徑流式水電站裝機容量和機組配置的初探

裝機容量是水電站的一項重要功能經(jīng)濟指標。裝機容量的確定，涉及到許多自然條件和技術(shù)條件，如河流的水力資源、站址的地質(zhì)和地形條件、設計保證率，水庫調(diào)節(jié)性能和綜合利用特性，用電情況和電力系統(tǒng)對水電站的要求等。但更為重要的應該是經(jīng)濟條件，必須用經(jīng)濟效益來決定小水電是否值得開發(fā)及裝機應該多大。
從國外許多資料可知，小水電的開發(fā)都很重視小水電的經(jīng)濟論證工作。在可行性研究階段，經(jīng)濟分析和財務分析占據(jù)著重要的地位。主要反映該工程是否可開發(fā)和開發(fā)后的經(jīng)濟價值。目前國內(nèi)對小水電的經(jīng)濟評價主要有兩種，一種是國民經(jīng)濟評價和財務評價，其目的為根據(jù)國民經(jīng)濟發(fā)展的要求，在予以預測市場需求及建設地點選擇，工程技術(shù)方案研究的基礎上，對擬建項目預測的工程造價和產(chǎn)生的效益，分析項目的財務可行性和經(jīng)濟的合理性做出全面的經(jīng)濟評價，為論證建設項目的必要性和可能性，經(jīng)比選后推薦最佳方案提供重要依據(jù)。
水電站裝機容量，是標志水電站規(guī)模和生產(chǎn)能力的一項重要指標，既關(guān)系到資金、人力、物力以及水能資源的合理利用，也涉及近期和遠景開發(fā)相結(jié)合的問題。原有常用的選擇方法有保證出力倍比法、年利用小時數(shù)法，規(guī)定單位千瓦投資法等，這些方法是在我國60或70年代的裝機容量法，其最大的特點是考慮電網(wǎng)負荷需求，在電網(wǎng)中所占的比重，特別是鄉(xiāng)村電站僅考慮鄉(xiāng)村負荷需求，設計保證率都在80%以上，裝機容量顯然考慮了一些經(jīng)濟因素，但都十分粗略。目前國內(nèi)改革開放的大力發(fā)展，國內(nèi)的電力負荷猛增，水電遠遠不能滿足用電需求，同時所有水電都并入大電網(wǎng)發(fā)電，小水電有多少電能電網(wǎng)接納多少，并且不分時段和豐枯季節(jié)，給水電提供了新的供電環(huán)境，以為水電裝機提出新的課題。如用原有裝機方法，特點是水電站一些系數(shù)的變化范圍很大，甚至相差好幾倍，難以精確掌握。裝機容量過大會造成資金浪費，過小則水能資源得不到充分的利用。又因投資主體變化，多數(shù)水電站為個體投資，裝機容量由老板講了算。如果要達到投資不浪費和水能資源又能充分利用，沒有一個硬性的指標進行考核。工程設計人員選擇裝機容量很難讓投資者接受。因選擇一個合理的裝機容量，一直是困擾水電站設計工程人員的難題，并且要達到投資不浪費、水能資源又能充分利用的合理裝機，更是難上之難。
筆者認為：小水電在規(guī)劃設計裝機時，采用電站經(jīng)濟評價中的財務內(nèi)部收益率法來確定裝機容量，就可得出水電站建設 “資金不浪費和水能資源充分利用的”合理裝機容量的硬性指標。

財務內(nèi)部收益率法確定裝機容量法：

任何電站設計過程中，都要作經(jīng)濟評價，就是考核該項目能否建設，經(jīng)濟上是否可行。工程效益好壞，是投資者最關(guān)心的問題，而考核工程效益好壞是用財務內(nèi)部收益率這一硬性指標進行考核。 財務內(nèi)部收益率大，工程投資回報率高，財務內(nèi)部收益率小，工程投資回報率低。而水電站投資財務內(nèi)部收益率是一個動態(tài)指標，它包括水電站的年發(fā)電量（年收入）、工程總投資、年運行成本、稅收、銀行利息等水電站所有參數(shù)。在電站的運行期（20~30年）內(nèi)，各年的凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值累計等于零時的折現(xiàn)率。它反映了項目所占用資金的盈利率。其表達形式為：

式中CI---------現(xiàn)金流入量（銷售收入、回收固定資金產(chǎn)余值、回收流動資金）
CO----------現(xiàn)金流出量（包括固定資金產(chǎn)投資流動資金經(jīng)營成本發(fā)電環(huán)節(jié)稅收等）
---------第tr年的凈現(xiàn)金流量
n-------------計算期（包括建設期和生產(chǎn)期的，建設期為設計的施工總工期，生產(chǎn)期一般采用20~30年）
財務內(nèi)部收益率通過試驗算求得，當全部投資或自有資金的財務收益率（FIRR）大于或等于財務基準率（IC）時，則認為項目的盈利能力已滿足最低要求，財務上是可行的，財務基準率由國家有單位確定，電力行業(yè)財務基準效益為12%，小水電項目為10%。（目前小水電站都不能達到10%，因小水電站的投資增加，而上網(wǎng)電價太低）。財務內(nèi)部收益率在項目可研價段中，起著舉足輕重的作用，財務內(nèi)部收益率（FIRR）大于或等于財務基準率（IC）時項目可繼進行，進入擴初價段，而（FIRR）＜（IC）時，項目就此結(jié)束，沒有上的必要。
根據(jù)上述論證的觀念，財務內(nèi)部收益率是由水電站的固定資產(chǎn)投資，計算年發(fā)電量上網(wǎng)收入，年發(fā)電成本，相關(guān)的稅收等現(xiàn)金流入和流出得出的百分率。水電站裝機容量的大小直接影響現(xiàn)金收入，如電站裝機小，年發(fā)電量以小，而電站的土建、機電工程一樣不可少，相應投資少不了多少，財務內(nèi)部收益率則小，如電站裝機過大，相應投資大，而電站年發(fā)電量是由水能資源所控制，相應的年發(fā)電量增加不大，財務內(nèi)部收益率則小，只有在合理裝機，合理的投資條件下，達到合理的發(fā)電量，財務內(nèi)部收益率為最大，通過裝機容量的比選擇，得出我們理想的電站最佳裝機容量。
計算方法：當水電站開發(fā)方案確定后，
第一步由小到大擬定8~10個裝機容量，按相應的裝機容量確定水工建筑物和機電設備，按水工建筑物和機電設備的工程量計算出相應的工程投資。
第二步用不同裝機容量計算相應的年發(fā)電量和售電收入。
第三步由不同的裝機容量計算出不同的運行成本及稅收。
第四步將工程投資，發(fā)電收入，運行成本三大要素計算出相應的財務內(nèi)部收益率（FIRR），擬定的8~10個不同裝機容量相對應有不同的財務內(nèi)部收益率的坐標點，將坐標點用曲線連結(jié)，得到單峰曲線，曲線的峰值所對應的裝機容量就是我們理想的最佳裝機容量（見圖一，某電站為例）。方可達到資金不浪費和水能資源充分利用的目的。

圖一
計算中涉及到的方面：
1、工程投資
①攔河壩，取水攔河壩是根據(jù)地理條件進行設計，裝機容量變化只是取水口大小的變化，投資基本上是一個定值。
②引水系統(tǒng)是根據(jù)引用流量進行設計，裝機容量變化建筑物變化較大，如有隧洞工程，因隧洞有最小斷面要求，所以計算出的（FIRR）值變化也大。
③機電設備，因未確定機組型號，很難得出較準確的機組投資，為便于計算，可以先按單位千瓦投資計算，但一種水輪機機型只有一個投資額，，如定性一種機型，由流量和水頭的不同，機組出力相差5-6倍，所以機組越大，單位千瓦投資越小，相應的工程越少，為克服這一現(xiàn)象，可在裝機和（FIRR）曲線增加趨勢線，最后由趨勢線峰值確定裝機容量（圖二）。
2、發(fā)電量，根據(jù)不同裝機條件下，以豐、平、枯年份按日流量計算出出力和發(fā)電量，以三種不同年份的電量平均值算出多年平均發(fā)電量。以現(xiàn)行價得到20—30年的銷售收入，
3、發(fā)電成本，按不同裝機容量確定運行人員，投資拆舊，維修費和其他支出 。

圖二

三、工程實例：
1、某高水頭電站，某電站水頭集雨面積16.5平方公里，渠長600米，管長200米，毛水頭145米，計算中筆者先選擇8個不同的裝機容量，按裝機容量設計出電站水工建設物和機電設備，計算出8個不同年發(fā)電量和工程投資及年運行成本。得出8個裝機容量相對應的裝機財務內(nèi)部收益率表（見表一），其后按按表一作出對應裝機內(nèi)部效益曲線（圖三）。由于計算中假設裝機容量的缺陷，同時計算過程中機電設備也單位千瓦計算投資，與實際投資額相差較大，不能有效的反映內(nèi)部收益率數(shù)據(jù)，因此在裝機內(nèi)部收益率曲線上增加多項式趨勢線，使曲線更好的反映最大值，更有效的選擇裝機。

表一

圖三
根據(jù)上圖可知該高水頭電站裝機容量550~650千瓦比較合理，這樣既能充分的利用水資源，又能達財務內(nèi)部收益率的最高值。

2、中水頭電站，某電站水頭集雨面積102.5平方公里，渠長1230米，隧洞長740米，管長95米，毛水頭49.53米，經(jīng)計算得出下列曲線（圖四）。

表二

圖四
根據(jù)上圖可知該高水頭電站裝機容量800~900千瓦比較合理，這樣既能充分的利用水資源，又能達財務內(nèi)部收益率的最高值。

三、單機容量確定法，筆者經(jīng)從事多年水電站設計和運行管理工作，同時與運行管理的人員多次討論，認為水電站單機容量的選擇應根據(jù)機組最大工作效益進行選擇，方可達到最大限度的利用水資源。
水電站設計中確定機組出力公式：為

根據(jù)上述水頭（H）是固定，流量（Q）是變化的，而效益（η機）是水輪機由水能轉(zhuǎn)換為機械能的效益，根據(jù)水輪機特性曲線圖（圖五）。

圖五
根據(jù)圖五可知：沖擊式水輪機高效區(qū)寬，機組出力在20%—100%之間，水輪機效益在80%以上�；炝魇捷^窄，機組出力在50%—100%之間，水輪機效益在80%以上。軸流式機組更窄，機組出力在70%—100%之間，水輪機效益才至80%以上。因此，在選擇單機水輪機時，按水輪機效益配置機組較為合理，除充分利用水能資金源，又可使水輪機效益提高。
①高水頭電站：高水頭電站為水頭高流量小的電站。由省水利廳戴群麗高工推薦：因水機出力大小不影響水機效益，可配置較大容量機組，電站容量在800KW以下的電站，建議只配置機組一臺（沖擊式或斜擊式），這樣既可減少電站廠房面積建設，機電設備的投資，工程總造價，又不影響機組出力的效益。以 以上高水頭電站為例：電站建議裝機630KW，配置機組一臺。
選擇用一臺機組。
②中水頭電站：中水頭電站一般配置的是混流式機組，根據(jù)特性曲線混流式機組只有出力達到40%以上，機組效益才能達到80%以上，因此出力低于40%時，機組效益極聚下降。根據(jù)氣象資料可知，每年分豐水期，平水期，枯水期，而枯水期占全年40%的時間，建議配置單機容量大小不等混流式機組和斜擊加混流式水輪機，使電站出力均在高效區(qū)運行。另對單機容量相等的電站，可增設一臺容量較小混流式機組或斜擊式機組，在枯水期電站發(fā)電量至少提高20%。
以以上中水頭電站為例，根據(jù)最大效益法裝機，電站可裝機1×320+1×500（KW），總裝機820（KW），通過繪置電站的出力過程線和兩臺機組的效益曲線，既可知道電站運行過程中，不管是機組出力大小，機組均在高效區(qū)運行（見圖六）。
如果電站裝機3臺分別為1×100+2×400（KW），則電站總裝機900（KW），通過繪置電站的出力過程線和三臺機組的效益曲線，既可知道電站運行過程中，不管是機組出力大小，機組同樣在高效區(qū)運行。

圖六
③低水頭電站，低水頭電站一般配置的是軸流式機組，根據(jù)特性曲線軸流式機組只有出力達到60%以上，機組效益才能達到70%以上，因此出力低于60%時，機組效益極聚下降。因此低水頭電站最好配置兩臺或三臺大小不等的裝機容量，才可達到電站長期處于高效區(qū)運行。