摘要：本文從水能計算與電能利用、水電站水能參數(shù)選擇兩個方面對引水式小型水電站的水能設(shè)計進行了分析。
1水能計算與電能利用
水能計算是針對樞紐設(shè)計的不同水能參數(shù)的運用規(guī)劃，計算各種水文情況下水電站的能量指標(biāo)，即水電站的保證出力和多年平均發(fā)電量等。由于河川徑流在年際之間和年內(nèi)分布存在著季節(jié)性差異，它需要通過水庫進行徑流調(diào)節(jié)，把豐水時段的多余水量重新分配到枯水季節(jié)里去利用，也就是說，旨在加大水電站的保證出力和年發(fā)電量。
通常水利計算和水能計算是同時進行的，時歷法是應(yīng)用最為普遍的方法。所謂水利計算系指運用水庫調(diào)節(jié)徑流，確定樞紐下游流量的全部計算工作，解決每一計算時段內(nèi)的水量平衡方程，具有一般調(diào)節(jié)性能(季調(diào)節(jié))的水電站，計算時段汛期按旬、枯水期按月較為適宜;只是對具有年和多年調(diào)節(jié)能力的水電站，計算時段才全部按月可取得較好的結(jié)果;對僅有日調(diào)節(jié)水庫的水電站，也就是徑流利用率低的水電站，才有必要將計算時段按日進行。
水能計算旨在求得:(l)在樞紐不同參數(shù)條件下水電站各項水能指標(biāo);(2)經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟計算最終參數(shù)條件，反映水電站的多年運行特性。
1.1水電站的基本水能指標(biāo)
1.1.1保證出力
水電站的保證出力是指相應(yīng)于設(shè)計保證率(可靠性)枯水時段的最小日、旬、月平均或年平均的出力(按不同調(diào)節(jié)性能采用)。采用多年徑流系列進行水利水能計算，確定保證出力是最普遍應(yīng)用的方法。水電站的保證出力計算:
N保二AQ保H凈
式中N保——水電站保證出力;
A——出力系數(shù)，一般大中型水電站可以取8.0-8.5；
Q保——設(shè)計保證流量；
H凈——凈水頭。
保證出力的大小決定于河川天然流量、正常蓄水位、死水位，以及相應(yīng)的水頭變化，并且與設(shè)計保證率有關(guān)。取決于這一出力按年數(shù)或時間的保證率一般采用80%一95%，同時也取決于保證率以外的時間，即允許這一出力的降低程度。時間，即允許這一出力的降低程度。
1.1.2多年平均發(fā)電量
水電站多年平均發(fā)電量是指選用的徑流系列歷年發(fā)電量的平均值。在設(shè)計中，不論對新設(shè)計的水電站或是已運轉(zhuǎn)的水電站，都是一項最重要的動能指標(biāo)。
多年平均發(fā)電量的大小主要決定于天然流量的變化、樞紐水能基本參數(shù)(即正常蓄水位、死水位、裝機容量等)和通過水電站水輪機的流量、水頭變化的影響，以及所采用計算水文系列的統(tǒng)計參數(shù)。
1.1.3水電站預(yù)想出力
所謂水電站的預(yù)想出力(或峰荷出力)是指水電站一晝夜或數(shù)小時內(nèi)，不論水頭、流量、設(shè)備運行狀態(tài)、樞紐上下游容許的水位變幅如何，水電站均能發(fā)出的最大出力。影響預(yù)想出力的主要因素是日平均出力(或日發(fā)電量)、通過水電站的日平均流量，以及水電站出力在一晝夜內(nèi)的利用方式，即承擔(dān)日負(fù)荷圖的工作位置、形狀等。預(yù)想出力需按每年逐月計算，但也常按規(guī)定的計算保證率，只確定電網(wǎng)最大負(fù)荷出現(xiàn)時預(yù)想出力。為確保水電站可靠地承擔(dān)電網(wǎng)負(fù)荷，在最大負(fù)荷發(fā)生時的預(yù)想出力的保證率一般應(yīng)為95%一100%。
1.2水能利用問題的研究
在我國水電比重大的地區(qū)，豐水期水電有大量季節(jié)性電能涌進電網(wǎng)，而電網(wǎng)對其有效吸收程度常受到一定的限制，即使網(wǎng)內(nèi)火電按技術(shù)最小出力運行或部分停機，季節(jié)性電能也難以得到充分利用，特別是夜間負(fù)荷低谷時段。
1.2.1重視河流規(guī)劃梯級開發(fā)中龍頭水庫的作用
水電事業(yè)的發(fā)展，梯級水電站的開發(fā)，水庫淹沒往往成為制約建庫條件的主要因素。如果在河流上游有建庫條件較好、淹沒損失相對較少的壩址，建龍頭水庫蓄能、蓄豐補枯，實現(xiàn)對全河流梯級的調(diào)節(jié)或補償，這樣既可以減少下游梯級水電站豐水期棄水，又可以增加枯水期電能。如四川龍溪河上的獅子灘、福建古田溪上的古田一級、貴州貓?zhí)由系募t楓、黃河上游的龍羊峽，以及廣西紅水河上的天生橋一級、龍灘等梯級的龍頭水庫，都是這樣規(guī)劃運用的。它對下游梯級可以實現(xiàn)水量調(diào)節(jié)和補償作用，從而有利于提高水量利用、電量有效利用。
1.2.2聯(lián)網(wǎng)與跨流域補償?shù)难芯?/p>
水電比重大的地區(qū)，考慮到各條河流之間徑流變化不同步和大水庫具有增強徑流調(diào)節(jié)的作用，因此，擴大聯(lián)網(wǎng)就成為水電站進行跨流域徑流補償提供必要的前提，實現(xiàn)水電之間、水火之間的電力補償，爭取水能資源充分利用。西北、四川聯(lián)網(wǎng)研究就是一個較好的例子。它以黃河龍羊峽為龍頭的梯級蓄能，對水電比重大、調(diào)節(jié)性能差的四川水電進行跨流域徑流和電力補償。通過聯(lián)網(wǎng)，使西北汛期水電讓出部分基荷(或腰荷)出力，接納四川水電部分季節(jié)性電能，枯水期黃河水電增發(fā)出力，反送四川。我區(qū)紅水河豐富的水電能源，通過500kV天廣線將云南、貴州、廣西水電東送廣東。雖然目前天生橋一級和龍灘水電站尚未建成，但徑流不同步的聯(lián)網(wǎng)效益已得到初步證實，并且減少了云南、廣西豐水期水電棄水，緩解了廣東能源緊張局面，收到了較好的經(jīng)濟效益。
2水電站水能參數(shù)選擇
水電站水能主要參數(shù)(或稱特征值)包括正常蓄水位、死水位、裝機容量等。在參數(shù)選擇時，必須考慮電站所在地區(qū)綜合利用要求，參數(shù)選擇的一致性，以及它們之間的相互影響。
2.1正常蓄水位
正常蓄水位是指水庫在正常運用的情況下，滿足設(shè)計的興利要求，在開始供水時應(yīng)蓄到的最高水位。通常，選擇正常蓄水位采用以下步驟和方法:
(l)根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，在河流規(guī)劃的基礎(chǔ)上，對水庫的具體條件進行全面分析，確定正常蓄水位的范圍，擬定幾個比較方案。
(2)對各比較方案進行綜合利用水量平衡，并初選各方案相應(yīng)的死水位、裝機容量、機組等計算能量指標(biāo)和效益。
(3)根據(jù)各方案的工程量、投資、施工工期等計算成果，進行動能比較，對不同方案作出評價，然后提出推薦方案。
隨著正常蓄水位的抬高，水庫庫容和電站的裝機容量、保證出力、多年平均發(fā)電量等均相應(yīng)增加，水庫淹沒、大壩等水工建筑物的工程量也必然增加。水工建筑物規(guī)模越大，施工期也就越長，電站效益發(fā)揮越晚。通過經(jīng)濟比較找出最有利的正常蓄水位。當(dāng)然水庫淹沒也會成為重要的制約因素。
