径流式水电站装机容量和机组配置的初探

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，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（20~30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20~30年）
财务内部收益率通过试验算求得，当全部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8~10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8~10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
①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。
②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，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。
③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20—30年的销售收入，
3、发电成本，按不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550~650千瓦比较合理，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800~900千瓦比较合理，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（η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。
①高水头电站：高水头电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。
②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，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1×320+1×500（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1×100+2×400（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
③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。