一种火电厂供水水库防洪标准的选取方法.pdf

本发明公开了一种火电厂供水水库防洪标准的选取方法，参照《水利水电工程结构可靠性设计统一标准（GB 50199-2013）》中的设计原理，通过风险分析，以火电厂工程预期净收益的数学期望为指标，建立了考虑供水水库防洪可靠性后电厂工程在第n年年末预期净收益数学期望的数学模型；进而按照经济收益最大化的原则，为供水水库选取合适的防洪标准及相应的加固改造方案。本发明方法能有效改善实际工程中供水水库加固改造工作往往难以落实的局面，可以为火电厂工程选取出最优的供水水库加固改造方案，使工程的安全性和经济性达到最佳匹配状态，达到提高工程经济效益、节约社会资源的目的。

权利要求书
1.  一种火电厂供水水库防洪标准的选取方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：制定可能的加固改造方案并核算相关费用：对供水水库分别按照安全级别为Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅰ级的要求，以《水利水电工程等级划分及洪水标准》中相应的防洪标准为前提，以满足预想的使用年限为目标，以满足第三层次设计规范中各水工建筑物的安全性要求为基础，制定相应的加固改造方案并核算相关费用；
步骤二：确定水工建筑物在设计使用年限内的目标可靠指标β：根据《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》要求，结合水工建筑物的设计使用年限，选取对应的目标可靠指标β；
步骤三：确定供水水库工程在设计使用年限内每一年失效概率Pfe：利用结构可靠度的时段分析方法，通过时段数目的缩减积分处理，推导供水水库工程在设计使用年限内每一年失效概率Pfe的计算公式，即可确定某已知供水水库工程在设计使用年限内每一年失效概率Pfe；
步骤四：确定考虑供水水库防洪可靠性的火电厂工程预期净收益En：根据供水水库防洪可靠性，推导出火电厂工程在第n年年末预期净收益的数学期望值En的计算公式；与步骤三中结构可靠度的时段分析方法相结合，建立考虑供水水库防洪可靠性后火电厂工程在第n年年末预期净收益数学期望En的数学模型；
步骤五：选取供水水库防洪标准：根据《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》要求，选取各安全级别所对应的目标可靠指标作为各方案相应的β值，计算各方案的En，按照经济收益最大化的原则，选取火电厂供水水库防洪标准 和最优的加固改造方案。

2.  根据权利要求1所述的火电厂供水水库防洪标准的选取方法，其特征在于，所述供水水库工程在设计使用年限内每一年失效概率Pfe的计算公式推导方法如下：
根据结构可靠度的时段分析方法，通过时段数目的缩减处理，可得到目标可靠指标β的计算公式，如下所示：



β＝Φ-1[Φm(βe；ρe)](4)
式中，φ(t)为一维标准正态分布的概率密度函数；ρe为相关系数矩阵ρ中非对角元素的值；Φ为一维标准正态分布的分布函数；Φ-1为Φ的反函数；Φm为多维标准正态分布函数；
当供水水库工程已确定的情况下，其设计使用年限数m、目标可靠指标β、各年限之间相关系数ρe均已知，则根据式(1)～(4)，采用逐次逼近法，可求得相应的供水水库工程每一年的目标可靠指标βe，进而求得供水水库工程每一年的失效概率Pfe，如下所示
Pfe＝Φ(-βe)(5)
式(5)即为所求的供水水库工程每一年的失效概率Pfe的计算公式。

3.  根据权利要求2所述的火电厂供水水库防洪标准的选取方法，其特征在于，所述各年限之间相关系数ρe取值为0.1～0.5。

4.  根据权利要求2所述的火电厂供水水库防洪标准的选取方法，其特征在于，所述火电厂工程在第n年年末预期净收益的数学期望值En的计算公式，如下所示：

式中：S为供水水库的改造费用，A为：火电厂利用某供水水库作为其供水水源时起，火电厂的资金价值，A中不包含S；Fj为：在火电厂的设计使用年限内，当供水水库安全运行时的火电厂第j年的预期收益，简称Fj为无风险时的收益；i为在火电厂的设计使用年限内的投资回收率；n为火电厂的设计使用年限；
公式(6)成立的假设条件为：
1)只考虑供水水库防洪可靠性对火电厂工程预期总收益的影响，不考虑其他的风险因素；
2)供水水库因洪水而毁坏时，不影响火电厂自身的防洪安全；
3)在火电厂的设计使用年限内，当供水水库因洪水而毁坏时，假设其不可修复，相应的改造费用损失殆尽；火电厂因此而失去水源，在剩余的预期使用年限内运行功能丧失、且不再恢复，火电厂全部资金价值损失殆尽，同时不考虑火电厂停运的间接损失；
4)在经济分析时段中的某年内，供水水库的运行状况只考虑两种可能性：(a)供水水库全年处于安全运行状态；(b)供水水库在某一时刻因洪水而毁坏，此时计算模型中该年的收益取为0。

说明书一种火电厂供水水库防洪标准的选取方法
技术领域
本发明涉及一种火电厂供水水库防洪标准的选取方法，属于火力发电技术领域。
背景技术
《大中型火力发电厂设计规范(GB50660-2011)》第4.2.3条规定：火力发电厂供水水源应可靠；当从水库取水时，水库防洪标准不应低于100年一遇设计、1000年一遇校核；当水库防洪标准不能满足电厂取水要求时，应论证采取其他措施保证火力发电厂的取水可靠。
根据《防洪标准》以及《水利水电工程等级划分及洪水标准》等规范，水库工程水工建筑物的防洪标准应根据水库的等别和水工建筑物的级别加以确定。水库工程的等别及水工建筑物的级别详见表1，各级别水工建筑物的防洪标准详见表2。
表1水库工程的等别及水工建筑物的级别

表2水库工程水工建筑物的防洪标准


随着国民经济的快速发展，火电厂电源点的数量越来越多、布局越来越广，以小型水库作为火电厂水源的项目越来越多。但是，根据表1和表2可知，小型水库的设计和校核洪水标准不能满足《大中型火力发电厂设计规范》中的相关要求；即便对于平原或滨海区的中型水库，其防洪标准也不满足规范中的相关要求。因而，在实际工程中，当以小型水库作为大中型火电厂的供水水源，要求其按照100年一遇设计、1000年一遇校核的防洪标准进行加固改造时，其加固改造工作往往难以落实。
因此，当以水库(特别是小型水库)作为大中型火电厂的供水水源时，应采用合理的分析方法，并结合实际工程情况，对水库的防洪标准选取问题进行深入的研究，以节约社会资源、提高工程的经济效益。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种火电厂供水水库防洪标准的选取方法，参照《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》中的设计原 理，通过风险分析，以火电厂工程预期净收益的数学期望为指标，建立了相应的数学模型；进而利用该模型，为供水水库选取合适的防洪标准及相应的加固改造方案提供了一种有效的方法。
本发明所采用的技术方案为：一种火电厂供水水库防洪标准的选取方法，包括如下步骤：
步骤一：制定可能的加固改造方案并核算相关费用：对供水水库分别按照安全级别为Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅰ级的要求，以《水利水电工程等级划分及洪水标准》中相应的防洪标准为前提，以满足预想的使用年限为目标，以满足第三层次设计规范中各水工建筑物的安全性要求为基础，制定相应的加固改造方案并核算相关费用；
步骤二：确定水工建筑物在设计使用年限内的目标可靠指标β：根据《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》要求，结合水工建筑物的设计使用年限，选取对应的目标可靠指标β；
步骤三：确定供水水库工程在设计使用年限内每一年失效概率Pfe：利用结构可靠度的时段分析方法，通过时段数目的缩减积分处理，推导供水水库工程在设计使用年限内每一年失效概率Pfe的计算公式，即可确定某已知供水水库工程在设计使用年限内每一年失效概率Pfe；
步骤四：确定考虑供水水库防洪可靠性的火电厂工程预期净收益En：根据供水水库防洪可靠性，推导出火电厂工程在第n年年末预期净收益的数学期望值En的计算公式；与步骤三中结构可靠度的时段分析方法相结合，建立考虑供水水库防洪可靠性后火电厂工程在第n年年末预期净收益数学期望En的数学模型；
步骤五：选取供水水库防洪标准：根据《水利水电工程结构可靠性设计统 一标准》要求，选取各安全级别所对应的目标可靠指标作为各方案相应的β值，计算各方案的En，按照经济收益最大化的原则，选取火电厂供水水库防洪标准和最优的加固改造方案。
所述供水水库工程在设计使用年限内每一年失效概率Pfe的计算公式推导方法如下：
根据结构可靠度的时段分析方法，通过时段数目的缩减处理，可得到目标可靠指标β的计算公式，如下所示：



β＝Φ-1[Φm(βe；ρe)](4)式中，φ(t)为一维标准正态分布的概率密度函数；ρe为相关系数矩阵ρ中非对角元素的值；Φ为一维标准正态分布的分布函数；Φ-1为Φ的反函数；Φm为多维标准正态分布函数；
当供水水库工程已确定的情况下，其设计使用年限数m、目标可靠指标β、各年限之间相关系数ρe均已知，则根据式(1)～(4)，采用逐次逼近法，可求得相应的供水水库工程每一年的目标可靠指标βe，进而求得供水水库工程每一年的失效概率Pfe，如下所示
Pfe＝Φ(-βe)(5)
式(5)即为所求的供水水库工程每一年的失效概率Pfe的计算公式。
所述各年限之间相关系数ρe取值为0.1～0.5。
所述火电厂工程在第n年年末预期净收益的数学期望值En的计算公式，如下所示：
En=[Σj=1nFj(1+i)n-j-(A+S)(1+i)n](1-Pfe)n-(A+S)(1+i)n[1-(1-Pfe)n]---(6)]]>
式中：S为供水水库的改造费用，A为：火电厂利用某供水水库作为其供水水源时起，火电厂的资金价值，A中不包含S；Fj为：在火电厂的设计使用年限内，当供水水库安全运行时的火电厂第j年的预期收益，简称Fj为无风险时的收益；i为在火电厂的设计使用年限内的投资回收率；n为火电厂的设计使用年限；
公式(6)成立的假设条件为：
1)只考虑供水水库防洪可靠性对火电厂工程预期总收益的影响，不考虑其他的风险因素；
2)供水水库因洪水而毁坏时，不影响火电厂自身的防洪安全；
3)在火电厂的设计使用年限内，当供水水库因洪水而毁坏时，假设其不可修复，相应的改造费用损失殆尽；火电厂因此而失去水源，在剩余的预期使用年限内运行功能丧失、且不再恢复，火电厂全部资金价值损失殆尽，同时不考虑火电厂停运的间接损失；
4)在经济分析时段中的某年内，供水水库的运行状况只考虑两种可能性：(a)供水水库全年处于安全运行状态；(b)供水水库在某一时刻因洪水而毁坏，此时计算模型中该年的收益取为0。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
(1)能有效改善实际工程中水库加固改造工作往往难以落实的局面，可以为火电厂工程选取出最优的水库加固改造方案，使工程的安全性和经济性达到 最佳匹配状态，达到提高工程经济效益、节约社会资源的目的；
(2)除了可以应用于供水水库防洪标准的选取之外，还可以推广到其它方面的设计工作中去，如对设计使用年限、抗力水平等作出经济评估，给出最优的设计方案；其在应用角度上具有广泛的推广价值。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是不同的使用年限数m及目标可靠指标β所对应的βe～ρe曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，是本发明的流程图，包括如下步骤：
步骤一：制定可能的加固改造方案并核算相关费用：对供水水库分别按照安全级别为Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅰ级的要求，以《水利水电工程等级划分及洪水标准》中相应的防洪标准为前提，以满足预想的使用年限为目标，以满足第三层次设计规范中各水工建筑物的安全性要求为基础，制定相应的加固改造方案并核算相关费用；
步骤二：确定水工建筑物在设计使用年限内的目标可靠指标β：根据《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》要求，结合水工建筑物的设计使用年限，选取对应的目标可靠指标β。
水库工程由挡水、泄水等相关的水工建筑物组成，这些水工建筑物以及组成这些建筑物的具有一定强度和刚度并有机组合在一起的各连续部件，统称为水工结构。各水工建筑物的可靠性决定了水库工程的可靠性。根据规范《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》的要求，这些水工建筑物在规定的设计使 用年限内，应具有相应的可靠度。规范中规定了不同级别水工建筑物的结构安全级别、设计使用年限、水工结构承载能力极限状态持久设计状况的目标可靠指标β，详见表3所示。
表3水工建筑物结构安全级别、设计使用年限、目标可靠指标β一览表

表3中的β是水工建筑物在设计使用年限内的目标可靠指标。β的计算与水工结构的设计使用年限数m、各年限之间相关系数ρe、及设计使用年限内每一年的目标可靠指标βe相关。
步骤三：确定供水水库工程在设计使用年限内每一年失效概率Pfe：利用结构可靠度的时段分析方法，通过时段数目的缩减积分处理，推导供水水库工程在设计使用年限内每一年失效概率Pfe的计算公式，即可确定某已知供水水库工程在设计使用年限内每一年失效概率Pfe；
供水水库工程在设计使用年限内每一年失效概率Pfe的计算公式推导方法如下：
根据结构可靠度的时段分析方法，通过时段数目的缩减处理，可得到目标可靠指标β的计算公式，如下所示：



β＝Φ-1[Φm(βe；ρe)](4)
式中，φ(t)为一维标准正态分布的概率密度函数；ρe为相关系数矩阵ρ中非对角元素的值；Φ为一维标准正态分布的分布函数；Φ-1为Φ的反函数；Φm为多维标准正态分布函数；
当供水水库工程已确定的情况下，其设计使用年限数m、目标可靠指标β、各年限之间相关系数ρe均已知，则根据式(1)～(4)，采用逐次逼近法，可求得相应的供水水库工程每一年的目标可靠指标βe，进而求得供水水库工程每一年的失效概率Pfe，如下所示
Pfe＝Φ(-βe)(5)
式(5)即为所求的供水水库工程每一年的失效概率Pfe的计算公式。
在上述计算中涉及到各年限之间相关系数ρe的取值问题，下面对其取值问题进行探讨。
取火电厂的工艺系统设计寿命应按30年考虑，当采用已有的水库作为火电厂供水水源时，水库剩余的使用寿命不宜小于30年，则令m＝30、50；根据式(1)～(4)，计算不同的ρe和β条件下，所对应的βe及Pfe的变化情况，结果见表4和图2所示：
表4不同的m、β、ρe所对应的βe及Pfe一览表：


由表4和图2可以看出：对不同的m及β组合，随着ρe的增加，βe相应减小；当ρe≤0.5时，βe变化甚微；ρe＞0.5时，其对βe的影响较大。水工建筑物在m年内的失效概率可以看成是m个时长为1年的子系统串联在一起的失效概率。当ρe＝0时，表示各子系统之间互不相关，整个系统的不确定性最高；故在预测阶段，为了保证整个系统的总体可靠度，对每个子系统必须选取相对较高的可靠指标。当ρe＝1时，表示各子系统之间完全相关，即整个系统的不确定性最低；故预测阶段，在保证整个系统具有相同的总体可靠度条件下，对每个子系统可以选取相对较低的可靠指标。
根据《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》中的资料，在抗力R作为随机变量、作用效应S作为随机过程的条件下，当以可变荷载为主要作用时，建筑结构的ρe约在0.4～0.5。在水工建筑物的防洪设计中，洪水为主要作用，一般情况下，不同年度之间的洪水相关性并不高，因此，对水库工程的各年限 之间相关系数可取为ρe＝0.1～0.5，带入式(1)～(5)作为计算“每一年的失效概率”Pfe的前提条件。
步骤四：确定考虑供水水库防洪可靠性的火电厂工程预期净收益En：根据供水水库防洪可靠性，推导出火电厂工程在第n年年末预期净收益的数学期望值En的计算公式；与步骤三中结构可靠度的时段分析方法相结合，建立考虑供水水库防洪可靠性后火电厂工程在第n年年末预期净收益数学期望En的数学模型。
以火电厂采用某水库作为供水水源的时刻为时间起点，计为T＝0。自T＝0起，火电厂剩余的设计使用年限为n年，该水库剩余的设计使用年限为m年。当采用水库作为电厂的水源地时，首先应对水库进行相应的检测鉴定，核实水库实际的安全状况和剩余的设计使用年限；一般情况下，应满足“m≥n”的要求；否则，应对该水库进行加固改造以延长其使用年限，或在该水库达到预期寿命时另找水源予以代替，因此，本发明中火电厂和水库的剩余设计使用年限的关系为m≥n。
火电厂工程在第n年年末预期净收益的数学期望值En的计算公式，如下所示：
En=[Σj=1nFj(1+i)n-j-(A+S)(1+i)n](1-Pfe)n-(A+S)(1+i)n[1-(1-Pfe)n]---(6)]]>
式中：S为供水水库的改造费用，A为：火电厂利用某供水水库作为其供水水源时起，火电厂的资金价值，A中不包含S；Fj为：在火电厂的设计使用年限内，当供水水库安全运行时的火电厂第j年的预期收益，简称Fj为无风险时的收益；i为在火电厂的设计使用年限内的投资回收率；n为火电厂的设计使用年限；
公式(6)成立的假设条件为：
1)只考虑供水水库防洪可靠性对火电厂工程预期总收益的影响，不考虑其他的风险因素；
2)供水水库因洪水而毁坏时，不影响火电厂自身的防洪安全；
3)在火电厂的设计使用年限内，当供水水库因洪水而毁坏时，假设其不可修复，相应的改造费用损失殆尽；火电厂因此而失去水源，在剩余的预期使用年限内运行功能丧失、且不再恢复，火电厂全部资金价值损失殆尽，同时不考虑火电厂停运的间接损失；
4)在经济分析时段中的某年内，供水水库的运行状况只考虑两种可能性：(a)供水水库全年处于安全运行状态；(b)供水水库在某一时刻因洪水而毁坏，此时计算模型中该年的收益取为0。
步骤五：选取供水水库防洪标准：根据《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》要求，选取各安全级别所对应的目标可靠指标作为各方案相应的β值，计算各方案的En，按照经济收益最大化的原则，选取火电厂供水水库防洪标准和最优的加固改造方案。
以下结合一个工程实施例，对本发明中供水水库防洪标准的选取及加固改造方案的选择进行解释说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
取火电厂的资金价值A＝35亿元，各年的预期收益为Fj＝4亿元，在火电厂的设计使用年限内，投资回收率为i＝7.5％；火电厂的设计使用年限为30年(即n＝30)。水库的破坏形式为二类破坏(脆性破坏)，取ρe＝0.40。经过鉴定，向火 电厂供水的水库现有的结构安全级别为三级，剩余寿命为35年(m＝35)，相应的β＝3.2。如果进行加固改造，可以将结构安全级别提高到二级，剩余寿命为40年(m＝40)，相应的β＝3.7，相应的加固改造费用S＝1千万元。
(1)方案制定
基于上述已知条件，可制定如下两种方案：
方案一：直接利用现有水库作为火电厂的供水水源；
方案二：将水库加固改造后再作为火电厂的供水水源。
(2)计算分析
基于建立的数值模型，对这两种方案进行技术经济评价，可得：
方案一：由ρe＝0.40、m＝35、β＝3.2，可得：βe＝4.096、Pfe＝2.100×10-5；En＝106.91×108元。
方案二：由ρe＝0.40、m＝40、β＝3.7，可得：βe＝4.542、Pfe＝2.786×10-6；En＝106.26×108元。
(3)方案选取
a.根据技术经济评价的结果，方案一的En要大于方案二的En；因此，可优先选取方案一作为本工程的设计方案，不需要对水库进行加固改造。
b.如果其他条件不变，保证方案二的En与方案一相同，则可以求得其所需的加固改造费用为S＝258万元；这表明：在达到方案二的可靠性要求时，如果水库的加固改造费用≤258万元，则优先选取方案二所对应的“加固改造”方案；否则应选取方案一，即直接利用现有水库作为火电厂的供水水源，无需对其进行加固改造。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。