关于水力发电的研究

丁晓勇++吴家运++刘福祺

摘 要：我国水资源蕴藏丰富，部分地区河川因中、上游河床陡峻、落差大适合水力发电条。目前水力发电方式大致可分为惯常式及抽蓄式水力发电。水力发电站各分厂机组的运转策略是可以满足民生及工业用水的需求与满足电力系统尖峰负载的需求。现行操作策略虽然符合电力系统经济运转的原则，但无一套精确的计算方法能使串联式水力电厂调度模式发挥最大的经济效益。该论文应用一个仿电磁理论算法，搜寻每时段最佳放流量，以获得最大总发电利润，并比较现行水力电厂的实际经济调度。

关键词：水力 发电 系统 研究

中图分类号：TV7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（b）-0090-01

1 水力发电系统概述

1.1 惯例程水力发电系统

惯例程水力发电就是在河川寻觅一适当处，兴建一座水库，由引水隧道引水冲击水轮机转动，同步带动发电机发电。经变压器升高电压，链接至输电铁塔传送至各地使用，发电完成后之发电用水经由尾水路排至下游河川，继续供下游民生或发电使用。

以串联式水力发电系统内各水力电厂在一日内依天然进流量、配合调整尖峰负载的需求、生态放流及下游民生最低平均用水量为考虑角度，达到水力发电系统短期最佳调度的目标。

1.2 串联式水力发电系统

串联式水力发电系统就是在同一河川中，从上游至下游兴建多个惯常式水力电厂的组合。

串联式水力发电系统是一种集合水库及调整池式水力发电之系统。即是靠天然的进流量，贮存于上游水库，上游水力电厂再依据每日负载的需求及每三个月与中区水资源局开会检讨达成协议之下游民生最低用水量发电排放至下游各坝储存，以便供下游各电厂再利用。这种由上而下不断再利用式的发电系统，将其称之为串联式水力发电系统。（最上游分厂由水库取水发电，发电完成之用水经尾水道排放至下游坝储存。依次向下各分厂也以同样的方式）。

2 水力发电系统调度方式

在以往工业科技未发达前，电力需求量小，水力发电系统在电力供应链中占有非常大的比例，对电力系统之影响甚剧，并肩负整个电力系统电压、频率调整之功能。水力发电系统其调度运转方式是考虑下游民生用水需求量及配合调整尖峰负载而发电。其调整的过程必须考虑河川上下游间各水库，库容量关系，不致造成上游水力电厂发电用水流至下游水库过满而溢流或排洪，损失可用之天然水力能量。但如果是在洪水期间，因进流量较大，水力电厂都是以装置的最大容量全部满载运转。而为了水库的安全，若发电放流量还不足以消化上游的进流量，而使水库水位继续上升，那么就必须仔细的考量是否须排洪了。

3 水力发电量计算

根据水力电厂调度运转情形看来，其最重要的目的，还是在调整上游电厂之发电放流如何不致让下游水库的水位满库。所以如何调整控制上游电厂发电量的多寡，影响水位升、降尤为重要。

根据理论得知，输入于水轮机组的流量、总落差及水轮机的效率可以左右水轮机组的输出功率，也就是发电量。

总落差就是水库水位标高与水轮机中心标高之差，以水库水位标高1400 M为例，其总落差即为1400 M-1241 M=159 M。

水轮机之输入流量Q，就是单位时间内通过水轮机之水的体积，发电机组靠调节流量Q来改变发电量。要如何来调节呢？实际上就是控制导翼开度大小来改变流量大小。

4 输入与输出功率

水轮机的输入与输出功率的比率百分数称为水轮机的效率η，而水轮机之效率又因水轮机机组大小、制造厂家设计法则、经验的不同，以及运行过程中穴蚀、磨损、泄漏及旋转等损失，使水力能量无法全部转为机械能量，改变了机组的出力及效率。穴蚀通常发生在动轮部，动轮之每两轮翼间之弧形水道各曲面，如果其曲度不合流线，则于水流稀薄处，容易发生涡流。于涡流处发生局部压力降低至水的蒸发压力以下时，于该处发生甚多之极小气泡，气泡膨胀破裂，与其接触之机件（如动轮翼）等表面因受此破裂之力冲击，称为物理侵蚀；又由于空气中之氧气使机件表面氧化，称作化学侵蚀，故产生严重侵蚀之现象。水轮机的效率在其满载之 1/4 以下负载时，效率大为低落。如负载为满载之 20%时，水力电厂效率约为 50%，满载时效率约为 90%，所以说不同型式的机组，存有一定程度的特性差异。

由于输出功率是由水轮机主轴所传达出来的有效机械功率。理论上应将输出功率计算在内，故得到水输出功率为 Pw=9.8ηQH。η：效率，通常都以 0.9 计算。Q：流量，每秒多少立方公尺。H：总落差，单位公尺。

既然发电量的多寡是根据水输出功率来决定的。那么，假设德基分厂总落差为 140公尺，其流量为每秒30立方公尺，则其理论上所能产生之输出功率即为：Pw= 9.8×0.9×30×140=37044 kW（千瓦）=37，044 MW。

5 电水比

什么是电水比？就是流量Q与发电量 Pw 比例之关系；在相同的水位标高，发电 1MW（1000 kW千瓦）电量，每秒需用多少立方公尺水量之比例。水库形状有如一个碗状，底部容量小，愈往上容量愈大。而由水输出功率：Pw=9.8ηQH可以得知，水库水位H愈高，同样的发电量Pw，用水量Q就愈少。反之，亦然。为了能迅速掌控，水力电厂各分厂换算出一种快速预估流量与发电量比例之关系，也就是电水比。

6 结语

在不同的水位，就有不同的电水比。水位愈高电水比愈大，发电量亦愈大。例如：在水位标高1400 M时，其电水比为1.3180。当决定一天内欲放流每秒30立方公尺（30CMS）水量时，则其一天可发电的总发电量为：每秒30立方公尺*（1.3180） MW/CMS*24=948.96MW=948960 KW。若是水位标高改变为1402 M时，其电水比就变成为1.3327。同样每日欲放流每秒30立方公尺（30CMS）水量时，可发电的总发电量即为：每秒30立方公尺*（1.3327）MW/CMS*24=959.544 MW=959544 kW。证明了总落差愈高，电水比愈大，发电量亦愈大的理论。

参考文献

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