水電站生態機組裝機容量確定方法研究

范 仕 虎，楊 曼，王 朋

(1.河南省水利第二工程局，河南 鄭州 450016； 2.鄭州大學 水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001； 3.河南鄭大水利科技有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引 言

由于歷史原因，中國大部分小水電在建設規劃時未充分考慮對河流生態的影響，導致其機組與河流生態流量匹配性差，尤其是河床式或壩后式水電站，在機組正常運行發電時，發電用水基本可以滿足下游生態流量要求，而在來流較小時段，機組不開機運行，下游河流則處于脫流狀態，無法滿足生態要求[1-2]。隨著綠色小水電的持續推進，國家和地方前后出臺多項政策，明確要求強化小水電生態流量的泄放、監督和管理，以保障河流的生態功能要求[3-4]。對于小水電而言，裝設生態機組實現生態流量的持續下泄，是常見的綠色電站改造方案。

對于改造的河流生態電站，合理確定其裝機容量是關鍵。朱蒙恩[5]提出將生態流量作為生態機組的額定流量確定裝機容量；吳文濤等[6]提出將生態流量作為生態機組最大發電水頭對應的流量，以此確定裝機容量；彭小東等[7]提出將生態流量作為生態機組任一運行工況下均能達到的流量，并結合水頭變化確定裝機方案。上述生態電站裝機方案通過生態流量確定生態電站裝機容量，在進行裝機容量確定時，未充分考慮不同裝機方案在發電效益、機組利用效率、棄水、投資等方面的優劣，裝機容量的確定未充分反映生態電站的不同目標的需求，存在一定的局限性，無法有效指導生態電站裝機的確定。

層次分析法是一種層次權重決策分析方法，能夠通過對多指標決定的問題進行分析，以優先等級的形式對備選決策進行排序，適用于解決難以定量分析、多目標、多準則等復雜決策問題。基于此，本文引入層次分析的方法，通過生態流量初選裝機方案，選擇發電效益、機組利用效率、棄水和投資4部分作為目標層，構建生態電站裝機方案的層次分析模型，通過模型求解，實現生態電站裝機方案的最優確定。

1 河流生態流量計算方法

隨著河流生態保護理論的發展，河流生態流量的計算方法也日益豐富。目前，生態流量的計算方法大致可以分為：水力學法、歷史流量法、棲息地定額法、整體分析法[8-10]；為了從不同角度反映河流對生態流量的需求，本文選擇不同規則下的生態流量計算方法，通過對不同計算方法進行篩選對比，最終確定合理的河流生態流量值。本文在計算河流生態流量時，采用年內展布計算法、Tennant法以及7Q10法進行分析計算：

(1) 年內展布計算法。該算法基于歷史徑流資料，以年最小徑流總量與多年平均徑流總量二者之間的比值，得到各月生態流量與各月多年平均徑流量之間的關系，以此來確定生態流量。

(2) Tennant法。該方法不需要河流的地形地質資料，也不需要河流生物環境資料，僅根據水文徑流資料，即可進行生態流量的估算[9]。在計算時，以河道多年平均徑流量作為基礎，根據設定的需水情況以及來水情況，選取一定的頻率計算得到河道生態流量。

(3) 7Q10法。對于河流最小流量的設計值，國外通常采用90%的保證率連續最枯7d的平均流量，中國通常采用最近10 a最枯月平均流量或者90%的保證率最枯月平均流量[10]。采用該算法計算時可以通過采用不同的保證率達到相應的生態標準。

2 河流生態流量與裝機容量確定的關系

生態電站多根據現有建筑物增設生態機組，當站址確定后，可以認為機組的水頭已經確定，其裝機容量可以近似與其可用流量有關。考慮生態流量一般較小，電站原機組裝機容量較大，為了匹配較小流量，一般僅設置一臺小機組作為生態機組進行流量匹配[5-7，11]。生態流量Q可以作為該生態機組的最小開機流量、保證流量、設計流量，分析河流生態流量與裝機容量確定關系如下：

(1) 作為機組最小開機流量。當河流生態流量作為機組最小開機流量時，機組設計流量Qs會明顯大于Q，機組可以充分利用生態流量以上流量；對于生態泄流大于生態流量Q時，機組仍可以開機運行，且效率提高，適用于水量充沛、生態流量長期處于較高水平的河流；但當河流按照生態流量下泄時，電站雖然可以開機運行，但機組運行效率較低。

假定機組設計流量為

Qs=aQ

(1)

則電站的裝機容量為

N=KQsH=aKQH

(2)

式中：K為綜合出力系數，可依據相關規范標準或設計手冊進行選擇；Qs為機組設計流量；H為發電凈水頭；Q為機組最小開機流量，也即河流生態流量；a為大于1的計算參數，與機組運行特性有關，一般可取1.5～2。

(2) 作為機組保證流量。當河流生態流量Q作為生態機組保證流量時，該流量對應的即為生態機組保證出力，由于河流下泄流量均應大于等于河流生態流量Q，因此，河流生態流量Q的保證率為100%；考慮生態機組可利用的流量為區間流量，其設計保證率可小于100%，因此生態電站對應的保證流量Qb應大于等于Q，即：

Qb=bQ

(3)

增設生態電站的裝機基本為1臺[5-7，11]，其裝機容量可確定為：

N=KQbH=bKQH

(4)

式中：Qb為保證流量；b為大于1的計算參數，設計保證率越高，b越接近1，一般可取1.05～1.20。

(3) 作為機組設計流量。當河流生態流量Q為機組設計流量時，此時電站裝機容量計算為

N=KQH

(5)

對上述3種方法進行對比評價，結果如表1所列。

表1 不同裝機確定方法的對比Tab.1 Comparison of different determination methods

3 層次分析法

3.1 模型結構

層次分析法主要涉及系統科學的決策問題，需要將決策問題置于系統中，并將相互影響的因素及問題層次化，形成多層次的分析模型[12]；利用數學分析和定性分析結合的形式進行排序和分層，通過獲得每種方案的權重值來指導決策[13-14]。其結構模型如圖1所示。

圖1 層次分析法結構Fig.1 Structure of AHP

3.2 求解流程

(1) 構造判斷矩陣。依據指標層Cij(i=1，2，…n；j=1，2，…，m)對準則層bi(i=1，2，…，n)的重要度，以1～9作為比較的標準，兩兩進行相比，利用Delphi法給出矩陣的元素值。有關1～9標度及其內容見表2。

表2 判斷矩陣(1～9)標度及其內容Tab.2 Scoring and content of judgment matrix

(2) 計算指標權重。設判斷矩陣D=dij(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)，則：

(6)

(7)

(8)

w=(w1，w2，…，wn)

(9)

(3) 判斷矩陣一致性。

(10)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(11)

CR=CI/RI

(12)

式中：λmax為判斷矩陣最大特征值；CI為判斷矩陣D的一致性指數；CR為隨機一致性比率；RI為判斷矩陣的隨機一致性指標(見表3)[13-14]。

表3 判斷矩陣的隨機一致性指標Tab.3 Random consistency index of judgment matrix

若CR<0.1，則認為D具有滿意的一致性，否則須重新構造D，直至有滿意的一致性。

(4) 綜合權重的計算。將上述得到的單項權重進行相應組合，得到評價指標對于構造目標層的綜合權重。

(13)

4 實例分析

4.1 基本資料

以漢江支流唐白河流域魚網系水電站為例開展實例驗證。該水電站現有裝機為6 000 kW(2×3 000 kW)，設計水頭為21 m，機組設計流量為14.57 m3/s，最小開機流量約8.2 m3/s，與河流生態流量不匹配，當需要下泄小于8.2 m3/s時，電站往往不開機運行，造成下游缺水；或雖然開機運行，但電站通過長距離引水渠引水發電，造成河流局部河流段脫水，河流生態遭到破壞，生態流量不能保障。針對現有問題，擬在原電站引水渠渠首處增設生態電站，通過新建機組對生態流量進行匹配，考慮該處河流生態流量較小，此次考慮新建1臺機組。

河流電站處1965～2018年共54 a的年平均徑流量及月平均徑流量如圖2～3所示。

圖2 多年平均徑流量Fig.2 Average annual runoff

圖3 多年月平均徑流量Fig.3 Average monthly runoff

4.2 生態流量計算及確定

按照年內展布計算法、Tennant法以及7Q10法分別對河流生態流量進行分析計算，計算結果如表4所列。

表4 河流生態流量計算成果Tab.4 Results of ecological flow by different methods m3/s

通過分析可知，上述3種方法計算的河流生態流量差別較大，其中Tennant法計算的生態流量最大。考慮下游生態環境、河流凈化等功能，最終確定河流生態流量按照Tennant法計算，即10月至次年3月份下泄流量為3.19 m3/s，4～9月份下泄流量為6.38 m3/s。

4.3 生態電站裝機容量確定

按照本文的3種方法，分別計算裝機容量。

(1) 生態流量作為機組最小開機流量。以3.19 m3/s作為機組最小開機流量；此時，裝機容量N=a×9.8×21×3.19=a×657 kW；按照21 m水頭機型效率曲線，最小開機流量與設計流量比可取1.5～2；按照a=1.8，計算電站裝機容量為1 182 kW，按照機組標準圖譜，選擇1 200 kW裝機。

(2) 生態流量作為保證流量。按照設計保證率80%計算，對多年徑流資料進行統計，對于10月至次年3月份來流量小于3.19 m3/s，取3.19 m3/s，對于4～9月份下泄流量小于6.38 m3/s取6.38 m3/s；進行統計排頻，找出出現頻率在80%的流量值為4.76 m3/s，從而得到保證流量，計算裝機N=9.8×21×4.76=980 kW，按照機組標準圖譜，選擇1 000 kW裝機。

(3) 生態流量作為機組設計流量。計算裝機N=9.8×21×3.19=656 kW，按照機組標準圖譜，選擇700 kW裝機。

4.4 方案對比分析

假定河道按照上述生態流量進行下泄，且所有下泄流量均通過生態電站，按照上節計算得到的1 200，1 000 kW和700 kW 3種方案分別對河流生態電站的發電情況及棄水情況進行分析，如圖4～5所示。

圖4 不同方案的出力比較Fig.4 Outputs of diffenent schemes

圖5 不同方案的棄水比較Fig.5 Abandoned water volumes of different schemes

通過對圖4～5進行分析可知，3個方案均可以在4～9月滿發，其出力分別可以達到1 200，1 000 kW和700 kW；其棄水均發生在4～9月，棄水流量為0.55，1.52 m3/s和2.98 m3/s。上述3個方案均可以對10月至3月的小流量進行有效利用，而此時1 200 kW機組雖然可以開機，但是其機組效率相對較低；面對大于4～9月的大流量時，其利用程度存在較大的差異。

不同的3個方案均可以滿足生態流量的調度，對于發電效益、機組利用效率、投資、施工難度等方面均還存在一定的差異，按照定性分析，對其進行對比，如表5所列。

表5 不同裝機方案的技術比較Tab.5 Comparison of the technics of different schemes

4.5 層次分析法

根據上節對不同的方案進行技術比較，擬定生態電站的層次分析結構如圖6所示。

圖6 層次分析結構Fig.6 Hierachieal stucture

按照發電效益重要度最高，機組利用效率、投資次之，棄水最次的重要度，構造裝機容量原始矩陣見表6。

表6 原始矩陣Tab.6 Original matrix

不同方案的權重表如表7所列。

表7 不同方案的權重Tab.7 Weights of differeut schemes

其中，不同方案對發電效益、機組利用效率、棄水和投資的原始權重矩陣分別如表8～11所列。

表8 不同方案下發電效益的權重矩陣Tab.8 Weight matrix of power generation benefit under different schemes

表9 不同方案下機組利用效率的權重矩陣Tab.9 Weight matrix of unit utilization efficiency under different schemes

表10 不同方案下棄水的權重矩陣Tab.10 Weight matrix of abandoned water under different schemes

表11 不同方案下投資的權重矩陣Tab.11 Weight matrix of investment under different schemes

上述權重矩陣表的CR分別為：0.012，0.003 6，0.028，0.037，0.001 5，均小于0.1，滿足一致性條件。

利用本文構建的層次分析法，最小開機流量、保證流量、設計流量3種方案的得分分別為0.42，0.27，0.31。

經過計算，按照發電效益>機組利用效率>投資>棄水重要度進行計算，可知，以生態流量作為最小開機流量確定的裝機方案(1 200 kW)為最優方案。這主要是由于該方案可以充分利用4～9月的大流量，雖然機組利用效率較低，但是發電效益較大，棄水較少，符合實際情況。

若按照機組利用效率>發電效益>投資>棄水的重要度重新進行計算，最小開機流量、保證流量、設計流量3種方案的得分分別為0.36，0.37，0.27。

按照該重要度進行重新計算可知，其最優方案為以生態流量作為保證流量(即1 000 kW)的方案。該方案發電效益雖然有所減少，但是其對10月至次年3月的小流量利用較為充分，可以在滿足機組利用效率的同時，提高發電效益，減少棄水。

5 結 論

隨著綠色小水電建設工作的不斷推進，水電站需要通過生態機組進行生態流量泄放，合理確定生態電站機組的裝機容量成為關鍵。本文結合河流生態流量計算方法，構建了河流生態電站裝機的確定模型，為水電站綠色改造中裝機容量的論證決策提供必要的理論指導。 本文的主要研究成果如下：

(1) 分析了生態流量與裝機容量確定的關系，明確了不同確定方法的適用性。

(2) 根據決策者的決策目標，選擇發電效益、機組利用效率、棄水和投資4個部分為目標層，構建了生態電站裝機方案的層次分析模型，該模型可以較好地解決生態流量裝機方案確定的問題。