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摘要：耗水率高低是水电站经济运行的一个重要指标，充分利用水能，尽力降低水耗，节水多发电是水电站增效工作的重点。对调节性较差的水电站，其发电量在一定程度上决定于入库径流及径流过程，而水库入流主要取决于水库集水流域的天然降水特性并受上游水利工程的调节影响，对于径流总量相近的两场洪水，峰型尖瘦的容易造成弃水，峰型矮胖的对发电较为有利，水库的来水及其过程不可控制却可预测，因此如何充分利用水资源，合理控制水库水位，是一项值得探讨的课题。通过对碗米坡电厂2010年1～8月的日耗水率及相关参数进行计算分析，找出它的变化规律及影响其变化的主要因素，从节能降耗的角度寻求水电站经济运行方法，降低耗水率，增加发电量。
关键词：发电水头；耗水率；机组效率；平均负荷
作者简介：李先华（1979-），男，湖南长沙人，湖南五凌电力有限公司碗米坡水电厂，助理工程师；李建民（1981-），男，河南南阳人，湖南五凌电力有限公司碗米坡水电厂，助理工程师。（湖南 吉首 416000）
中图分类号；TK7 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）06-0130-02
一、碗米坡水电站工程简介
碗米坡水电站位于沅水支流酉水中游，距保靖县城上游20km处，工程以发电为主，装机容量为24万kW，年设计发电量7.92亿kWh。坝址控制流域面积为10415km2，多年平均流量299m3/s，多年平均径流量94.3亿m3，正常蓄水位248.0m，死水位238.0m，最小工作水头34.67m，额定工作水头39.0m，最大工作水头44.68m，设计洪水位249.96m，校核洪水位254.1m，总库容3.78亿m3，调节库容1.25亿m3，为不完全季调节水库。
工程枢纽主要由拦河坝、坝后式厂房、溢洪道等建筑物组成。大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高64.5m，坝顶长265m，安装三台单机容量为8万kW的混流式发电机组。
二、碗米坡水电站耗水率分析
耗水率是指单位电量所消耗的水量，以m3／kWh表示。根据耗水率的概念和水电站水能动力特性公式可知耗水率的大小是由净发电水头和机组效率两个直接因素决定，理论上H净.η越大，耗水率越小，其表达式如下：
耗水率＝发电水量／发电量
＝Q.T／（N.T）
＝C／(H净.η)
式中：Q——发电引用流量（m3／s）
H净——净发电水头
N——机组出力（kW）
η——机组效率
T——时段长
C——常数（＝3600／9.81）
H净＝Z上－Z下－H损
水头损失一般根据进水口前拦污栅水头压差进行计算，在枯水期水头压差数据不会有太大变化，由于碗米坡水电站水头压差数据不准，且数据库中无历史数据，难以计算水头损失，沿程水头损失可忽略不计，故仅点绘毛水头与耗水率的关系。
1.发电水头与耗水率的关系
摘录2010年1～8月份每日水务计算的日耗水率及平均发电水头数据，绘出耗水率与水头的关系图（见图1）
从图1中看出耗水率与水头总体呈相反趋势，存在水头越大耗水率越小的关系，与耗水率计算式显示的反比关系是相符的。其中非汛期1～3月，上游库水位保持在240m附近运行，水头维持在36m～40m之间，多日耗水率明显偏高，从资料数据上分析主要是枯水期水库来水非常小，往往日平均入库不足100m3/s，日发电量也不多，且水库水位较低，机组经常处于空载调压或带少量负荷在低效率区运行，故耗水率畸高。如1月21日耗水率高达49.21m3/kWh(日发电量仅为15.15万kWh)。4月进入汛期后，流域来水加大，库水位回升，发电方式增加，耗水率减小。但汛期也有个别点耗水率明显偏高现象（如图1中8月中下旬），主要是由于洪水期入库流量虽大，但出流相应加大，使得下游水位抬高，发电水头降低，耗水率相对升高。从整个曲线图可以看出，耗水率变化最大在非汛期1～3月，虽然水头变化平缓，但耗水率有时却呈与水头变化不相应的波动，汛期少数点据也有异常。下面进一步分析其形成原因。
图1中摘录的日耗水率是根据机组出力、发电水头计算日发电流量折算成发电水量，除以日有功电量计算得出。在枯水期，主要以蓄水调峰运行为主，但因湘西电网位于湖南电网末端，且无功负荷需求较大，碗米坡电站机组经常空载运行参与系统调压，由于机组运行负荷率较低，库水位不能有效升高，导致非汛期机组耗水率偏高。另外非汛期机组带负荷运行时段较少，多数时段则处于停机或旋转备用状态，甚至有连续多天机组处于全停状态（图1中耗水率线断折处为机组全停日）。因此，原计算的日发电水头是包含停机时段毛水头的日平均值，不能反映开机时段的实际平均发电水头。图1中曲线非汛期耗水率的波动较大与上述原因有关。
为了准确分析水头和耗水率的关系，以2010年度来水最丰、发电情况最好、空载调压及带少量负荷在低效率区运行的比例较其他月份要少的5月为代表（日发电量大部分日期在200万kWh以上），点绘5月日耗水率与发电水头、日均负荷的关系图（见图2）。从图2中可看出，耗水率的不正常波动已很少，耗水率与水头的关系呈现明显的相反趋势，耗水率与发电水头的相关性明显较图1的相关性好，在图1中枯水期发电水头相对平稳情况下耗水率却有很多天畸高，说明机组空载调压或带少量负荷在低效率区运行对碗米坡电厂的耗水率计算影响巨大，这说明在碗米坡电厂来水丰富、日发电量超过200万kWh（5月7日～31日）时更能准确地反映发电水头与耗水率的关系。
2.机组效率与耗水率的关系
机组效率η主要取决于机电系统，对水轮机、发电机类型、特性确定的水轮发电机组，其实际运转时的效率与出力大小、发电水头和机组工况均有关。从耗水率的计算公式很显然可以看出机组效率越高，耗水率越小，但因机组效率本身与出力大小和发电水头有关，本文主要分析日耗水率的变化及其影响因素，而机组日出力运行方式（包含出力大小、出力过程变化以及不同机组之间的出力分配情况等）对机组日综合效率和日水库水位消落深度又有着重要影响，因此分析机组效率与耗水率的关系可归结为分析机组日出力运行方式对耗水率的影响，
非汛期碗米坡电厂通常担负系统调峰任务，机组日出力过程峰谷变化大，从图1可以明显看出个别耗水率与水头关系很不相符，例如1月3、9、21日、2月4、7、10、14日，发电水头均在36m以上，正常情况下耗水率应该维持在12.0m3/kWh左右，但实际耗水率均超过了20m3/kWh，主要是由于机组长时间处于空载调压状态。
也有部分日期发电量相同或相近而耗水率相差却很大，主要是时段出力有较大的变化，某些日期部分时段机组带20MW以下负荷在低效率区运行，细查机组出力资料可以发现在耗水率低的日期机组平均出力在高效区，图2中8月20日发电水头较19日还高0.73米，但耗水率却偏高5.38m3/kWh，查资料发现由于19日机组运行期间单机负荷在5万以上，而20日机组运行期间单机负荷在2万以下，机组空载及在低效区运行时间较长，使得耗水率偏高，以上分析说明机组出力均在相应水头的高效率区，机组效率均较高，则耗水率较低，反之耗水率将升高；而机组出力均在相应水头的低效率区，则耗水率升高。
综上所述，由于机组的日出力方式对单日的耗水率的大小影响巨大，尤其是在空载及带少量负荷情况下根本不能客观地反映水头与耗水率的相互关系，其数据离散程度太大，如不剔除此因素，则难以分析水头与耗水率的相关关系，为此考虑以机组满发为前提，不同水头下，每发电100万kWh，水头与耗水率的变化关系如表1所示，由表1中数据可看出当水头提高1米，耗水率可降低2%左右，每发1000万kWh电，可节约耗水250万m3。
以上数据、图表及分析表明，影响碗米坡水电站日耗水率的主要因素有日平均发电水头和机组日运行方式，具体关系为：发电水头越大，耗水率越低，反之耗水率越高；而在一定的发电水头下，机组出力平稳保持在相应水头的高效率区运行，则耗水率低，反之耗水率高。
三、结束语
如何充分利用水力资源，降低水电站发电耗水率，减少损失，使水电站效益最大化，是水电站增收节支的重点研究领域。通过碗米坡水电站一年来的运行情况，发现在机组空载或带少量负荷情况下耗水率极高，浪费了有限的水资源，而同样在机组满发状态下，即便发电水头相差5m以上，耗水率也不过相差1m3/kWh左右。为此应尽量减少机组带少量负荷甚至在空载调压状态下长期运行，保持机组在高效率区运行。汛期合理控制库水位，尽量维持机组带基荷运行；枯水期以抬高发电水头，机组调峰运行。全年应提高机组运行负荷率，减少机组空载及在低效区运行时间，从而达到降低机组耗水率的目的。由于不同水电站的流域特性都不一样，本文仅供参考。
参考文献：
[1]张勇传.水电站经济运行原理[M].北京:中国水利水电出版社,1998.
[2]徐招才,劉申.水电站[M].北京:中国水利水电出版社,1994.
[3]郑文康,刘翰湘.水力学[M].北京:中国水利水电出版社,1991.
[4]周统中,郑晓丹.水电站机电运行[M].郑州:黄河水利出版社,2007.
（责任编辑：刘俊卿）
关键词：发电水头；耗水率；机组效率；平均负荷
作者简介：李先华（1979-），男，湖南长沙人，湖南五凌电力有限公司碗米坡水电厂，助理工程师；李建民（1981-），男，河南南阳人，湖南五凌电力有限公司碗米坡水电厂，助理工程师。（湖南 吉首 416000）
中图分类号；TK7 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）06-0130-02
一、碗米坡水电站工程简介
碗米坡水电站位于沅水支流酉水中游，距保靖县城上游20km处，工程以发电为主，装机容量为24万kW，年设计发电量7.92亿kWh。坝址控制流域面积为10415km2，多年平均流量299m3/s，多年平均径流量94.3亿m3，正常蓄水位248.0m，死水位238.0m，最小工作水头34.67m，额定工作水头39.0m，最大工作水头44.68m，设计洪水位249.96m，校核洪水位254.1m，总库容3.78亿m3，调节库容1.25亿m3，为不完全季调节水库。
工程枢纽主要由拦河坝、坝后式厂房、溢洪道等建筑物组成。大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高64.5m，坝顶长265m，安装三台单机容量为8万kW的混流式发电机组。
二、碗米坡水电站耗水率分析
耗水率是指单位电量所消耗的水量，以m3／kWh表示。根据耗水率的概念和水电站水能动力特性公式可知耗水率的大小是由净发电水头和机组效率两个直接因素决定，理论上H净.η越大，耗水率越小，其表达式如下：
耗水率＝发电水量／发电量
＝Q.T／（N.T）
＝C／(H净.η)
式中：Q——发电引用流量（m3／s）
H净——净发电水头
N——机组出力（kW）
η——机组效率
T——时段长
C——常数（＝3600／9.81）
H净＝Z上－Z下－H损
水头损失一般根据进水口前拦污栅水头压差进行计算，在枯水期水头压差数据不会有太大变化，由于碗米坡水电站水头压差数据不准，且数据库中无历史数据，难以计算水头损失，沿程水头损失可忽略不计，故仅点绘毛水头与耗水率的关系。
1.发电水头与耗水率的关系
摘录2010年1～8月份每日水务计算的日耗水率及平均发电水头数据，绘出耗水率与水头的关系图（见图1）
从图1中看出耗水率与水头总体呈相反趋势，存在水头越大耗水率越小的关系，与耗水率计算式显示的反比关系是相符的。其中非汛期1～3月，上游库水位保持在240m附近运行，水头维持在36m～40m之间，多日耗水率明显偏高，从资料数据上分析主要是枯水期水库来水非常小，往往日平均入库不足100m3/s，日发电量也不多，且水库水位较低，机组经常处于空载调压或带少量负荷在低效率区运行，故耗水率畸高。如1月21日耗水率高达49.21m3/kWh(日发电量仅为15.15万kWh)。4月进入汛期后，流域来水加大，库水位回升，发电方式增加，耗水率减小。但汛期也有个别点耗水率明显偏高现象（如图1中8月中下旬），主要是由于洪水期入库流量虽大，但出流相应加大，使得下游水位抬高，发电水头降低，耗水率相对升高。从整个曲线图可以看出，耗水率变化最大在非汛期1～3月，虽然水头变化平缓，但耗水率有时却呈与水头变化不相应的波动，汛期少数点据也有异常。下面进一步分析其形成原因。
图1中摘录的日耗水率是根据机组出力、发电水头计算日发电流量折算成发电水量，除以日有功电量计算得出。在枯水期，主要以蓄水调峰运行为主，但因湘西电网位于湖南电网末端，且无功负荷需求较大，碗米坡电站机组经常空载运行参与系统调压，由于机组运行负荷率较低，库水位不能有效升高，导致非汛期机组耗水率偏高。另外非汛期机组带负荷运行时段较少，多数时段则处于停机或旋转备用状态，甚至有连续多天机组处于全停状态（图1中耗水率线断折处为机组全停日）。因此，原计算的日发电水头是包含停机时段毛水头的日平均值，不能反映开机时段的实际平均发电水头。图1中曲线非汛期耗水率的波动较大与上述原因有关。
为了准确分析水头和耗水率的关系，以2010年度来水最丰、发电情况最好、空载调压及带少量负荷在低效率区运行的比例较其他月份要少的5月为代表（日发电量大部分日期在200万kWh以上），点绘5月日耗水率与发电水头、日均负荷的关系图（见图2）。从图2中可看出，耗水率的不正常波动已很少，耗水率与水头的关系呈现明显的相反趋势，耗水率与发电水头的相关性明显较图1的相关性好，在图1中枯水期发电水头相对平稳情况下耗水率却有很多天畸高，说明机组空载调压或带少量负荷在低效率区运行对碗米坡电厂的耗水率计算影响巨大，这说明在碗米坡电厂来水丰富、日发电量超过200万kWh（5月7日～31日）时更能准确地反映发电水头与耗水率的关系。
2.机组效率与耗水率的关系
机组效率η主要取决于机电系统，对水轮机、发电机类型、特性确定的水轮发电机组，其实际运转时的效率与出力大小、发电水头和机组工况均有关。从耗水率的计算公式很显然可以看出机组效率越高，耗水率越小，但因机组效率本身与出力大小和发电水头有关，本文主要分析日耗水率的变化及其影响因素，而机组日出力运行方式（包含出力大小、出力过程变化以及不同机组之间的出力分配情况等）对机组日综合效率和日水库水位消落深度又有着重要影响，因此分析机组效率与耗水率的关系可归结为分析机组日出力运行方式对耗水率的影响，
非汛期碗米坡电厂通常担负系统调峰任务，机组日出力过程峰谷变化大，从图1可以明显看出个别耗水率与水头关系很不相符，例如1月3、9、21日、2月4、7、10、14日，发电水头均在36m以上，正常情况下耗水率应该维持在12.0m3/kWh左右，但实际耗水率均超过了20m3/kWh，主要是由于机组长时间处于空载调压状态。
也有部分日期发电量相同或相近而耗水率相差却很大，主要是时段出力有较大的变化，某些日期部分时段机组带20MW以下负荷在低效率区运行，细查机组出力资料可以发现在耗水率低的日期机组平均出力在高效区，图2中8月20日发电水头较19日还高0.73米，但耗水率却偏高5.38m3/kWh，查资料发现由于19日机组运行期间单机负荷在5万以上，而20日机组运行期间单机负荷在2万以下，机组空载及在低效区运行时间较长，使得耗水率偏高，以上分析说明机组出力均在相应水头的高效率区，机组效率均较高，则耗水率较低，反之耗水率将升高；而机组出力均在相应水头的低效率区，则耗水率升高。
综上所述，由于机组的日出力方式对单日的耗水率的大小影响巨大，尤其是在空载及带少量负荷情况下根本不能客观地反映水头与耗水率的相互关系，其数据离散程度太大，如不剔除此因素，则难以分析水头与耗水率的相关关系，为此考虑以机组满发为前提，不同水头下，每发电100万kWh，水头与耗水率的变化关系如表1所示，由表1中数据可看出当水头提高1米，耗水率可降低2%左右，每发1000万kWh电，可节约耗水250万m3。
以上数据、图表及分析表明，影响碗米坡水电站日耗水率的主要因素有日平均发电水头和机组日运行方式，具体关系为：发电水头越大，耗水率越低，反之耗水率越高；而在一定的发电水头下，机组出力平稳保持在相应水头的高效率区运行，则耗水率低，反之耗水率高。
三、结束语
如何充分利用水力资源，降低水电站发电耗水率，减少损失，使水电站效益最大化，是水电站增收节支的重点研究领域。通过碗米坡水电站一年来的运行情况，发现在机组空载或带少量负荷情况下耗水率极高，浪费了有限的水资源，而同样在机组满发状态下，即便发电水头相差5m以上，耗水率也不过相差1m3/kWh左右。为此应尽量减少机组带少量负荷甚至在空载调压状态下长期运行，保持机组在高效率区运行。汛期合理控制库水位，尽量维持机组带基荷运行；枯水期以抬高发电水头，机组调峰运行。全年应提高机组运行负荷率，减少机组空载及在低效区运行时间，从而达到降低机组耗水率的目的。由于不同水电站的流域特性都不一样，本文仅供参考。
参考文献：
[1]张勇传.水电站经济运行原理[M].北京:中国水利水电出版社,1998.
[2]徐招才,劉申.水电站[M].北京:中国水利水电出版社,1994.
[3]郑文康,刘翰湘.水力学[M].北京:中国水利水电出版社,1991.
[4]周统中,郑晓丹.水电站机电运行[M].郑州:黄河水利出版社,2007.
（责任编辑：刘俊卿）