設(shè)計(jì)代表年法在小攤水電站保證出力計(jì)算中的應(yīng)用

周 棟，潘 靖，王萬林，李昌柏，鄒 虹

(湖北省咸寧市水文水資源勘測局，湖北 咸寧 437100)

水電站保證出力，是指水電站在長期工作中符合水電站設(shè)計(jì)保證率要求的供水期的平均出力[1]，表示水電站在多年運(yùn)行期間提供的出力大于等于保證出力的概率恰好等于設(shè)計(jì)保證率。年調(diào)節(jié)水電站保證出力的推求方法有長系列法，設(shè)計(jì)枯水年法及簡化估算法[2-4]。長系列法是在已知多年水文流量資料的情況下，已知正常蓄水位及死水位，通過興利調(diào)節(jié)和水能計(jì)算，求出每年供水期的平均出力，然后將平均出力繪制成保證出力曲線，根據(jù)設(shè)計(jì)保證率在曲線中查的供水期平均出力值，即可作為年調(diào)節(jié)水電站的保證出力。對于年調(diào)節(jié)水電站，由于電站能否保證正常供電取決于枯水期，因此，通常直接采用枯水期作為保證出力的計(jì)算期，即為設(shè)計(jì)代表年法。本文針對小攤水電站，采用枯水期設(shè)計(jì)代表年法推求水電站的保證出力，針對其枯水期天然來水情況進(jìn)行蓄供水期的劃分，徑流調(diào)節(jié)，水能計(jì)算等求出其保證出力，并對其結(jié)果進(jìn)行分析[5]。

1 工程概況

白馬河發(fā)源于鄒城市城區(qū)東北老營山及傅村九龍山境內(nèi)，為淮河流域山東南四湖(微山湖)湖東支流，全長為60 km，流域面積為1 099 km2，水資源豐富，但水資源開發(fā)利用效率較低，故擬在白馬河干流修建小攤水電站。

擬建的小攤水電站為年調(diào)節(jié)電站，電站設(shè)計(jì)保證率取90%。水庫正常蓄水位為170 m，死水位為140 m，死庫容為6.9億m3，水電站效率系數(shù)η=0.85(已考慮水頭損失)，正常蓄水位至死水位之間的水庫容積稱為興利庫容，小攤水電站興利庫容為23.35億m3。小攤水電站各代表年月平均流量見表1，小攤水電站水位庫容關(guān)系見圖1，小攤水電站下游水位流量關(guān)系見圖2。

表1 小攤水電站各代表年平均流量 m3/s

2 方法及結(jié)果

年調(diào)節(jié)水電站保證出力的計(jì)算步驟如下：① 首先挑選典型設(shè)計(jì)代表年，保證出力的計(jì)算一般挑選典型枯水年；② 劃分典型年內(nèi)的供水期，蓄水期；③ 對枯水期電站來水情況進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)[6]；④ 用徑流調(diào)節(jié)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行水能計(jì)算，最后求出供水期的保證出力[7]。

圖1 小攤水電站水位庫容關(guān)系曲線

圖2 小攤水電站下游水位流量關(guān)系

2.1 供、蓄水期的劃分

以小攤水電站枯水期月平均流量為研究對象，進(jìn)行供、蓄水期的劃分。依據(jù)各月平均流量的數(shù)值情況，首先假設(shè)3—9月為蓄水期，10月—次年2月為供水期。設(shè)計(jì)枯水年的年平均流量Q設(shè)年=704 m3/s，年水量=222.18億m3，每月的秒數(shù)T月=2.63×106s，供蓄期間均不計(jì)水量損失，對應(yīng)計(jì)算公式如下：

V完=Q設(shè)年×T供-W供

(1)

(2)

(3)

上述公式中V完為完全調(diào)節(jié)庫容，V興為興利庫容，W供、W蓄分別為供水期，蓄水期的相應(yīng)水量，T供、T蓄分別為供水期，蓄水期的相應(yīng)時(shí)間，Q供、Q蓄分別為供水期，蓄水期的發(fā)電引用流量。計(jì)算求得Q供=292 m3/s，Q蓄=1 252 m3/s。由于供水期10月—次年2月的平均流量均小于Q供，故之前的假設(shè)正確[8]。若假設(shè)的供水期月平均流量存在大于Q供，則要重新假設(shè)供水期月，利用公式(1)～(3)重新計(jì)算相關(guān)數(shù)值，并重復(fù)上述步驟至假設(shè)正確。

2.2 徑流調(diào)節(jié)

根據(jù)劃分的供、蓄水期，對小攤水電站進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)，徑流調(diào)節(jié)遵循的原則有：① 蓄水期時(shí)，天然來水小于1 252 m3/s時(shí)，發(fā)電流量等于天然來水；當(dāng)天然來水大于1 252 m3/s時(shí)，發(fā)電流量為1 252 m3/s，其余流量為棄水部分[9]；② 供水期時(shí)，發(fā)電流量均為Q供；③ 蓄水期初，即3月的起調(diào)水位為死水位140 m，供水期即9月末水位為正常蓄水位170 m；供水期則相反，水位由正常蓄水位降至死水位[10]。

小攤水電站枯水期年調(diào)節(jié)時(shí)歷計(jì)算見表2，6月底水庫蓄至正常蓄水位170 m，相應(yīng)庫容為30.25億m3，在枯水期末即次年2月末水位消落至死水位140 m，相應(yīng)庫容為6.9億m3。

時(shí)段末蓄水量由時(shí)段初蓄水量加上蓄水量的變化值；時(shí)段末的水位由時(shí)段末蓄水量根據(jù)水位庫容曲線推算求得[11]。

表2 水庫枯水期年調(diào)節(jié)時(shí)歷計(jì)算

2.3 水能計(jì)算

在徑流調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上進(jìn)行水能計(jì)算，發(fā)電流量來自徑流調(diào)節(jié)的成果，水庫供蓄流量△Q=天然來水-發(fā)電流量-棄水流量。月平均上游水位等于時(shí)段初、末水位的平均值，月平均下游水位由下泄流量根據(jù)電站下游水位流量關(guān)系推求，水電站平均水頭等于月平均上游水位減去月平均下游水位[12]。

保證出力計(jì)算公式如下：

N=9.81ηQH供

(4)

式中H供為設(shè)計(jì)枯水年供水期水電站平均水頭，m；Q為徑流調(diào)節(jié)得到的發(fā)電流量，m3/s。

設(shè)計(jì)枯水年電站出力及發(fā)電量計(jì)算見表3。

供水期10月—次年2月月平均出力的平均值即為保證出力，具體計(jì)算如下：

表3 設(shè)計(jì)枯水年電站出力及發(fā)電量計(jì)算

3 結(jié)語

年調(diào)節(jié)水電站保證出力的推求中，長序列法對水文資料長度要求較高，需足夠時(shí)間范圍徑流資料支撐繪制電站保證率曲線，而由于年調(diào)節(jié)水電站能否保證正常供水主要取決于枯水期，所以對于徑流序列長度不夠的水電站，可以使用設(shè)計(jì)代表年法推算其保證出力。設(shè)計(jì)代表年法對水文資料需求不高，只需已知設(shè)計(jì)枯水年的月流量、水位庫容關(guān)系、下游水位流量關(guān)系、正常蓄水位及死水位等，可按照上述方法，通過供、蓄水期的劃分、徑流調(diào)節(jié)、水能計(jì)算的計(jì)算順序計(jì)算得到相應(yīng)的保證出力值。