水电站生态机组装机容量确定方法研究_范仕虎.pdf

第 54 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月人民长江YangtzeiverVol 54，No 2Feb，2023收稿日期:2022 01 27基金项目:中国博士后科学基金第 69 批面上项目(277583)作者简介:范仕虎，男，高级工程师，研究方向为水利工程管理。E mail:2645709753 qq com文章编号:1001 4179(2023)02 0165 06引用本文:范仕虎，杨曼，王朋 水电站生态机组装机容量确定方法研究 J 人民长江，2023，54(2):165 170水电站生态机组装机容量确定方法研究范 仕 虎1，杨曼2，王朋3(1 河南省水利第二工程局，河南 郑州 450016;2 郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州 450001;3 河南郑大水利科技有限公司，河南 郑州 450001)摘要:为了合理准确确定河流生态电站装机容量，选择发电效益、机组利用效率、弃水和投资 4 部分为目标层，构建了生态电站装机方案的层次分析模型，并将该模型应用于唐白河流域鱼网系水电站。结果表明:该模型可以根据不同的目标重要度确定最优的装机方案，可以满足不同功能需求电站装机容量的确定，提高生态流量利用效率。提出的河流生态电站装机容量确定方法可以较好地确定生态流量装机方案，为水电站绿色改造中装机容量的论证决策提供必要的理论指导。关键词:生态流量;生态电站;装机容量;层次分析法中图法分类号:TP31文献标志码:ADOI:10 16232/j cnki 1001 4179 2023 02 0250引 言由于历史原因，中国大部分小水电在建设规划时未充分考虑对河流生态的影响，导致其机组与河流生态流量匹配性差，尤其是河床式或坝后式水电站，在机组正常运行发电时，发电用水基本可以满足下游生态流量要求，而在来流较小时段，机组不开机运行，下游河流则处于脱流状态，无法满足生态要求1 2。随着绿色小水电的持续推进，国家和地方前后出台多项政策，明确要求强化小水电生态流量的泄放、监督和管理，以保障河流的生态功能要求3 4。对于小水电而言，装设生态机组实现生态流量的持续下泄，是常见的绿色电站改造方案。对于改造的河流生态电站，合理确定其装机容量是关键。朱蒙恩 5 提出将生态流量作为生态机组的额定流量确定装机容量;吴文涛等 6 提出将生态流量作为生态机组最大发电水头对应的流量，以此确定装机容量;彭小东等 7 提出将生态流量作为生态机组任一运行工况下均能达到的流量，并结合水头变化确定装机方案。上述生态电站装机方案通过生态流量确定生态电站装机容量，在进行装机容量确定时，未充分考虑不同装机方案在发电效益、机组利用效率、弃水、投资等方面的优劣，装机容量的确定未充分反映生态电站的不同目标的需求，存在一定的局限性，无法有效指导生态电站装机的确定。层次分析法是一种层次权重决策分析方法，能够通过对多指标决定的问题进行分析，以优先等级的形式对备选决策进行排序，适用于解决难以定量分析、多目标、多准则等复杂决策问题。基于此，本文引入层次分析的方法，通过生态流量初选装机方案，选择发电效益、机组利用效率、弃水和投资 4 部分作为目标层，构建生态电站装机方案的层次分析模型，通过模型求解，实现生态电站装机方案的最优确定。1河流生态流量计算方法随着河流生态保护理论的发展，河流生态流量的人民长江2023 年计算方法也日益丰富。目前，生态流量的计算方法大致可以分为:水力学法、历史流量法、栖息地定额法、整体分析法8 10;为了从不同角度反映河流对生态流量的需求，本文选择不同规则下的生态流量计算方法，通过对不同计算方法进行筛选对比，最终确定合理的河流生态流量值。本文在计算河流生态流量时，采用年内展布计算法、Tennant 法以及 7Q10 法进行分析计算:(1)年内展布计算法。该算法基于历史径流资料，以年最小径流总量与多年平均径流总量二者之间的比值，得到各月生态流量与各月多年平均径流量之间的关系，以此来确定生态流量。(2)Tennant 法。该方法不需要河流的地形地质资料，也不需要河流生物环境资料，仅根据水文径流资料，即可进行生态流量的估算9。在计算时，以河道多年平均径流量作为基础，根据设定的需水情况以及来水情况，选取一定的频率计算得到河道生态流量。(3)7Q10 法。对于河流最小流量的设计值，国外通常采用 90%的保证率连续最枯 7d 的平均流量，中国通常采用最近 10 a 最枯月平均流量或者 90%的保证率最枯月平均流量10。采用该算法计算时可以通过采用不同的保证率达到相应的生态标准。2河流生态流量与装机容量确定的关系生态电站多根据现有建筑物增设生态机组，当站址确定后，可以认为机组的水头已经确定，其装机容量可以近似与其可用流量有关。考虑生态流量一般较小，电站原机组装机容量较大，为了匹配较小流量，一般仅设置一台小机组作为生态机组进行流量匹配5 7，11。生态流量 Q 可以作为该生态机组的最小开机流量、保证流量、设计流量，分析河流生态流量与装机容量确定关系如下:(1)作为机组最小开机流量。当河流生态流量作为机组最小开机流量时，机组设计流量 Qs会明显大于Q，机组可以充分利用生态流量以上流量;对于生态泄流大于生态流量 Q 时，机组仍可以开机运行，且效率提高，适用于水量充沛、生态流量长期处于较高水平的河流;但当河流按照生态流量下泄时，电站虽然可以开机运行，但机组运行效率较低。假定机组设计流量为Qs=aQ(1)则电站的装机容量为N=KQsH=aKQH(2)式中:K 为综合出力系数，可依据相关规范标准或设计手册进行选择;Qs为机组设计流量;H 为发电净水头;Q 为机组最小开机流量，也即河流生态流量;a 为大于1 的计算参数，与机组运行特性有关，一般可取 1 5 2。(2)作为机组保证流量。当河流生态流量 Q 作为生态机组保证流量时，该流量对应的即为生态机组保证出力，由于河流下泄流量均应大于等于河流生态流量 Q，因此，河流生态流量 Q 的保证率为 100%;考虑生态机组可利用的流量为区间流量，其设计保证率可小于 100%，因此生态电站对应的保证流量 Qb应大于等于 Q，即:Qb=bQ(3)增设生态电站的装机基本为 1 台5 7，11，其装机容量可确定为:N=KQbH=bKQH(4)式中:Qb为保证流量;b 为大于 1 的计算参数，设计保证率越高，b 越接近 1，一般可取 1 05 1 20。(3)作为机组设计流量。当河流生态流量 Q 为机组设计流量时，此时电站装机容量计算为N=KQH(5)对上述 3 种方法进行对比评价，结果如表 1 所列。表 1不同装机确定方法的对比Tab 1Comparison of different determination methods确定方法优缺点适用条件Q 作为机组最小开机流量充分利用大于河流生态流量的工况，装机最大，发电效益最大;但下泄流量为河流生态流量时，机组利用效率较差河流生态流量充沛，生态流量下泄大多时段较大Q 作为机组保证流量可以保证满足大于河流生态流量的利用，装机次之;但若设计保证率过小，则会导致河流生态流量无法利用，或机组处于低效区电站设计保证率较高Q 作为机组设计流量可以充分利用河流生态流量，装机最小;对于大于河流生态流量的流量无法利用，会导致弃水河流大多时段均按照生态流量下泄3层次分析法3 1模型结构层次分析法主要涉及系统科学的决策问题，需要将决策问题置于系统中，并将相互影响的因素及问题层次化，形成多层次的分析模型12;利用数学分析和定性分析结合的形式进行排序和分层，通过获得每种方案的权重值来指导决策13 14。其结构模型如图 1所示。图 1层次分析法结构Fig 1Structure of AHP661第 2 期范仕虎，等:水电站生态机组装机容量确定方法研究3 2求解流程(1)构造判断矩阵。依据指标层 Cij(i=1，2，n;j=1，2，m)对准则层 bi(i=1，2，n)的重要度，以 1 9 作为比较的标准，两两进行相比，利用 Delphi法给出矩阵的元素值。有关 1 9 标度及其内容见表2。表 2判断矩阵(1 9)标度及其内容Tab 2Scoring and content of judgment matrix标度内容标度内容1重要性相等7一个指标的重要性强烈高于另外一个3一个指标的重要性稍高于另外一个9一个指标的重要性极端高于另外一个5一个指标的重要性明显高于另外一个2、4、6、8以上各数值的中间标度(2)计算指标权重。设判断矩阵 D=dij(i=1，2，n;j=1，2，m)，则:Mi=mj=1dij(6)wi=mMi(7)wi=wini=1wi(8)w=(w1，w2，wn)(9)式中:D 为判断矩阵，n 和 m 分别为判断矩阵 D 的行数和列数，dij为判断矩阵的第 i 行第 j 列的元素，Mi为第 i 行所有元素的乘积，wi为第 i 行所有元素的几何平均数，wi为权重系数，w 为特征向量。(3)判断矩阵一致性。max=ni=1(DwT)inwi(10)CI=(max n)/(n 1)(11)C=CI/I(12)式中:max为判断矩阵最大特征值;CI 为判断矩阵 D的一致性指数;C 为随机一致性比率;I 为判断矩阵的随机一致性指标(见表 3)13 14。表 3判断矩阵的随机一致性指标Tab 3andom consistency index of judgment matrixnInI1071 322081 4130 5891 4540 96101 4951 12111 5161 24若 C 0 1，则认为 D 具有满意的一致性，否则须重新构造 D，直至有满意的一致性。(4)综合权重的计算。将上述得到的单项权重进行相应组合，得到评价指标对于构造目标层的综合权重。已知 B 层对 A 层的相对权重为 w(1)=w(1)(1，w(1)2，w(1)m，C 层对 B 层的相对权重为 w(2)=w(2)1(j，w(2)2j，w(2)nj，j=1，2，m，其中不受 bi支配的权重为 0。则 C 层各指标对总目标 A 的综合权重为w(0)i=mj=1w(1)j w(2)iji=1，2，n(13)从而 C 层各指标对总目标的综合权重向量为w(0)=w(0)1(j，w(0)2j，w(0)njT。4实例分析4 1基本资料以汉江支流唐白河流域鱼网系水电站为例开展实例验证。该水电站现有装机为 6 000 kW(2 3 000kW)，设计水头为 21 m，机组设计流量为 14 57 m3/s，最小开机流量约8 2 m3/s，与河流生态流量不匹配，当需要下泄小于 8 2 m3/s 时，电站往往不开机运行，造成下游缺水;或虽然开机运行，但电站通过长距离引水渠引水发电，造成河流局部河流段脱水，河流生态遭到破坏，生态流量不能保障。针对现有问题，拟在原电站引水渠渠首处增设生态电站，通过新建机组对生态流量进行匹配，考虑该处河流生态流量较小，此次考虑新建 1 台机组。河流电站处 1965 2018 年共 54 a 的年平均径流量及月平均径流量如图 2 3 所示。图 2多年平均径流量Fig 2Average annual runoff图 3多年月平均径流量Fig 3Average monthly runoff4 2生态流量计算及确定按照年内展布计算法、Tennant 法以及7Q10 法分别对河流生态流量进行分析计算，计算结果如表4 所列。761人民长江2023 年表 4河流生态流量计算成果Tab 4esults of ecological flow by different methodsm3/s月份年内展布计算法Tennant 法7Q10 法10693 190 4320633 190 4330893 190 4341356 380 4351986 380 4361666 380 4373866 380 4384016 380 4394036 380 43102913 190 43111513 190 43120963 190 43通过分析可知，上述3 种方法计算的河流生