[厄瓜多爾]H.阿爾梅達(dá)

劉澤文 譯自英刊《水電與大壩》2010年第1期

基礎(chǔ)建設(shè)工程,尤其是水電工程,有很多可行的比選方案,從中選出最優(yōu)的方案常常需要花很大的功夫。傳統(tǒng)方法一直是預(yù)先設(shè)計(jì)幾套工程總體布置方案,列出每套方案的建設(shè)費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用、發(fā)電量、產(chǎn)生的收益以及相關(guān)財(cái)務(wù)指標(biāo)等參數(shù)。在對各個(gè)財(cái)務(wù)指標(biāo)進(jìn)行比較并對環(huán)境影響作出評估后選出最優(yōu)方案。

利用傳統(tǒng)方法進(jìn)行合理優(yōu)化,必須考慮許多可選項(xiàng)以及變化情況。因此,需要耗費(fèi)相當(dāng)多的資源和時(shí)間。傳統(tǒng)方法考慮的是具有離散值的孤立變量。

對孤立變量進(jìn)行簡化分析可以得到一個(gè)合理的解,但不一定是最佳解。例如,可以采用預(yù)定單機(jī)容量的水輪機(jī)數(shù)量與類型對裝機(jī)容量進(jìn)行優(yōu)化。但是,在綜合考慮了裝機(jī)容量、機(jī)組數(shù)量、水輪機(jī)類型以及工程其他變量后,可以有更好的比選方案。

1 最優(yōu)連續(xù)法簡介

卡米諾斯卡(Caminosca)公司提出了最優(yōu)連續(xù)法并編制了計(jì)算程序,可以對工程進(jìn)行全方位優(yōu)化。

該方法包括對工程的每座主體建筑物(相關(guān)獨(dú)立變量取 3～4個(gè)值)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。然后定出規(guī)模、數(shù)量及費(fèi)用,并將其作為建立與適宜自變量有關(guān)的工程建筑物費(fèi)用的連續(xù)函數(shù)的依據(jù)。采用這些連續(xù)函數(shù)求出投資費(fèi)用,同時(shí)采用與那些相同變量有關(guān)的其他函數(shù)和公式算出發(fā)電量及其效益。運(yùn)行維護(hù)費(fèi)則根據(jù)連續(xù)函數(shù)確定或按建設(shè)費(fèi)用的某一個(gè)百分比計(jì)算。工程產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益與財(cái)務(wù)效益指標(biāo)則通過費(fèi)用效益分析計(jì)算獲得。

該方法可以求出達(dá)到目標(biāo)要求的獨(dú)立變量值的最佳組合。而目標(biāo)則定為使內(nèi)部收益率(IRR)、凈預(yù)定值(NPV)、費(fèi)用 -效益比(C/B)、總發(fā)電量、枯水期發(fā)電量或任何其他參數(shù)最大化。為此,該方法使用了解決運(yùn)籌學(xué)問題時(shí)常用的非線性規(guī)劃。所有變量的最優(yōu)組合就是能夠優(yōu)化整個(gè)工程的變量組合。對所有的比選方案都進(jìn)行了分析,同時(shí)考慮了運(yùn)行期的預(yù)計(jì)費(fèi)用和價(jià)格。電力及能源的單位費(fèi)用隨每小時(shí)需電量和國家電網(wǎng)季節(jié)性變化而變化。

該計(jì)算程序采用 Microsoft Excel編制,并加入了各種電子表格,用以計(jì)算調(diào)節(jié)流量、發(fā)電量、建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用以及工程的財(cái)務(wù)指標(biāo)。所有這些參數(shù)都是整個(gè)工程獨(dú)立變量的連續(xù)函數(shù)。

在該計(jì)算程序的優(yōu)化電子表格中,應(yīng)規(guī)定主變量的值。這些獨(dú)立變量的取值形式可以是實(shí)數(shù),但必須在所涉及工程的應(yīng)用范圍之內(nèi)。

計(jì)算程序采用 Excel的“求解程序工具(solver tool)”。該程序可自動求出能夠達(dá)到目標(biāo)要求的獨(dú)立變量的最優(yōu)組合。程序采用了非線性優(yōu)化編碼GRG2。求解程序可以設(shè)定變量的極限值和限制條件,如規(guī)定為正值、整數(shù)或規(guī)定各個(gè)值的范圍等。

圖1 安加馬卡-辛德工程優(yōu)化流程

一旦優(yōu)化工作完成,就可以根據(jù)結(jié)果選出一套或幾套工程比選方案。結(jié)合一組發(fā)電工程對所選水電工程的比選方案進(jìn)行分析,以確定滿足需要的低費(fèi)用發(fā)電設(shè)備,從而根據(jù)其可能的投運(yùn)起始日期選出最合適的解決方案。

在工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)中采用最優(yōu)連續(xù)法及其相應(yīng)的計(jì)算程序,可以節(jié)省時(shí)間。這種方法可對任何類型的工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?？字Z斯卡公司近期采用該方法及其程序確定了厄瓜多爾在建的兩座大型水電工程——安加馬卡 -辛德工程和索布拉工程開發(fā)的最優(yōu)比選方案。

2 安加馬卡 -辛德工程

該工程位于安加馬卡河和辛德河上,建有兩座常規(guī)引水壩,引水壩設(shè)有進(jìn)水口。被引取的水通過兩條連接隧洞輸送,然后流入主隧洞,止于調(diào)壓井。從調(diào)壓井開始,水通過壓力管道輸送到發(fā)電廠房。尾水排入安加馬卡河中。與另外一座工程有關(guān)的一座小水庫位于安加馬卡 -辛德工程上游的安加馬卡河上。

該工程的優(yōu)化流程如圖1所示。

安加馬卡 -辛德工程的主要連續(xù)變量如下。

(1)QCA:安加馬卡河進(jìn)水口設(shè)計(jì)流量(m3/s);

(2)QCS:辛德河進(jìn)水口設(shè)計(jì)流量(m3/s);

(3)DTC:進(jìn)水口連接隧洞的等效直徑(m);

(4)DTU:主隧洞的等效直徑(m);

(5)DTP:壓力管道直徑(m);

(6)QCC:電站設(shè)計(jì)流量(m3/s)。

2.1 建設(shè)費(fèi)用

用獨(dú)立變量的各種離散值計(jì)算得出初步建設(shè)費(fèi)用及其回歸函數(shù)。附屬工程的費(fèi)用包含在主體建筑物的費(fèi)用之中。

圖2為電站廠房的土建工程及機(jī)電設(shè)備的費(fèi)用曲線。

用回歸法求得的費(fèi)用函數(shù)為 Com=2200Qcc+412000。

圖2 安加馬卡-辛德工程電站廠房費(fèi)用計(jì)算曲線

2.2 發(fā)電量

發(fā)電量定為多個(gè)常量與該工程一組變量值的函數(shù)。根據(jù)兩條河流的日平均流量、水力損失、設(shè)備效率、輸電線路損失、自耗損失以及停機(jī)造成的損失計(jì)算發(fā)電量。上游水庫調(diào)節(jié)的作用也予以考慮。計(jì)算能源市場價(jià)格時(shí)考慮了需電小時(shí)數(shù)。

此外,該程序依據(jù)厄瓜多爾電力市場規(guī)程將可支付電力定為枯水期(每年11月到次年2月)可獲得的平均用電量。

水力損失系數(shù)(Kf)定為隧洞和壓力管道直徑的函數(shù)。其計(jì)算公式如下:

從這些方程可以看出,直徑越大,水力損失越小。因此,售電獲得的收入會隨發(fā)電量的增加而增加,壓力管道的費(fèi)用也會隨之增加。另一方面,盡管直徑越小,費(fèi)用越少,但獲得的發(fā)電收入也減少。在該程序中加入了這些函數(shù)以便結(jié)合所有其他主變量對直徑進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 財(cái)務(wù)收益

設(shè)定的目標(biāo)是使工程的內(nèi)部收益率(IRR)最大。

在計(jì)算財(cái)務(wù)收益時(shí),每種比選方案都采用了12%折扣率。各比選方案的結(jié)果見表1。

2.4 分 析

用傳統(tǒng)方法計(jì)算獲得方案1～5的財(cái)務(wù)性能,其中方案 3最好。而采用最優(yōu)連續(xù)法可以獲得更好的比選方案。從表1中的 NPV值和 IRR值可以看出,采用該方法確定的最佳比選方案整合了一組能夠產(chǎn)生更高財(cái)務(wù)收益的變量。

最優(yōu)比選結(jié)果表明:由于其費(fèi)用相對較低,采用的進(jìn)水口流量比電站廠房的入流量更大。這就使一個(gè)進(jìn)水口的流量增大,并可從第2個(gè)引水口增加或補(bǔ)充流量。采用這種方案,電站廠房的投資不一定會增加。采用傳統(tǒng)的方法很難找到這樣的解決方案。

用傳統(tǒng)方法對方案1～5的隧洞直徑和壓力管道直徑進(jìn)行優(yōu)化時(shí),只是將建設(shè)費(fèi)用與水頭損失造成的收益損失之和最小化,而并沒有考慮裝機(jī)容量的費(fèi)用發(fā)生了相應(yīng)的變化。

用最優(yōu)連續(xù)法確定的最優(yōu)方案的直徑最充分地整合了工程的主變量,反過來這些變量又有助于使IRR最大。從設(shè)計(jì)流量角度考慮,這些直徑相當(dāng)小。

3 索布拉工程

索布拉工程是保特河上在建的梯級水電站(包括馬扎爾(Mazar)、保特(Paute)和卡登尼羅(Cardenillo)電站)之一。馬扎爾電站目前正在建設(shè)之中,計(jì)劃于2010年年中投運(yùn),裝機(jī)容量163 MW。該電站將安裝2臺混流式水輪機(jī),水庫調(diào)節(jié)庫容4.1億 m3。保特電站是厄瓜多爾的主要電站,總裝機(jī)容量1075MW,裝有10臺水斗式水輪機(jī)?？ǖ悄崃_電站目前還處在初步研究階段,因此不在本研究范圍之內(nèi)。

保特電站的出流量直接引入索布拉工程。這些流量經(jīng)馬扎爾和保特水庫得到調(diào)節(jié)和控制。索布拉工程主體建筑物包括一座互連水室、一條主隧洞、一座調(diào)壓井、上下游豎井、一條壓力鋼管、一座地下廠房以及一條尾水隧洞。此外,還包括了幾項(xiàng)特殊工程,如保特河河底的一條隧洞。

工程的優(yōu)化研究包括對其上游的馬扎爾水庫和保特水庫的運(yùn)行工況進(jìn)行模擬。

該工程的主變量如下:

(1)工程設(shè)計(jì)流量 (m3/s);

(2)馬扎爾水庫月末目標(biāo)水位(m);

(3)阿馬盧薩(Amaluza)水庫月末目標(biāo)水位(m);

(4)穿越河底的隧洞的等效直徑(m);

表1 用傳統(tǒng)方法和最優(yōu)法計(jì)算獲得的財(cái)務(wù)收益比較

表2 計(jì)算獲得的水庫水位值

(5)主隧洞和上游豎井的等效外徑(m);

(6)上游混凝土豎井的等效內(nèi)徑 (m);

(7)下游鋼襯砌保護(hù)的豎井的等效內(nèi)徑 (m);

(8)壓力管道內(nèi)徑 (m);

(9)混流式或水斗式水輪機(jī);

(10)機(jī)組數(shù)量;

(11)尾水隧洞等效內(nèi)徑(m)。

水庫目標(biāo)水位是指每個(gè)月末應(yīng)該達(dá)到的水位。這些水位是在考慮了上游來水量、水輪機(jī)過流量、溢洪道泄流量、降雨量以及蒸發(fā)量的基礎(chǔ)上平衡水庫水量后得出的。優(yōu)化程序基于水庫的運(yùn)行工況進(jìn)行模擬,以確定可用于發(fā)電的可用水量并求出給定月份的目標(biāo)水位。

首先,選擇水輪機(jī)的數(shù)量和類型。對于每個(gè)合理的組合,求出電站廠房、調(diào)壓井和尾水隧洞的費(fèi)用函數(shù),再求出該工程其他建筑物的費(fèi)用函數(shù)。水力損失系數(shù)定為壓力鋼管直徑的函數(shù)。采用變量任意組合的函數(shù)求出發(fā)電量及其相應(yīng)的工程費(fèi)用。

3.1 結(jié) 果

以前研究中確認(rèn)的水庫目標(biāo)水位在傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中被認(rèn)為是不變的,但不一定是最佳水位。

最優(yōu)連續(xù)法從其他變量中考慮目標(biāo)水位,并采用該程序計(jì)算其最優(yōu)值(見表2)。對于每種類型的水輪機(jī),求出變量的最優(yōu)組合(見表 3)。

3.2 分 析

采用傳統(tǒng)方法對幾種比選方案進(jìn)行了研究,表3給出了 4種具有代表性的結(jié)果。從表中結(jié)果可以看出,方案 4(IRR為13.11%)似乎是最優(yōu)方案。但采用最優(yōu)連續(xù)法可以獲得更優(yōu)的方案。事實(shí)上,安裝水斗式水輪機(jī)的最佳方案,其 IRR達(dá)到了13.83%;而安裝混流式水輪機(jī)的最佳方案,其 IRR甚至更高,達(dá)到了15.72%。該方案裝備 3臺混流式水輪機(jī),其變量組合提供了更高的財(cái)務(wù)收益,如表3中的 NPV值和 IRR值。此外,該最優(yōu)方案所用的直徑也明顯小得多。

如果使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行簡化,就會選用裝機(jī)309.02 MW的水斗式水輪機(jī)。但是,采用最優(yōu)連續(xù)法可以找出更佳的方案,即安裝 3臺混流式水輪機(jī),其裝機(jī)容量達(dá)到了440.84 MW。

另一方面,水利樞紐工程的財(cái)務(wù)性能在很大程度上取決于水庫的運(yùn)行工況。基于最優(yōu)連續(xù)法計(jì)算程序可以求出上游兩座水庫運(yùn)行的最優(yōu)目標(biāo)水位。

表3 利用傳統(tǒng)方法和新方法對水輪機(jī)變量進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果

4 結(jié) 語

非線性規(guī)劃方法是水電工程和非水電工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種有效的工具,在研究最優(yōu)連續(xù)法的過程中得到了很好的應(yīng)用。

本文提出的方法已經(jīng)成功地用于確定厄瓜多爾水電工程開發(fā)的最優(yōu)方案。在確定最優(yōu)方案時(shí),該方法一方面統(tǒng)籌考慮了整個(gè)工程,同時(shí)還考慮了所有相關(guān)的變量。從試驗(yàn)的情況來看,用該方法確定的解決方案,其財(cái)務(wù)收益高于傳統(tǒng)方法。

在工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,采用最優(yōu)連續(xù)法一方面可以節(jié)省時(shí)間,同時(shí)還可以節(jié)約資源。該方法還有助于對水電站的運(yùn)行工況進(jìn)行優(yōu)化。