［德國］C.泰弗納茲 等

布隆迪擬從已確定的41處小水電開發(fā)壩址中預(yù)選出10處，旨在從技術(shù)、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟的角度進行研究比較，以確定4處最佳壩址。經(jīng)多次比選及可行性研究，對勝出的2個工程壩址進行詳細勘測。而后，對這2項擬建工程進行總的可行性研究，并根據(jù)其最終研究成果，開展工程的招標(biāo)設(shè)計及其標(biāo)書的編制。

基于總體規(guī)劃研究的已有設(shè)計，確定土木工程、金屬結(jié)構(gòu)和機電設(shè)備的費用。借助于軟件工具——水電成本計算(HPC)，在研究早期即確定最佳容量范圍:兩處最佳壩址吉吉(Jiji)和穆倫布韋(Mulembwe)的裝機容量分別為32.5 MW和17 MW。

這種由HPC軟件支持的逐步篩選法(見圖1)，可以確保從總體規(guī)劃備選工程中選擇最佳工程的過程省時省錢。目前，幾項工程已到了開發(fā)后期，有可能會吸引政府和私人投資，說明這種方法在布隆迪的運用獲得了成功，可作為其他小水電蘊藏量豐富的國家用以開發(fā)的模板。

1 能源現(xiàn)狀

目前，布隆迪共和國的經(jīng)濟發(fā)展受限于發(fā)電量和裝機容量。該國的電力需求量穩(wěn)定增長，但能源部門卻沒有對新裝機容量進行大規(guī)模投資，這使其電力供應(yīng)嚴重不足，估計缺少25 MW左右，預(yù)計在不久的將來供電將更加不足。世界銀行也承認這一事實，2011年6月，世行為此召開有該國各部門和大使館參與的圓桌會議。

圖1 開發(fā)小水電項目的逐步篩選法

為了滿足電力需求，1995年，布隆迪建設(shè)并運行了一座裝機為5.5 MW的柴油電站。然而，柴油需從肯尼亞蒙巴薩島進口，高昂的油價導(dǎo)致柴油發(fā)電的單位成本高于0.33美元/kW·h。因此，電站不能持續(xù)使用，不是長期的解決辦法。

目前，布隆迪的供電主要來自水力發(fā)電，其水電總裝機容量約為33 MW，全國年發(fā)電量約為110GW·h。大多數(shù)電站為徑流式，峰荷由裝機18 MW的中型電站魯韋古拉(Rwegura)發(fā)電，該電站由年調(diào)節(jié)水庫供水。此外，每年從魯濟濟(Ruzizi)河上的2座水電站進口約95 GW·h的電力，魯濟濟河是盧旺達和剛果民主共和國之間的界河。第1座電站，即魯濟濟1級電站，裝機容量為28 MW，屬于剛果民主共和國興業(yè)國家電力公司(SNEL)所有;第2座電站，即魯濟濟2級電站，裝機容量為42 MW，屬于由盧旺達、剛果和布隆迪3國組建的興業(yè)國際電力公司(SINELAC)所有。

為了減少對石油的依賴，增加國內(nèi)發(fā)電量，布隆迪國有企業(yè)雷吉德索(Regideso)采用逐步法對初步確定的一些潛在壩址進行了研究。在此基礎(chǔ)上，擬對20世紀80年代國家總體規(guī)劃中確定的10項水電工程進行開發(fā)。

本文對在該工作中采用的研究方法及其結(jié)果作了論述。從研究結(jié)果可以看出，該地區(qū)擁有巨大的水電蘊藏量。

2 水電蘊藏量

該國的大部分水電工程均位于西部，這里的自然地勢優(yōu)越，高原海拔可達2500m，而坦噶尼喀湖的海拔約為775 m，其間形成了相當(dāng)高的水頭。表1列出了水電總體規(guī)劃研究中確定的10項工程名稱及其主要初始技術(shù)－經(jīng)濟參數(shù)。

表1 10處壩址的主要技術(shù)－經(jīng)濟參數(shù)

10項入選工程的總裝機容量將近55 MW，估計年發(fā)電量為289 GW·h。該工程初始總投資為3.42 億美元。

工程項目包括徑流式、日調(diào)節(jié)水庫和蓄水式水電站。對于徑流式工程，裝機容量擬在Q95的基礎(chǔ)上確定;對于日調(diào)節(jié)和蓄水式工程，選擇2×Q95和Qm的倍數(shù)。大多數(shù)項目都設(shè)計有較長的水道，包括引水口、導(dǎo)水渠、導(dǎo)水管或隧洞和壓力管道，以便將水引到電站下游。

3 逐步篩選初選壩址

3.1 收集數(shù)據(jù)及確認工程特性

首先，收集所有的相關(guān)資料。對入選的10處壩址進行現(xiàn)場勘側(cè)，審查壩址條件、推薦的工程布局、各推薦工程與國家電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的可及性和可能性。

在工程開發(fā)早期，應(yīng)特別注意工程區(qū)的環(huán)境和社會狀況。因為該國的人口持續(xù)增長迫切需要耕地，而修建工程可能會淹沒耕地。因此，取消了其中的2項工程。

首次現(xiàn)場勘測時，將對所有的主要技術(shù)特征值進行復(fù)核。最重要的是確認水工建筑物的總體布置和各工程的建議水頭，以核實確切的裝機容量和平均年發(fā)電量。由顧問對技術(shù)數(shù)據(jù)，比如推薦的建筑物尺寸，大壩或水道的長度進行評估。所有的數(shù)據(jù)在現(xiàn)場協(xié)議中搜集。之后，借助于HPC，將收集的信息資料直接用作輸入數(shù)據(jù)，以修正工程成本。該軟件還可用于計算功率輸出以及工程的財務(wù)和經(jīng)濟參數(shù)。

3.2 修正工程成本

HPC軟件用于在預(yù)可行性研究和可行性研究階段估算工程布局的成本。用戶必須詳細說明水電站的各建筑物，比如大壩類型(堰、混凝土重力壩、堤壩)、水道(沉砂池、導(dǎo)水渠、隧道、壓力管道、豎井等)的結(jié)構(gòu)和各建筑物主要的基本幾何尺寸。對水文數(shù)據(jù)，如河谷的寬度、斜度等以及地理條件，將分為5級，用于入選單價。

圖2為確定工程成本的軟件結(jié)構(gòu)示意。

圖2 HPC軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)，軟件進行初步水力設(shè)計，得出水工建筑物的所有相關(guān)幾何尺寸、機電設(shè)備和水力金屬結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)。在水力設(shè)計的計算過程中，軟件也會對水道進行優(yōu)化，以減少工程的總造價。作為水頭和額定流量的函數(shù)，軟件會推薦合適的水輪機型;最后，根據(jù)所有的尺寸，確定土木結(jié)構(gòu)的工程量，并根據(jù)用戶確定的單價，來確定土木結(jié)構(gòu)的總成本。使用全球已建工程的統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫來計算機電和其他設(shè)備的費用。

工程總費用還包括意外開支和間接費用，如現(xiàn)場安裝、綜合服務(wù)、臨時工房等。根據(jù)用戶的要求，可采用間接費用。而且，運用軟件進行功率計算，還可以確定每個替代方案的初步經(jīng)濟和財務(wù)指標(biāo)。

3.3 前4項工程的篩選

根據(jù)社會－經(jīng)濟評估，以及技術(shù)和經(jīng)濟參數(shù)，可以做出首次選擇。然而，在多因素矩陣中，還應(yīng)額外考慮一些因素，如交通便利性、與國家電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的可能性以及水文數(shù)據(jù)的可靠性。

在調(diào)整矩陣的權(quán)衡結(jié)果時，應(yīng)將重點放在各工程的水資源蘊藏量及特殊費用上。對于4處壩址，社會－環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)是不可循的，因為其影響無法證明。整體評估允許選擇4處最佳壩址，即003號吉吉、034號穆倫布韋、020號開特和007號魯茲布。

在比較研究預(yù)選工程的過程中，可以明顯地看出總體規(guī)劃時沒有利用工程的最終蘊藏量。這主要是為了布隆迪的電氣化，研究選取的方法是確定高負荷時間長的工程。

然而，應(yīng)用該方法，不是在更經(jīng)濟的情況下利用固有的水資源蘊藏量。從流量過程曲線可以清楚地看出，更經(jīng)濟的設(shè)計流量是Q15～Q30，在該范圍內(nèi)，會使發(fā)電成本更低。

4 優(yōu)化工程

4.1 優(yōu)化過程

工程第2階段的目標(biāo)是核實各預(yù)選壩址水資源的實際蘊藏量。20世紀80年代的總體規(guī)劃是根據(jù)河流的永久流量Q95確定的水資源蘊藏量，Q95意味著在流量過程曲線上，流量有可能超過95%。既然總體規(guī)劃中確定的修建水電工程的目標(biāo)是為了實施農(nóng)村電氣化，那么這樣做是很正確的。

在優(yōu)化前，通過對壩址處的勘測和數(shù)據(jù)收集更新了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。開展了詳細的地形測繪工作，并對重要的現(xiàn)場水文工作進行了分析，以確定河流已有的流量特性曲線。此外，對整個工程區(qū)域的地質(zhì)狀況進行了測繪，用于評估地下廠房，為優(yōu)化水文、地形和地質(zhì)設(shè)計提供了新的基礎(chǔ)條件。

為了進行優(yōu)化，計算了各工程備選方案不同設(shè)計流量的造價。借助于軟件，為每個設(shè)計流量確定了各類建筑物的大小尺寸，比如引水口、沉砂池、引水道、壓力管道和廠房。應(yīng)該注意的是，工程各備選方案的一些造價，比如輸電線路、進場道路、開關(guān)站、導(dǎo)流工程等仍保持不變，且在每項水電樞紐工程的總造價中占了重要比重。

另外，運用軟件確定了不同設(shè)計流量的發(fā)電量。發(fā)電量的計算是基于10d的平均流量。計算考慮了河流應(yīng)一直保證的生態(tài)流量以及水道中由摩擦引起的水頭損失和各水工建筑物的局部損失。

將單位發(fā)電價格(美元/kW·h)在某一(最優(yōu))設(shè)計流量時的最小作為選擇評判優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)。

圖3為吉吉水電項目獲得的結(jié)果。

圖3 單位成本作為設(shè)計流量的函數(shù)

在這一實例中，在第1階段的初始設(shè)計時，設(shè)計流量為2.28 m3/s，可裝機7.5 MW。進行優(yōu)化后，新裝機容量增加到32.5 MW，最優(yōu)設(shè)計流量為9 m3/s。增加的裝機容量使電站的發(fā)電量增加了3倍。

4.2 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果表明，對大多數(shù)擬定壩址來說，新的工程裝機容量更大，真實的水電蘊藏量比總體規(guī)劃研究中確定的更高。以兩項最優(yōu)工程為例，水電蘊藏量分別從7.5 MW和5.4 MW增加到了32.5 MW和17 MW。這種結(jié)論是令人期待的。然而，通過優(yōu)化獲得的新裝機容量和水電蘊藏量卻令人驚訝，令工程有了新的希望和前景。

這兩項工程，在研究中是運用HPC設(shè)計和優(yōu)化，將使布隆迪的裝機容量翻番。兩項入選工程都位于布隆迪南部，這里以前發(fā)電量很少，因而它們的開發(fā)將為布隆迪共和國南部創(chuàng)建新的電力供應(yīng)源。

表2列出了4項預(yù)選工程的初始和優(yōu)化后的最終裝機容量及其發(fā)電量。

表2 優(yōu)化前后的參數(shù)對比

2011年10月，對布隆迪水資源開發(fā)前景開展了可行性研究。根據(jù)研究結(jié)果，確定對布隆迪南部的2處擬建壩址進行水資源開發(fā)，將進行精心設(shè)計。這2處擬建壩址屬國家電力公司所有，相隔很近，這使工程的基礎(chǔ)設(shè)施，如進場道路、輸電設(shè)施等，可以相互共享。2項工程的總裝機容量大約為50MW，發(fā)電量約為270GW·h。

5 結(jié)論和建議

本文所述的逐步篩選法適用于從水電工程群(如總體規(guī)劃)中開發(fā)工程。它創(chuàng)造了不同分析等級的“工程供應(yīng)”。在這種情況下，研究工作允許客戶有2項工程進行至可行性研究階段，因為這可以將潛在投資者的興趣聚焦到不久將來的實施上。雖然是在布隆迪開展的水電實例研究，但是也可以將其用于其他水電蘊藏量還未開發(fā)的發(fā)展中國家，也可能會成功地應(yīng)用于鄰國的水電研究中，如盧旺達、剛果或坦桑尼亞。這些國家的水文和地形條件非常類似。

研究表明，布隆迪的水資源實際蘊藏量被低估了，其水電蘊藏量可能超過300MW。優(yōu)化后，2處最優(yōu)工程的裝機容量總計可達50MW，而該容量是客戶選擇的10處擬建壩址的總裝機容量。10處壩址的潛在發(fā)電量估計將近290GW·h，所需投資為3.42億美元。2處入選和優(yōu)化的工程的發(fā)電量為270GW·h，而投資額僅為180億美元。表3總結(jié)了工程的初始和最終設(shè)計狀況。

表3 工程初始及最終設(shè)計參數(shù)對比

研究結(jié)果表明，根據(jù)發(fā)電量，布隆迪經(jīng)濟可行的水電蘊藏量很可能比總體規(guī)劃研究期間估計的蘊藏量高出2～3倍。為了證實這一推測，在考慮最小發(fā)電成本的前提下，很有必要對總體規(guī)劃研究所確定的工程參數(shù)進行修正。