輪和發電機資料，轉輪初選的工作量也不大。

5 結 語

所有參數確定后按照公式計算向下取整即可確定電站的設計裝機容量，再考慮機組臺數的分配，若考慮不可預見的因素(如泥沙情況復雜、進水和出水不順等)，可再乘以一個小于或等于1的安全系數向下取整后作為最終的電站設計裝機容量。

[2] 李智杰,王治中,劉林章.用模糊數學方法選擇水電站裝機容量[J].水土保持研究，2006,13(3):247-251.