径流式水电站装机容量和机组配置的初探

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1、径流式水电站装机容量和机组配置的初探 - 工程设计 径流式水电站装机容量和机组配置的初探装机容量是水电站的一项重要功能经济指标。装机容量的确定， 涉及到许多自然条件和技术条件，如河流的水力资源、站址的地质 和地形条件、设计保证率，水库调节性能和综合利用特性，用电情 况和电力系统对水电站的要求等。但更为重要的应该是经济条件， 必须用经济效益来决定小水电是否值得开发及装机应该多大。从国外许多资料可知，小水电的开发都很重视小水电的经济论证 工作。在可行性研究阶段，经济分析和财务分析占据着重要的地位。 主要反映该工程是否可开发和开发后的经济价值。目前国内对小水 电的经济评价主要有两种，一种是国民经济评

2、价和财务评价，其目 的为根据国民经济发展的要求，在予以预测市场需求及建设地点选 择，工程技术方案研究的基础上，对拟建项目预测的工程造价和产 生的效益，分析项目的财务可行性和经济的合理性做出全面的经济 评价，为论证建设项目的必要性和可能性，经比选后推荐最佳方案 提供重要依据。水电站装机容量，是标志水电站规模和生产能力的一项重要指标， 既关系到资金、人力、物力以及水能资源的合理利用，也涉及近期 和远景开发相结合的问题。原有常用的选择方法有保证出力倍比法、 年利用小时数法，规定单位千瓦投资法等，这些方法是在我国 60 或 70 年代的装机容量法，其最大的特点是考虑电网负荷需求，在电 网中所占的比重，

3、特别是乡村电站仅考虑乡村负荷需求，设计保证率都在 80%以上，装机容量显然考虑了一些经济因素，但都十分粗 略。目前国内改革开放的大力发展，国内的电力负荷猛增，水电远 远不能满足用电需求，同时所有水电都并入大电网发电，小水电有 多少电能电网接纳多少，并且不分时段和丰枯季节，给水电提供了 新的供电环境，以为水电装机提出新的课题。如用原有装机方法， 特点是水电站一些系数的变化范围很大，甚至相差好几倍，难以精 确掌握。装机容量过大会造成资金浪费，过小则水能资源得不到充 分的利用。又因投资主体变化，多数水电站为个体投资，装机容量 由老板讲了算。如果要达到投资不浪费和水能资源又能充分利用， 没有一个硬性的

4、指标进行考核。工程设计人员选择装机容量很难让 投资者接受。因选择一个合理的装机容量，一直是困扰水电站设计 工程人员的难题，并且要达到投资不浪费、水能资源又能充分利用 的合理装机，更是难上之难。笔者认为：小水电在规划设计装机时，采用电站经济评价中的财 务内部收益率法来确定装机容量，就可得出水电站建设 “资金不浪 费和水能资源充分利用的”合理装机容量的硬性指标。财务内部收益率法确定装机容量法：任何电站设计过程中，都要作经济评价，就是考核该项目能否建 设，经济上是否可行。工程效益好坏，是投资者最关心的问题，而 考核工程效益好坏是用财务内部收益率这一硬性指标进行考核。 财 务内部收益率大，工程投资回报

5、率高，财务内部收益率小，工程投 资回报率低。而水电站投资财务内部收益率是一个动态指标，它包括水电站的年发电量（年收入） 、工程总投资、年运行成本、税收、 银行利息等水电站所有参数。在电站的运行期（2030 年）内，各 年的净现金流量现值累计等于零时的折现率。它反映了项目所占用 资金的盈利率。其表达形式为：式中 CI-现金流入量（销售收入、回收固定资金产余值、回 收流动资金）CO-现金流出量（包括固定资金产投资流动资金经营成本 发电环节税收等）-第 tr 年的净现金流量n-计算期（包括建设期和生产期的，建设期为设计的施 工总工期，生产期一般采用 2030 年）财务内部收益率通过试验算求得，当全部

6、投资或自有资金的财务 收益率（FIRR）大于或等于财务基准率（IC）时，则认为项目的盈 利能力已满足最低要求，财务上是可行的，财务基准率由国家有单 位确定，电力行业财务基准效益为 12%，小水电项目为 10% 。 （目 前小水电站都不能达到 10%，因小水电站的投资增加，而上网电价 太低） 。财务内部收益率在项目可研价段中，起着举足轻重的作用， 财务内部收益率（FIRR）大于或等于财务基准率（IC）时项目可继 进行，进入扩初价段，而（FIRR）（IC）时，项目就此结束，没 有上的必要。根据上述论证的观念，财务内部收益率是由水电站的固定资产投 资，计算年发电量上网收入，年发电成本，相关的税收等现

7、金流入和流出得出的百分率。水电站装机容量的大小直接影响现金收入， 如电站装机小，年发电量以小，而电站的土建、机电工程一样不可 少，相应投资少不了多少，财务内部收益率则小，如电站装机过大， 相应投资大，而电站年发电量是由水能资源所控制，相应的年发电 量增加不大，财务内部收益率则小，只有在合理装机，合理的投资 条件下，达到合理的发电量，财务内部收益率为最大，通过装机容 量的比选择，得出我们理想的电站最佳装机容量。计算方法：当水电站开发方案确定后，第一步由小到大拟定 810 个装机容量，按相应的装机容量确定水 工建筑物和机电设备，按水工建筑物和机电设备的工程量计算出相 应的工程投资。第二步用不同装机

8、容量计算相应的年发电量和售电收入。第三步由不同的装机容量计算出不同的运行成本及税收。第四步将工程投资，发电收入，运行成本三大要素计算出相应的 财务内部收益率（FIRR） ，拟定的 810 个不同装机容量相对应有不 同的财务内部收益率的坐标点，将坐标点用曲线连结，得到单峰曲 线，曲线的峰值所对应的装机容量就是我们理想的最佳装机容量 （见图一，某电站为例） 。方可达到资金不浪费和水能资源充分利用 的目的。图一计算中涉及到的方面：1、工程投资拦河坝，取水拦河坝是根据地理条件进行设计，装机容量变化 只是取水口大小的变化，投资基本上是一个定值。引水系统是根据引用流量进行设计，装机容量变化建筑物变化 较大

9、，如有隧洞工程，因隧洞有最小断面要求，所以计算出的 （FIRR）值变化也大。机电设备，因未确定机组型号，很难得出较准确的机组投资， 为便于计算，可以先按单位千瓦投资计算，但一种水轮机机型只有 一个投资额， ，如定性一种机型，由流量和水头的不同，机组出力相 差 5-6 倍，所以机组越大，单位千瓦投资越小，相应的工程越少， 为克服这一现象，可在装机和（FIRR）曲线增加趋势线，最后由趋 势线峰值确定装机容量（图二） 。2、发电量，根据不同装机条件下，以丰、平、枯年份按日流量计 算出出力和发电量，以三种不同年份的电量平均值算出多年平均发 电量。以现行价得到 2030 年的销售收入，3、发电成本，按不

10、同装机容量确定运行人员，投资拆旧，维修费 和其他支出 。 图二三、工程实例：1、某高水头电站，某电站水头集雨面积 16.5 平方公里，渠长 600 米，管长 200 米，毛水头 145 米，计算中笔者先选择 8 个不同的装 机容量，按装机容量设计出电站水工建设物和机电设备，计算出 8 个不同年发电量和工程投资及年运行成本。得出 8 个装机容量相对 应的装机财务内部收益率表（见表一） ，其后按按表一作出对应装机 内部效益曲线（图三） 。由于计算中假设装机容量的缺陷，同时计算 过程中机电设备也单位千瓦计算投资，与实际投资额相差较大，不 能有效的反映内部收益率数据，因此在装机内部收益率曲线上增加 多

11、项式趋势线，使曲线更好的反映最大值，更有效的选择装机。表一图三根据上图可知该高水头电站装机容量 550650 千瓦比较合理，这 样既能充分的利用水资源，又能达财务内部收益率的最高值。2、中水头电站，某电站水头集雨面积 102.5 平方公里，渠长 1230 米，隧洞长 740 米，管长 95 米，毛水头 49.53 米，经计算得出下列 曲线（图四） 。 表二图四根据上图可知该高水头电站装机容量 800900 千瓦比较合理，这 样既能充分的利用水资源，又能达财务内部收益率的最高值。三、单机容量确定法，笔者经从事多年水电站设计和运行管理工 作，同时与运行管理的人员多次讨论，认为水电站单机容量的选择

12、应根据机组最大工作效益进行选择，方可达到最大限度的利用水资 源。水电站设计中确定机组出力公式：为 根据上述水头（H）是固定，流量（Q）是变化的，而效益（ 机） 是水轮机由水能转换为机械能的效益，根据水轮机特性曲线图（图 五） 。图五根据图五可知：冲击式水轮机高效区宽，机组出力在 20%100% 之间，水轮机效益在 80%以上。混流式较窄，机组出力在 50% 100%之间，水轮机效益在 80%以上。轴流式机组更窄，机组出力在 70%100%之间，水轮机效益才至 80%以上。因此，在选择单机水 轮机时，按水轮机效益配置机组较为合理，除充分利用水能资金源， 又可使水轮机效益提高。高水头电站：高水头电

13、站为水头高流量小的电站。由省水利厅 戴群丽高工推荐：因水机出力大小不影响水机效益，可配置较大容 量机组，电站容量在 800KW 以下的电站，建议只配置机组一台 （冲击式或斜击式） ，这样既可减少电站厂房面积建设，机电设备的 投资，工程总造价，又不影响机组出力的效益。以 以上高水头电站 为例：电站建议装机 630KW，配置机组一台。 选择用一台机组。中水头电站：中水头电站一般配置的是混流式机组，根据特性 曲线混流式机组只有出力达到 40%以上，机组效益才能达到 80% 以 上，因此出力低于 40%时，机组效益极聚下降。根据气象资料可知， 每年分丰水期，平水期，枯水期，而枯水期占全年 40%的时间

14、，建 议配置单机容量大小不等混流式机组和斜击加混流式水轮机，使电 站出力均在高效区运行。另对单机容量相等的电站，可增设一台容 量较小混流式机组或斜击式机组，在枯水期电站发电量至少提高 20%。以以上中水头电站为例，根据最大效益法装机，电站可装机 1320+1500（KW ） ，总装机 820（KW） ，通过绘置电站的出力过 程线和两台机组的效益曲线，既可知道电站运行过程中，不管是机 组出力大小，机组均在高效区运行（见图六） 。 如果电站装机 3 台分别为 1100+2400（KW ） ，则电站总装机 900（KW ） ，通过绘置电站的出力过程线和三台机组的效益曲线， 既可知道电站运行过程中，不管是机组出力大小，机组同样在高效 区运行。图六低水头电站，低水头电站一般配置的是轴流式机组，根据特性 曲线轴流式机组只有出力达到 60%以上，机组效益才能达到 70% 以 上，因此出力低于 60%时，机组效益极聚下降。因此低水头电站最 好配置两台或三台大小不等的装机容量，才可达到电站长期处于高 效区运行。