小水电水能计算方法的改进

科研管理 水利规划与设计 2 0 1 3 年第 9 期 小水 电水 能计 算 方法 的改进 王 平 上海勘测设 计研 究院 上海 市 2 0 0 4 3 4 摘 要 1 9 9 4年发布的 小水电水能设计规程 以下简称 规程 S L 7 6 9 4 受当时计算机 尚未普 及应用的条件限制 提 出的水能计算方法是 以人工手算为主的 使用了较多的简化方法 2 0 0 9年发布的 规 程 S L 7 6 2 0 0 9 仍基本沿用了前版规程的主要水能计算方法 2 0 1 2年 规程 S L 7 6 2 0 0 9 开始修编 上升为国家标准 为修正原规程 特介绍水能计算改进方法 改进方法以计算机为工具 避免或改正了原 规程计算方法分类不合理 主要计算方法的理论依据有缺陷 保证出力不准确等问题 通过多年来多项工 程实用检验 改进方法严格地符合水能计算理论 结果准确 计算过程方便快捷 关键词 小水电站水能计算径流调节方法改进 D0I 编 码 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 6 7 2 2 4 6 9 2 0 1 3 0 9 0 1 0 中图分类号 T v7 6 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 2 2 4 6 9 2 0 1 3 0 9 0 0 2 8 0 5 1 规程 S L 7 6 2 0 0 9 水能计算方法的 主要 问题 1 1 计算方法分类没有区分标 准 规程 按照水 电工程水库的调节性能划分 把水能计算方法分为 无调节或 日调节 年调 节 水库等流量调节 年调节水库 己知水 电站 出 力过程或 已知兴利库容调节 多年调节水库 电 站共 4种不 同的计算方法 但该规程并没有给 出 划分这 4种水库调节性能 的方法和标准 国内其 它水利水 电规范 中也找不到类似划分标准 有些 书籍 中有按 水库 库容 系数划 分水库 调节性 能 的 经验型方法 但划分标准各不相 同 任 意性 较大 举例见表 1 水库调节性能随着不同地区 降雨径流条件 库容大小 发 电用水过程等情况变化 在不 同的 年份或时段也会有所差异 根据更 多的理论研 究 和实践证 明 年和 多年调节水库是没有理论 上的 定量 的判别标准 的 只有 日调节库容有准确 的理 论计算方法 所 以 季调节 年调节 多年调节 是对调节性 能的定性描述 并没有准确 的统一 的 定量分类标准 也就无法正确选择不 同的水 能计 算方法 1 2 年调节水库的计算方法存在较大缺陷 把全年划 分为供水期和 蓄水期两部 分 划分 2 8 过于简单 没有反 映水 库可能的多次运行情况 不 同水文年份均从相 同的水位起调或终止 不符 合实际情况 计算 中必须预知未来一年的来水过 程 假设条件与实际情况相差太大 差积曲线或 等流 量调节 的 目的仅是追 求尽 可能平 缓 的泄水 过程 但与之相应 的并不是稳定 的合理的发 电出 力过程 没有针对 电力系统发 电要求和不 同保证 率发挥水库 的主动调节作用 计算思路和结果与 电力 系统对 水 电站 的要 求并不 相符 规 程 f S L 7 6 2 0 0 9 条文说 明 4 0 7条对年调节水库水 能 计算方法有如下 的 自我评价 严格说 等流最调 节有 比较大 的缺 陷 由此计算 的出力过程与实 际 情况也有较大 的差异 假该方法却有 计算 工作量 小 简便 易行的优点 如果说在 以手工计算 的 年代 等流量法还有计算工作量小 简便 易行 的 优 点 但在 以计算机为 工具 的年代 其优 点已经 转 变 为 缺 点 l 3 保证出力确定方法与理论定义有一定差距 根据 规程 S L 7 6 2 0 0 9 条文说明 4 0 7条 年 调节水 电站设计枯水年供水期平均i I 力可作为 电站保证 出力 这条内容是沿用 规程 S L 7 6 9 4 计算保证 出力的两个方法之 一 是在长系 列法计 作者简介 王平 1 9 6 0 年一 男 高级工程师 科研管理 水利规划与设计 2 0 1 3 年第 9 期 表 1 水库调节性能经验型划分标准 参 考书名称 出版社 出版 时间 日调节标准 年调节标准 多年调节标准 水工设计手册2 水利 电力出版社 1 9 8 4 艇 0 2 5 0 5 O 水利工程实用水文 水利 计算 水利 出版社 1 9 8 2 焦 O 2 5 0 3 O O I 3 0 0 5 O 注册 土木 工 程师 考试 培 训教 中国水利水 电出版社 2 0 0 7 焦 枯水 日来水量 的 材专业知识 2 O 2 5 0 0 8 0 3 0 0 3 O 注册 土木 工程 师 考试 指 定教 黄河水利 出版社 2 0 0 7 焦 枯 水期平均流量 1 O h O 2 5 材水利水 电工程专业 案例 算基础 上再简化 的方法 规程 S L 7 6 9 4 条 文说明3 1 条对这种保证出力的计算方法有 以下 自我评价 目前采用长系列来水过程按等流量调 节或按 一定的 出力变化过程调节 列表 计算 将计 算的出力值排频率曲线近似代替概率 曲线 这种 方法缺 乏严 密的理论依据 因为调节后 的出力严 格来讲不 是随机事件 规程 S L 7 6 2 0 0 9 条文说明 4 0 7条 为了简化计算 用设计枯水 时段供水期平均出力作为保证出力 用以代替供 水期平均 出力排频后查得的对应设计保证率的 出力 由此可知 规程 S L 7 6 9 4 编 制者当 时就 指 出 了这 一方 法缺 乏严密 的理 论依据 而 规程 S L 7 6 2 0 0 9 只是对 规程 S L 7 6 9 4 这一缺乏严密 理论 依据 方法 的再次简化 原来 方 法存在 的问题 并没有在 规程 S L 7 6 2 0 0 9 得 到改正 1 4 多年调 节水库水 能计算 部分方法 不能满 足 设 计要求 规程 S L 7 6 2 0 0 9 推荐 的多年调节水库 水 能计算方法 是在常规 的概 率法线解 图的基础 上 再次简化 计算 只有 结果 没有各时段径流调 节过程 无法与水库调度图的计算衔接 计算效 率较低 精度较差 目前全国多年调节大中型水 库和 电站 已基本不再使用概 率法 都直接使用长 系 列时历法 1 5缺少调度 图有 关具体 内容 规程 S L 7 6 2 0 0 9 4 0 1条规定了水能 指标主要 采用时历法 4 0 5条要求季 调节及 以 上 的水库 应按调度 圈操作 计 算 校核 水能指 标 但 规程 S L 7 6 2 0 0 9 缺少调度 图编 制 的 具体方法 没有提 出各设计阶段应用 调度 图的不 同要求 也没有指出一般径流调节水能计算与按 调度 图计算 的相互 关系 1 6 计算方法采用的计算手段工作量大 规程 S L 7 6 2 0 0 9 计算方法是基于 人工 手算 如列表 法 差积 曲线 法 查 曲线 图法等 如用 3 0至 6 0年长系列逐 流量 算 规程 S L 7 6 2 0 0 9 就 没有对应方法 即使采 用月流 量 资料 多方 案重复计算 工作 量也浩大 易出错 为减少 二 作量 不得 采用 了很多 合理 的简化 假 设 留下 了 些问题 且 J 使可 以勉强使用计算 机完成列表法和差积峨线法的部分计算 也仅是 手工计算的 电算模拟 思路还是 同手工计算一样 2 水能计算方法的改进思路和 目标 2 1 以计算机为工具 创新计算方法 原来手工 计算时 长系列时历法试算保证 出 力十分 困难 有 了计算机 却变得 非常容易 原来 为了减少工作量 使用的列表法 差积曲线法 查 图法等 现在却变得 非常麻 烦和 费时 所 以改 进 的水能计算方法应 以计算机为工具 从过去人 工计算 绘 图 查 图 图解法 的状态 中解脱 出来 但也不能仅是手工计算方法 的 电算化 而应重 新 建立一套理论严谨准确 适合用计 算机 自动计 算 的方法 应使水能计算高效 准确 易于操作 2 2 把不同调节性能水库的计算方法统一起来 规程 S L 7 6 2 0 0 9 按照 水库 的调节 性能 划分为 四种不 同的计算方法 由于缺少准确 的划 分标 准 实际工作 中常据年来 水 发 电用水要 求 或 仅 以库容 系数等 单 因素指标 作为划 分水 库是 属 年调 节或 多年调 节 其实 水库年 调节和 多年 调 节之 间并无 严格 的界 线 水 库调节 性能 随年 径流的变差系数 径流和用水过程及二者的负 相 关程度 等 多种 因素而变 化 改进 的水能 计算 方 法应对 水库 的调 节性 能不作 硬性 的划分 对 各种 调节 性能 的水 库采用 统一方 法计 算 应 把 不同调节性能对水库电站发电指标的影响反映 在计算 结果之 中 2 3 应以调节发电出力为目标 去除不合理的 假定和简化 改进 的水 能计 算方 法不 应简单 地划 分每 年 供水 蓄水调节时期 不应再硬 性划 分长系 列中 2 9 科研管理 水利规划与设计 2 0 1 3 年第9期 丰水 枯水调节年组 不应再人为划分年调节库 容和多年调节库容 不应 再假设可预知未来一年 甚 至更长时间 的径流过程 不再对 每年 水库 的起 止 水位 作人为的假定 改进 方法应 主要 是按水库 蓄水情况和发电要求连续调节计算 以准确反映 水库入 库水 量和相 应发 电过程 随机变 化 的真实 状 态 水库 电站的运行应从主要调节和核算 出库 流量 转变为主要调节和核算发电出力 原方法 中单独 追求 出库流 量尽量 均衡 的做法 应该 改为 争取最大 的发 电保证 出力 并使之严格符合设计 保证率 的要求 在此前提下再争取提高总发 电量 2 4 准确计算保证率和保证出力 2 4 1水 电站设计保证率 保证 出力的准确含义 规程 S L 7 6 2 0 0 9 应用 到 水 电站设计 保证率 保 证 出力 但没有给 出两术语 的 含义 查 水利水电工程技术术语 S L 2 6 2 0 1 2 5 3 1 7条 设计保证率 规划设计 中选用的在多 年期 间用水部 门的正常用水得 到保证 的程度 通 常以保证正常用水的历时与计 算总历时或保证正 常用水的年数与计算总年数比值的百分数表示 5 3 4 2条 水 电站保证出力 水 电站在相应于设 计保证率 的供水时段 内的平均出力 再查 水 利水 电工 程动能设计规 范 DL T 5 0 1 5 1 9 9 6 2 0 4 条 设计保证率 水 电站正常发 电的保证 程 度 用水 电站正常发 电的时段数与计算总时段 数相 比的百分率表示 时段 长短可根据水库调节 性能和 设计 需要 按年 月 旬 日分别选用 2 0 2 0条 1 保证 出力 水 电站在设计保证 率枯水时段 的平均 出力 又 查 水 电工程水利 计算规范 DL T 5 1 0 5 1 9 9 9 3 0 9 条 保证 出力 水 电站相应于设计保证率 的供水时段 内的 平均 出力 6 0 6 条 水 电站 的保证 出力 应 根据长系列径流调节计算得 到的出力过程 按各 时段平均 出力统计绘制其保证率 曲线 按选定 的 发 电设计保证率确定 由此可知 确定设计保证率及保证出力的准 确统计范围应是全部系列的 计算总时段数 而不仅是其中的枯水年或枯水时段 因保证出力 是水 电站 正常发 电时段 中最小 的时段平 均出力 一 般都发生在枯水期或供水期 水 电站 的出力都 是 以一定计算 时段 的平 均出力表示 的 所 以上述 规范所说 的 枯水时段 的平均 出力 是指 时段 内的平均 出力 如果错误地理解为 时段之外 的再 3 0 平均 就不符合设计保证率 的含义 了 2 4 2 规程 S L 7 6 2 0 0 9 简化方法不准确 的原 因 弄清 了保证率 保证 出力的准确含 义后 再 看 规程 S L 7 6 2 0 0 9 4 0 7 条 年调节水 电 站设 计枯 水年供 水期 乎均 出力可作 为 电站 保证 f 力 规程 S L 7 6 9 4 3 4 3条 长系列法 计算 即根据某一正常蓄水位方案 确定 出水库 极限工作深度 用列表 法求 出各年枯水期平均 出 力 并作 出枯水期平均 出力保证率 曲线 计算相 应保证 出力和枯水期保证 电量 这两个方法都 不准确 的原 因 就是没有在全部系列 的 计算总 时段数 范围内按准确方法计算保证率及相应保 证 出力 所 以说该方法 是简化的或缺乏严密理论 依据 的 2 4 3采用 等出力法计算保证 出力 为获得符合设计保证率的最大的保证出力 改进方法应采用等 出力法调节 电力系统如有要 求也可采用变出力法 即在正常发电期间按相 等 的时段平均 出力发电 在丰水期可加大 发电 在枯水期进入发 电破坏期 不 同发 电时期 的判别 条件主要是面临时段 的水库实 际蓄水位 而不是 人为指定 的丰枯水年份 也不是事先人为选定 的 每年供水 蓄水时期 水库和 电站 的一切运行都 应根据水库实际蓄水量 还可考虑面临时段的来 水量 按 照满 足 电力系统发 电要求而 定 在正 常 蓄水位或汛期 限制水位 以下 不应再对何时蓄 高到什么水位 何时 降低到某一水位做 出限制性 要求 因为这 不是 电力系统对发 电的直接 要求 改进方法应对全 部系列时段进行连续调节试算 求 出准确符合设计保证率 的保证 出力 2 5 采用长系列时历法计算 目前水文计算规范和水利水能计算规范 都 普遍要求采用 资料不少于 3 0年系列 改进 的水 能计算方法应用长系列 时历法 有长系列 资料 的 情况下不必再选择代表年或典型年等 以避免选 典型年 代表年可能引起的误差 2 6 水能计算要与调度图衔接 径 流调 节和水 能计 算仅是 水 电站设 计阶段 的初步计算结果 适用于规划至可研 阶段 初步 设计阶段 具有季 以上调节性 能的水库 还应编 制水库调度 图 并按发 电调度 图进行径流调节和 水 能计算 以更精确计算 电站 的水 能指标 指导 科研管理 水利规划与设计 2 0 1 3 年第 9 期 水库实际运行 提高电力电量效益 所以 径流 调节和水 能计算方法要 从基本 资料 计 算原则 调节方式 方案设置等方面与后续的水库调度设 计有关 内容衔接 以协调径流 调节和水库 调度两 阶段计算 成果 3 改进的等 出力法水能计算步骤 以发 电为主的水库 水能计算 的 目标是合理 调节水库 径流 满足 电力系统正常 发 电要求 提 高保证出力 并符合设计保证率 在此基础上争 取 多发 电量 水能计算改进算法 的思路 内容和 目标 决定 了改进方法的主要计 算步 骤如下 3 1 基本资料准备 径 流调 节和 水 能计算 所 需 的基 本 资料 主要 有 历年逐 时段径流 水库 水位与水库面积 容 积关系曲线 发 电尾水位与流量关系曲线 水库 正常 蓄水位及 库容 汛期 限制 水位 库容及时 间 死水位及 库容 水头损失 水库水量损 失和 生态 环保等用 水要求 装机 容量 发 电设计保证率 机组 出力 限制条件 机组效率 出力 系数等 3 2 水库起调水位 或起调 时段确 定 根据 径 流 资料初 步分 析确 定水 库 的起调 时 段和起调 水位 一般从 系列年第一 时段 死水位 正常 蓄水位 或 中间适当 的水位起调 以后 时段就 可连续计算至 系列末 必要时也可依据初步 调节 过程分析 重新确 定起调水位 3 3 初 估保证 出力 发 电水 库水 能计 算 的最重 要参 数是 保证 出 力 设计阶段 的保证 出力采 用试算方法求 出 在 单个调节时段 内要多次小循环试算 然后以系列 全 部时段为单位再进 行多次大循环试算 如 有一 个适 当的初始估计值 可 以减小试算 的区间范围 初始估计值只影响计算时间 不影响计算结果 3 4 逐 时段出力计算 径流调节计算的基本原理是水库 的水量平 衡 采用计算机模拟水库 电站运行必须 以预 先制 定 的严格 的运行规则为控 制 改进 计算法提供 了 一 种 运行策略 它 以面 临时段水库蓄水状态或再 增加考虑面临时段的入库水量为依据 作出水库 的发电决策 在没有编制水库发电调度图 仅进 行径流调节和水能计算阶段 把水库和 电站运行 划分为三个调节时期 正常发电期 加大发电期 发 电破 坏期 调节原则为 水库水位处于发电死水位和正 常 蓄水位或 汛期限制水位之 间区域 为正常发 电 期 水库按保证 出力发电 当水库水位在死水位 时 可用水 量达 不到保证 出力发 电要求 按实有 水量发 电 电站处于发 电破坏期 如水库运行水 位在 正常蓄水位或汛期 限制水位 可用水量 除可 满足正常的保证出力发电外 还能利用水库蓄满 后 的多余水 量加大发 电 电站在 加大发 电期 发 电破坏期水库 的出库 流量可 以直接计算 发 电出力不需要试算 正 常 发 电期各 时段 电站 的保证 出力应是相等 的 但相 应水位 是变化 的 对应 的发 电流量也是变化 的 所 以发 电出力要通过试算 试算过程 中 一般取 发电流量作为试算因子 通过试算修正发电流量 使 时段 出力等于保证 出力 按 时历 顺序 进 行逐 时段水库 水 量连续 平 衡 计算 由于水库 来水流量过程 发 电泄水流量过 程配合情况 不 同 调节 中水库 的蓄水 供水过程 有不 同组合 可 能有一次连续蓄水过程和一次连 续供 水过程 也可能 出现多次 蓄水 供水变化过 程 实际计算中并不需要对这些复杂多变的水位 过程 予以人 为控制 发 电要求是确定 的 而发 电 的三 个调 节期 的组 合变化 情况 完全是 自然 的 随机的 因此才尽可能接近水库实际运行情况 3 5计算实际发电保证率 按照初估 的保证 出力 或前一轮次计算后修 正 的 对系 列所 有时段按时历顺序 进行逐时段 的水库水量 连续平衡计算 可得 出连续 的发 电出 力过程 其 中包含 了正常发 电的保证 出力 加大 发 电出力 发 电破坏 期 出力 把这些时段 出力从 大到小排 队 按发 电保证率的定义 把 出力大于 等于初定保证 出力的时段数与计算总时段数相 比 求 出初步 的发 电保证率 因初始 计算的保证 力是初估 的 其对应 的保证率 不可能恰好等于设 计保证率 所 以还需要修改保证 出力 重新试算 经过若干轮 次的试 算和 修改 直到实际计算 的保 证率等于设计保证率 3 6 保证 出力的修 正 计算实 际的保证率 如大于设计保证率 说 明 这一轮次采用的保证出力偏小 应把保证出力向 大的方向修改 实际计算的保证率如小于设计保 证率 说明这一轮次采用的保证出力偏大 应把 保证 出力 向小 的方 向修改 用修 改后 的保证 出力 31 科研管理 水利规划与设计 2 0 1 3 年第 9 期 从上述 3 4开始新一轮次计算 3 7 计算全部水能指标 经过若干轮次试算 可以求出准确符合设计 保证率 的保证 出力 然后就可对最后一轮次所有 计算过程进行统计和相关计算 可输 出保证出力 年均发 电量 保证 电量 季节 电量 峰谷 电量 特征水位库容 特征水头 发 电保证 率 水量利 用率 装机发电利用小时等各种水能指标和发电 出力 流量 水头等历 时曲线或频率 曲线等 成果 3 8 计算结 果检查分析 3 8 1正 常发 电区 以正常蓄水位或汛期限制水位为上限 以发 电死水位为下 限 在此 区间内水库各时段都应能 按正常保证出力要求发电 发电没有加大或降低 运 行情况 3 8 2 发 电破坏 区 水库水位在死水位时 水量不够正常发 电保 证 出力需要 发 电产生破 坏 发 电破坏的累计时 间应符合设计保证率之外允许的时间 不应遭到 超 设计保证率 的破坏 但其降低出力受各时段天 然来 水控 制 发 电破坏深度可能较大 3 8 3 加大 出力 区 水库 水位在正 常蓄水位 或汛 期限制水位时 除满足正常的发电保证出力需要外 水库还有部 分水量可加大放水 加大放水后水库水位应保持 在正常蓄水位或汛期限制水位 利用加大放水发 电不应对其它时段正常发电产生影响 但水库集 中加 大放 水可能造成较多发 电弃水 3 9用水库调度图进一步调整优化水能指标 以发 电为主的水库采用全部正常发电期等 出力法调节 从理论上说 还留下发电破坏深度 可能较大 发电弃水可能较多两个小问题 原因 是水库 的发 电破 坏区 加 大出力区仅是一条水位 线 水库可 调度 的范围太 窄 对于调节性 能很小 的水库 这两个 问题没有实 际意义 对于季调节 以上的水库 可以通过水库调度图解决 以发电为主的水库调度图 可以按发电设计 保证率之外的破坏时段降低 限制 出力要求 做出出力限制线 该线与死水位之间的区域就是 出力限制区 也可做出保证出力的防破坏线 防 破坏线与正常蓄水位或汛期限制水位之间的区 域就是加大出力区 按水库调度图运行 电站可 以满足正常保证出力发电 减小发电破坏深度 3 2 减 少发电弃水 并优 化其它 水能指标 本文提出的改进等出力法水能计算方法 从 基本资料 计算原则 调节方式 计算成果等方 面 都能 与长系 列时历 法编 制 的水 库调度 图有关 内容衔接和协调 4 改进 的等 出力水能计算方法的检验 和 使用效果 1 改进方法避免或解 决了现行规程推荐 方法存在 的问题 计算过程和结果体现 了改进方 法的思路 实现了改进方法的目标 改进方法先 后通过 了以下三种方式 的检验 不 同人应用该 方法分别独立编制计算程序 再对同一工程计算 进行相同性检验 同一人分别应用差积曲线等 流量法 改进 的等 出力法 改进 的等流量法等 分别编制不同方法的计算程序 对同一工程进行 差异性检验计算 见实例 用长系列时历法 编制水库调度 图并计算水能指标 与等 出力法的 计算结果进行协调性检验 2 笔者 8 0年代陆续编制 了常用 的常规水 能计算程序和改进方法 的水能计算程序 并经过 有关鉴定 在一定范 围内推广 经过多工程 的设 计应用 发 现差积 曲线 等流量 法的计算理论 和结果都有较多 的不合理 问题 故从 1 9 8 5年起 就不再使用该方法 改进的等出力法和改进的等 流量法经过 了众多 电站的设计 审查和实际运 行 检验 没有发现 明显不合理 问题 3 本文 重点介绍 的是正常发 电时段全 部 等出力法 如采用变出力发电 只要将保证出力 改为分段的变化值 分段连续计算 分段统计变 出力指标 其余方法类似 对以城市供水为主水 库 的水能计算 将试算参数 由保证 出力 改为保证 流量 其余步骤基本相 同 4 从理 论分析 设计实践 工程运用和 同 类 行 业 标 准 水 电 工 程 水 利 计 算 规 范 DL T 5 0 1 5 1 9 9 9 要求等多方面分析 应 以水 能计算的等出力法 或变出力法 代替 小水电 水 能设计规程 S L 7 6 2 0 0 9 推荐 的等流量法 差 积 曲线法和附录 E的变流量法 5 实例 安徽 省金 寨县 门槛石 电站流域 面积4 8 5 k m 多年平均流量 1 3 3 m s 属中型 下转第 4 5 页 科研管理 水利规划与设计 2 0 1 3 年第 9 期 脚基础支撑设计 必须保证施工沉井结构对土体 不破坏 另外下沉稳定性计算很重要 最后如何 确 定取土方案 如何运输土方 如何沉井纠偏 等 等 从多方面强化施工质量 的安全管理意识 形 成材料选用 技术跟进 管理及时的有效建筑模 式 尤其是充分发挥 出设备 在水利工程泵站水 闸 施工中的作用 形成系统化的制度管理和技术管 理等 推进水利工程泵站水 闸工程施工管理 的进 一 步优化 参考文献 1 王春强 试析水利工程泵站水 闸施工中如何提高混凝土 强度 J 科技创新与应用 2 0 1 2 1 7 2 代武冬 苍超 浅析泵站更新改造工程中的安全与质量 管理 J 水利科技与经济 2 0 1 2 0 4 3 李忠胜 张强 王美玲 水利工程施