關(guān)于水力發(fā)電的研究

丁曉勇++吳家運(yùn)++劉福祺

摘 要：我國(guó)水資源蘊(yùn)藏豐富，部分地區(qū)河川因中、上游河床陡峻、落差大適合水力發(fā)電條。目前水力發(fā)電方式大致可分為慣常式及抽蓄式水力發(fā)電。水力發(fā)電站各分廠機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)策略是可以滿足民生及工業(yè)用水的需求與滿足電力系統(tǒng)尖峰負(fù)載的需求?，F(xiàn)行操作策略雖然符合電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)的原則，但無(wú)一套精確的計(jì)算方法能使串聯(lián)式水力電廠調(diào)度模式發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益。該論文應(yīng)用一個(gè)仿電磁理論算法，搜尋每時(shí)段最佳放流量，以獲得最大總發(fā)電利潤(rùn)，并比較現(xiàn)行水力電廠的實(shí)際經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

關(guān)鍵詞：水力 發(fā)電 系統(tǒng) 研究

中圖分類號(hào)：TV7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（b）-0090-01

1 水力發(fā)電系統(tǒng)概述

1.1 慣例程水力發(fā)電系統(tǒng)

慣例程水力發(fā)電就是在河川尋覓一適當(dāng)處，興建一座水庫(kù)，由引水隧道引水沖擊水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同步帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。經(jīng)變壓器升高電壓，鏈接至輸電鐵塔傳送至各地使用，發(fā)電完成后之發(fā)電用水經(jīng)由尾水路排至下游河川，繼續(xù)供下游民生或發(fā)電使用。

以串聯(lián)式水力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)各水力電廠在一日內(nèi)依天然進(jìn)流量、配合調(diào)整尖峰負(fù)載的需求、生態(tài)放流及下游民生最低平均用水量為考慮角度，達(dá)到水力發(fā)電系統(tǒng)短期最佳調(diào)度的目標(biāo)。

1.2 串聯(lián)式水力發(fā)電系統(tǒng)

串聯(lián)式水力發(fā)電系統(tǒng)就是在同一河川中，從上游至下游興建多個(gè)慣常式水力電廠的組合。

串聯(lián)式水力發(fā)電系統(tǒng)是一種集合水庫(kù)及調(diào)整池式水力發(fā)電之系統(tǒng)。即是靠天然的進(jìn)流量，貯存于上游水庫(kù)，上游水力電廠再依據(jù)每日負(fù)載的需求及每三個(gè)月與中區(qū)水資源局開(kāi)會(huì)檢討達(dá)成協(xié)議之下游民生最低用水量發(fā)電排放至下游各壩儲(chǔ)存，以便供下游各電廠再利用。這種由上而下不斷再利用式的發(fā)電系統(tǒng)，將其稱之為串聯(lián)式水力發(fā)電系統(tǒng)。（最上游分廠由水庫(kù)取水發(fā)電，發(fā)電完成之用水經(jīng)尾水道排放至下游壩儲(chǔ)存。依次向下各分廠也以同樣的方式）。

2 水力發(fā)電系統(tǒng)調(diào)度方式

在以往工業(yè)科技未發(fā)達(dá)前，電力需求量小，水力發(fā)電系統(tǒng)在電力供應(yīng)鏈中占有非常大的比例，對(duì)電力系統(tǒng)之影響甚劇，并肩負(fù)整個(gè)電力系統(tǒng)電壓、頻率調(diào)整之功能。水力發(fā)電系統(tǒng)其調(diào)度運(yùn)轉(zhuǎn)方式是考慮下游民生用水需求量及配合調(diào)整尖峰負(fù)載而發(fā)電。其調(diào)整的過(guò)程必須考慮河川上下游間各水庫(kù)，庫(kù)容量關(guān)系，不致造成上游水力電廠發(fā)電用水流至下游水庫(kù)過(guò)滿而溢流或排洪，損失可用之天然水力能量。但如果是在洪水期間，因進(jìn)流量較大，水力電廠都是以裝置的最大容量全部滿載運(yùn)轉(zhuǎn)。而為了水庫(kù)的安全，若發(fā)電放流量還不足以消化上游的進(jìn)流量，而使水庫(kù)水位繼續(xù)上升，那么就必須仔細(xì)的考量是否須排洪了。

3 水力發(fā)電量計(jì)算

根據(jù)水力電廠調(diào)度運(yùn)轉(zhuǎn)情形看來(lái)，其最重要的目的，還是在調(diào)整上游電廠之發(fā)電放流如何不致讓下游水庫(kù)的水位滿庫(kù)。所以如何調(diào)整控制上游電廠發(fā)電量的多寡，影響水位升、降尤為重要。

根據(jù)理論得知，輸入于水輪機(jī)組的流量、總落差及水輪機(jī)的效率可以左右水輪機(jī)組的輸出功率，也就是發(fā)電量。

總落差就是水庫(kù)水位標(biāo)高與水輪機(jī)中心標(biāo)高之差，以水庫(kù)水位標(biāo)高1400 M為例，其總落差即為1400 M-1241 M=159 M。

水輪機(jī)之輸入流量Q，就是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)水輪機(jī)之水的體積，發(fā)電機(jī)組靠調(diào)節(jié)流量Q來(lái)改變發(fā)電量。要如何來(lái)調(diào)節(jié)呢？實(shí)際上就是控制導(dǎo)翼開(kāi)度大小來(lái)改變流量大小。

4 輸入與輸出功率

水輪機(jī)的輸入與輸出功率的比率百分?jǐn)?shù)稱為水輪機(jī)的效率η，而水輪機(jī)之效率又因水輪機(jī)機(jī)組大小、制造廠家設(shè)計(jì)法則、經(jīng)驗(yàn)的不同，以及運(yùn)行過(guò)程中穴蝕、磨損、泄漏及旋轉(zhuǎn)等損失，使水力能量無(wú)法全部轉(zhuǎn)為機(jī)械能量，改變了機(jī)組的出力及效率。穴蝕通常發(fā)生在動(dòng)輪部，動(dòng)輪之每?jī)奢喴黹g之弧形水道各曲面，如果其曲度不合流線，則于水流稀薄處，容易發(fā)生渦流。于渦流處發(fā)生局部壓力降低至水的蒸發(fā)壓力以下時(shí)，于該處發(fā)生甚多之極小氣泡，氣泡膨脹破裂，與其接觸之機(jī)件（如動(dòng)輪翼）等表面因受此破裂之力沖擊，稱為物理侵蝕；又由于空氣中之氧氣使機(jī)件表面氧化，稱作化學(xué)侵蝕，故產(chǎn)生嚴(yán)重侵蝕之現(xiàn)象。水輪機(jī)的效率在其滿載之 1/4 以下負(fù)載時(shí)，效率大為低落。如負(fù)載為滿載之 20%時(shí)，水力電廠效率約為 50%，滿載時(shí)效率約為 90%，所以說(shuō)不同型式的機(jī)組，存有一定程度的特性差異。

由于輸出功率是由水輪機(jī)主軸所傳達(dá)出來(lái)的有效機(jī)械功率。理論上應(yīng)將輸出功率計(jì)算在內(nèi)，故得到水輸出功率為 Pw=9.8ηQH。η：效率，通常都以 0.9 計(jì)算。Q：流量，每秒多少立方公尺。H：總落差，單位公尺。

既然發(fā)電量的多寡是根據(jù)水輸出功率來(lái)決定的。那么，假設(shè)德基分廠總落差為 140公尺，其流量為每秒30立方公尺，則其理論上所能產(chǎn)生之輸出功率即為：Pw= 9.8×0.9×30×140=37044 kW（千瓦）=37，044 MW。

5 電水比

什么是電水比？就是流量Q與發(fā)電量 Pw 比例之關(guān)系；在相同的水位標(biāo)高，發(fā)電 1MW（1000 kW千瓦）電量，每秒需用多少立方公尺水量之比例。水庫(kù)形狀有如一個(gè)碗狀，底部容量小，愈往上容量愈大。而由水輸出功率：Pw=9.8ηQH可以得知，水庫(kù)水位H愈高，同樣的發(fā)電量Pw，用水量Q就愈少。反之，亦然。為了能迅速掌控，水力電廠各分廠換算出一種快速預(yù)估流量與發(fā)電量比例之關(guān)系，也就是電水比。

6 結(jié)語(yǔ)

在不同的水位，就有不同的電水比。水位愈高電水比愈大，發(fā)電量亦愈大。例如：在水位標(biāo)高1400 M時(shí)，其電水比為1.3180。當(dāng)決定一天內(nèi)欲放流每秒30立方公尺（30CMS）水量時(shí)，則其一天可發(fā)電的總發(fā)電量為：每秒30立方公尺*（1.3180） MW/CMS*24=948.96MW=948960 KW。若是水位標(biāo)高改變?yōu)?402 M時(shí)，其電水比就變成為1.3327。同樣每日欲放流每秒30立方公尺（30CMS）水量時(shí)，可發(fā)電的總發(fā)電量即為：每秒30立方公尺*（1.3327）MW/CMS*24=959.544 MW=959544 kW。證明了總落差愈高，電水比愈大，發(fā)電量亦愈大的理論。

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