茶房寺電站裝機容量增加的可行性分析

程華衛

（陜西江漢水電勘測設計有限公司，陜西 西安 710016）

1 工程概況

茶房寺電站位于南鄭區湘水鎮境內，漢江一級支流冷水河中游。壩址醫生控制流域面積436 km2，多年平均徑流量4.80億m3。該電站1976年動工，1979年建成發電，主要建筑物有大壩、沖沙閘、進水口、引水明渠、壓力管道、主副廠房、尾水渠及戶外變電站。茶房寺水電站為引水式電站，現裝機1000 kW，設計水頭為16.81 m，發電流量為7.96 m3/s，安裝兩臺500 kW混流式發電機組。

2 存在問題

（1）根據收集到的電站近年來的發電量及年利用小時數分析，機組平均年利用小時數4775 h，運行時間長。而且進水口與前池常有棄水，洪水期棄水量更大，水能未充分利用，經濟效益和社會效益明顯降低。

表1 機組歷年發電量及年利用小時數統計表

根據以上分析，茶房寺水電站有增加裝機容量的潛力。本次在不改變現有建筑物的前提下，根據《小水電水能設計規程》（SL76-2009）附錄C“無調節或日調節電站水能計算”中的計算方法，對茶房寺水電站重新進行水能計算。確定新的裝機規模。

3 徑流計算

冷水河是漢江一級支流。發源于小南海鎮的頭道河，至胡家營東北入漢江。全長54 km，流域面積660 km2，河道平均比降30.0‰，主要支流有青石關河、興隆河。冷水河多年平均徑流量6.57億 m3，平均流量20.83 m3/s。

茶房寺水電站下游14 km處冷水河上設有三華石水文站。三華石水文站控制流域面積578 km2；1948年4月在冷惠渠大壩下游設立，為國家基本水文站，該站有55年的水文資料系列，經過代表性分析，三華石水文站55年徑流資料系列包括豐、平、枯水年，豐水段和枯水段交替出現，豐、枯水段大致是對稱分布。因此該55年年徑流系列具有較好的代表性。三華石水文站與茶房寺水電站在同一流域，下墊面相同，可以作為茶房寺水電站徑流計算的參證站。

（1）三華石水文站徑流計算

根據三華石水文站站55年徑流系列，按連續系列進行頻率計算，用數學期望公式計算經驗頻率，用矩法計算均值、Cv值等參數初試值，采用P━Ⅲ型曲線，按經驗適線法進行適線[1]，確定最終參數，Cv取 0.40，Cs/Cv取 2.5，不同頻率年徑流量計算成果詳見表2。

表2 三華石水文站不同頻率年徑流計算成果表

（2）茶房寺電站壩址年徑流計算

茶房寺水電站壩址控制流域面積436 km2，三華石水文站控制流域面積578 km2，用水文比擬法推求設計流域年徑流量W設計算公式：

其中：W設、W參為設計壩址、參證站年徑流量；F設、F參為設計壩址、參證站控制流域面積，F設=436 km2，F參=578 km2；h設、h參為設計壩址流域、參證站流域多年平均降水量，設計壩址流域多年平均降水量h設=1193.2 mm，參證站流域多年平均降水量h參=1169.7 mm。

經計算，茶房寺水電站壩址處多年平均流量為13.8 m3/s，設計斷面各頻率年徑流量成果詳見表3。

表3 茶房寺水電站壩址不同頻率年徑流計算成果表

（3）茶房寺水電站代表年逐日流量

裝機容量5MW以下的小水電站水能計算，可選取豐水年、平水年和枯水年3個代表年的系列資料進行計算。典型代表年選擇根據年徑流頻率計算成果，按照對發電不利的原則進行選取，本次選取與豐水年（P=20%）、平水年（P=50%）和枯水年（P=80%）設計頻率接近的1991年、1982年和1967年作為典型年，分別計算豐、平、枯設計代表年的日平均流量系列，作為茶房寺水電站水能計算的依據。典型年選擇詳見表4。

表4 三華石水文站典型代表年選擇成果表

根據選擇的三華石水文站典型代表年實測日平均流量系列資料，用同倍比法進行縮放，即用壩址設計年徑流量與水文站典型年的年徑流量的比值K乘以典型年逐日平均流量，得到茶房寺壩址的代表年的日平均流量系列。對豐、平、枯設計代表年日平均流量進行分級，然后用數學期望公式進行保證率計算。得到日流量保證率曲線，見圖1。

圖1 壩址典型代表年日平均流量保證率曲線

4 水能計算及裝機容量選擇

茶房寺水電站屬日調節電站，故采用《小水電水能設計規程》（SL76-2009）附錄C“無調節或日調節電站水能計算”中計算方法[2]，計算時段采用日為單位。

（1）生態用水量

根據陜水電發[2007]6號文件和陜水電發[2010]11號文件“陜西省水利廳關于農村水電站保證最小下泄流量有關問題的通知”中規定“維持水生生態系統穩定所需最小水量一般不應小于河道控制斷面多年平均流量的10%”。茶房寺電站壩址河道多年平均流量為13.8 m3/s，據此計算，茶房寺電站預留1.38 m3/s的生態流量。

（2）計算原則和方法

根據《小水電水能設計規程》，以豐、平、枯三個代表年日平均流量系列，按無調節電站水能計算方法計算本電站各項水能指標。

出力計算公式為：

式中：N為出力值，kW；A為效率系數；Q為流量，m3/s；H為設計凈水頭，m。

（3）裝機容量選擇

選擇1000kW、1260kW、1600kW三種裝機容量方案，對其年發電量、年利用小時數、工程投資等進行比較，見表5。

表5 裝機容量比較表

根據表2可以看出，隨著裝機容量增加，單位電度投資呈增長趨勢。方案一單位千瓦投資適中，單位電度投資最小，單位年利用小時數最高，但水利用率最小。方案二單位千瓦投資最小，單位電度投資適中，在裝機容量范圍內工程效益最好。水工建筑物幾乎不需要改造。方案三單位千瓦投資和單位電度投資均最大，發電引用流量11.8 m3/s，再加5%的引水損失，進水口需引水12.39 m3/s，現有的引水渠道進水口的最大過流能力為10.12 m3/s，渠道的過流能力為9.45 m3/s，均不能滿足方案三的引水流量要求。需要對進水口和引水渠道進行改造。因此推薦方案二（1260 kW）作為擴容后的裝機容量。

5 結語

茶房寺水電站增效擴容后裝機1260 kW，水輪機額定水頭為16.5 m，發電流量8.94 m3/s，年利用小時數4642 h。多年平均發電量585萬 kW·h，較擴容前增加了108萬kW·h。按0.325元/度的上網電價計算，電站每年增加收益35.1萬元，經濟效益顯著。擴容后提高了水電站綜合能效和安全性能，最大程度的提高電站的經濟效益。同時，裝機擴容也緩解了當地電力供應不足的問題，改善當地能源結構，保護當地生態環境。確保了地區社會經濟健康、持續、穩步發展。