如何糾正小水電徑流式水電站裝機容量偏大的問題

張偉

（重慶市開州區(qū)水利局，重慶 450400）

徑流式水電站由于投資小、工期短、見效快，加上水能資源用之不竭、廉價、不污染環(huán)境等優(yōu)點，使我國水電事業(yè)得到了穩(wěn)步積極發(fā)展。

目前，“水電扶貧”工程已全面展開，但由于裝機容量偏大，造成資金浪費和設備積壓，扶貧工程效益不能充分發(fā)揮。我國是一個發(fā)展中國家，利用零散的小水電水力資源發(fā)電，在歷史上極大地改變了我國邊遠山區(qū)的落后面貌。小水電靠近用戶，可節(jié)省輸電線投資和線路電能損失，加上水能資源用之不竭、廉價、不污染環(huán)境等優(yōu)點，所以，我國從中央到地方都十分重視小水電資源的開發(fā)。

徑流式水電站，投資小、工期短、見效快，沒有水庫淹沒和移民問題。為加快農(nóng)村脫貧致富步伐，“水電扶貧”工程已全面展開。在小水電站建設中，絕大部分是徑流式水電站。

我國徑流式水電站，普遍存在著裝機容量偏大的問題，造成資金和設備的積壓，這部分投資不能發(fā)揮效益，損失巨大。如我區(qū)已成小水電3.5萬kW，其中徑流式占3.15萬kW，枯水期最大出力僅1.1萬kW，徑流式電站平均裝機容量偏大約1/3。若單位千瓦投資僅按10000元計，則浪費的投資高達1.05億元。推至全國，這是一筆巨大的損失。所以討論如何糾正小水電徑流式電站裝機容量偏大的問題，對指導今后小水電建設具有較大的現(xiàn)實意義。

徑流式水電站裝機容量的大小，取決于形成的水頭和河流的水量以及供電區(qū)的負荷特性，此外，還得受制于水力資源利用與國家扶貧資金使用效果的關系等。但在具體設計過程中，最主要的兩個因素就是枯水期的保證出力的確定和豐水期利用棄水發(fā)電的重復容量的設置。因為保證出力容量和重復容量之和就是其總裝機容量。徑流式水電站所以普遍出現(xiàn)裝機偏大，主要就是這兩個因素出現(xiàn)了問題。

1 關于徑流式水電站的保證出力

徑流式水電站是對河流徑流不做任何調(diào)節(jié)的水電站。它的保證出力就是在某個設計保證率的年數(shù)內(nèi)所能發(fā)出的最小平均出力。

現(xiàn)在，我國小水電站孤立運行的很少，大都與電力系統(tǒng)相連，為了滿足電力系統(tǒng)正常工作的要求，必須給電力系統(tǒng)提供保證率高的不間斷的一定數(shù)量電能。由于徑流電站無調(diào)節(jié)能力，因此，只適于帶電力系統(tǒng)的基荷，帶峰荷是很不經(jīng)濟的，這就要求水電站的設計保證率要更大一點。

我國小水電站的設計流量的保證率的大小，過去一直沿用蘇聯(lián)大中型水電站設計中應用的75%，由這個值確定的保證出力一般偏大，加上，現(xiàn)在10%的生態(tài)流量強制下泄，這就是徑流電站裝機容量偏大的主要原因。目前，我國公認的小水電站設計保證率應取85%是比較科學的，這樣既可糾正裝機偏大的現(xiàn)象，又可更好地滿足帶電力系統(tǒng)基荷的要求。

在什么樣的流量保證率曲線上確定設計保證率下的保證流量，更是至關重要不容忽視的。由于徑流式水電站無調(diào)蓄能力，而且還要帶電力系統(tǒng)的基荷，這就決定了它必須利用各年中最小的日平均流量，在扣除生態(tài)保證流量后去做保證率曲線。絕對不能利用年平均流量或月平均流量、或日平均流量去做保證率曲線，否則，也會造成裝機偏大。

保證率曲線的制作，可以用經(jīng)驗統(tǒng)計法的公示求出數(shù)據(jù)后作圖。有了最小日平均流量保證率曲線后，我們?nèi)≡O計保證率為85%，便可從保證率曲線上求出相應于設計保證率的最小日平均保證流量。再根據(jù)水電站的平均落差，便可利用公示：

N=9.81×η×QH ≈ 8QH

正確地確定出該電站的保證出力了。

2 關于徑流式水電站的重復容量

徑流式水電站的保證出力比河流水能可能的平均出力小得多，因此，在徑流式水電站的裝機容量中，除保證出力容量外，為了合理地利用水力資源，不使豐水期棄水很多，還應再裝一些容量在棄水時發(fā)電，以節(jié)約電力系統(tǒng)中火電站的燃料。因為增設的這些容量在保證電力系統(tǒng)的正常工作是沒有任何意義的，所以我們稱它為重復容量。重復容量不能增加枯水期的保證出力，因此，增加水電站的重復容量并不能減少電力系統(tǒng)中火電站的必須容量。運行成本要求我們對重復容量的設置必須慎重，必須進行經(jīng)濟分析后才能確定合理的重復容量。徑流式水電站普遍裝機容量偏大的原因，主要就是重復容量設置過大。重復容量的另一個作用，就是可以起到電站自身的事故備用和檢修備用的作用。

確定徑流式水電站重復容量合理的經(jīng)濟計算，我們采用與可能替代方案相比較的方法來確定投資的相對效果指標，對重復容量的任一增值進行電力系統(tǒng)中水電站與火電站折算支出相比較確定是否經(jīng)濟合理。比較的前提是要確保對水電站和火電站同樣投資獲得同等國民經(jīng)濟效果，具體說，也就是使電力系統(tǒng)獲得同樣多的電量。

折算支出是用年生產(chǎn)費用加上投資之和來計算的，其中，投資是用標準效益系數(shù)乘以總投資折算成年度計算的折算投資。折算支出按下式計算：

Z=EH×K+u

式中，K和u分別表示為相比較方案的總投資和年生產(chǎn)費用。EH為標準效益系統(tǒng)，通常取0.12。

當水電站的重復容量增加△N重復時，則可多得電量△E，同時，水電站的投資也由于增加動力設備，擴大的廠房、引水工程等而增加投資△K，同時，與建筑物和設備的運行年費用也會增加△u。這樣水電站由于增設重復容量而增加的折算支出為：

△Z水=EH×△K+△u=（EH+α1）△u

式中，α1為從水電站的投資中折算出年費用的換算系數(shù)，一般取3%。

當水電站增設重復容量△N重復多得電力△E時，給電力系統(tǒng)的火電節(jié)約了燃料，但他是不能影響電力系統(tǒng)的必須容量的，也就是說，在進行比較時，不會由于水電站增設了重復容量而火電站也同樣要增加同等的裝機來進行比較，火電站是不需要這部分裝機的。因此，在電力系統(tǒng)火電站方面，由此減少的折算支出只考慮節(jié)約的燃料費，其算式構成如下：

式中，h為火電的電量當量系數(shù)，考慮到火電站比水電站的廠用電率高，取1.03；q為火電站的標準燃料消耗量；b為煤價，采用煤的影子價格，這樣就可以較真實地包括煤礦的單位燃料投資和生產(chǎn)費用。

3 關于機組臺數(shù)和單機容量的確定

水電站機組臺數(shù)的多少，也是直接影響投資和效益問題。由于水輪機在出力較小時效率急劇降低，因此，當機組數(shù)較多時，水輪機運行時的平均效率就高些。因為如果負載下降，同時工作的幾個機組效率就要降低，這時就可以停止一個機組工作，而增大其他機組的出力以及提高效率。但是，機組臺數(shù)較多，造成工程量大、基建投資增加、管理人員增加、運行費用提高。機組臺數(shù)少，則單機容量增大，大機組一般單位千瓦造價低，而且效率也要高一些，同時，機組臺數(shù)減少可以減少廠房的建筑面積。

為了正確解決機組臺數(shù)問題，我們還得了解各種形式水輪機的工作特性，轉漿式最平穩(wěn)，軸流式變化劇烈，混流式居中，因此，如采用效率隨負荷變化劇烈的機型，就應該采用較大的機組數(shù)。

水電站的機組臺數(shù)隨著單機容量的確定也就確定了。確定單機容量的大小，其值應當就是徑流式水電站的保證出力千瓦數(shù)，也就是枯水期的出力千瓦數(shù)。當水電站孤立運行時，水電站的單機容量的確定還得考慮水電站的最低負載和在低載下工作的時間。

經(jīng)驗證明，計算單機額定容量所用的水頭，當接近或等于正常最高水頭時，可以以最小的費用增加機組的額定出力。這樣決定的單機容量要比用平均水頭決定的大些，從而更能體現(xiàn)大機組的優(yōu)點。

我們知道徑流式水電站的總裝機容量是保證出力與重復容量之和。當單機容量決定后，我們就可以酌情定出水電站機組臺數(shù)了。

從電氣主接線角度看，偶數(shù)機組是比較有利的，因為這樣可使主接線的結構達到對稱，給設計和運行帶來方便，電氣接線的投資也可減少。

從目前的小水電實際裝機情況看，徑流式水電站其裝機臺數(shù)，一般可考慮兩臺相同容量的機組。我認為這是比較妥當?shù)?，我們可以根?jù)保證出力，兼顧機組的效率，適當加大單機容量，使裝機容量臺數(shù)盡量達到兩臺相同容量的機組，那是最理想的了。

4 結語

關于選擇小水電徑流式水電站的裝機容量問題，只要我們采用各年中最小日平均流量，在扣除生態(tài)流量后做出的保證率曲線，采用85%的設計保證率，確定出保證出力。再用折線支出的辦法，從比較水電站和火電站的單位千瓦的折算支出中確定最佳重復容量值。在機組臺數(shù)上，盡量靠近兩臺相同容量的機組。小水電徑流式電站普遍裝機偏大的問題就可以得到糾正，資金和設備就不會再出現(xiàn)浪費現(xiàn)象了，而且徑流式水電站的經(jīng)濟效益將會大大提高。