[美國] N.帕金斯 等

奧爾登魚類友好型水輪機的經(jīng)濟(jì)評估

[美國] N.帕金斯 等

奧爾登水輪機被設(shè)計成可以使魚類從水輪機順流洄游的安全通道，且無需裝設(shè)昂貴的柵網(wǎng)，自20世紀(jì)90年代末期以來，其技術(shù)已得到了各類文獻(xiàn)的充分論述。美國電力研究所(EPRI)最近開展了一項工程研究，著重于通過商業(yè)競爭設(shè)計來提高該項技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。介紹了項目的背景，對該魚類友好型水輪機的效益進(jìn)行了評估，利用各種計算方法及模型試驗對年發(fā)電量進(jìn)行了預(yù)估。

水輪機設(shè)計;新機型;魚類保護(hù);經(jīng)濟(jì)評估;美國

隨著全世界對可再生能源需求的日益增長，水力發(fā)電所具有的對環(huán)境產(chǎn)生的影響最小這一特性,成為其可持續(xù)發(fā)展的驅(qū)動力。奧爾登水輪機，具有對魚類順流洄游影響最小的優(yōu)勢，在美國能源部(DOE)的前“促進(jìn)水輪機計劃”研發(fā)的基礎(chǔ)上，最近EPRI對其開展了進(jìn)一步的開發(fā)研究工作。基于這些大量的工作，將奧爾登水輪機設(shè)計為魚類通過水輪機時的順流洄游的安全通道，無需昂貴的柵網(wǎng)和旁道，同時又減少了魚道溢流的發(fā)電損失。

最新完成的工程研究，旨在提供具有商業(yè)競爭力的水輪機設(shè)計，使過魚生存率與通過旁道或溢流的情形類似甚至更佳。已完成的水輪機機械和電氣方面的設(shè)計，可以毫無困難地適應(yīng)現(xiàn)場的特殊工況，其成本與常規(guī)水輪機設(shè)計相差不大。

為了完善2011年的研究成果，2012年完成了測試，對奧爾登水輪機與常規(guī)水輪機的設(shè)計費用進(jìn)行了比較和審查,估算的全部工程費用中，包括了2011年研究中未計算在內(nèi)的土木工程相關(guān)費用。測試結(jié)果證明，安裝奧爾登水輪機的全部工程費用與安裝常規(guī)水輪機的相當(dāng)，而且，如果只比較水輪機和附屬設(shè)備成本，并無明顯差異。

1 背 景

多年來，針對奧爾登水輪機開展了大量的研究工作，在此不再贅述2011年以前已完成的研究成果。2011年，EPRI、DOE和行業(yè)開展的合作研究，使奧爾登水輪機的性能特性得到了進(jìn)一步地提高，同時維持著對魚類友好的特性。這一研究結(jié)果表明了對水輪機的初步設(shè)計實施商業(yè)化運行的可行性。

最初的工程研究目標(biāo)是為了提供一個具有價格競爭力的水輪機，使過魚生存率相當(dāng)于或優(yōu)于旁道或溢流過魚的生存率。通過研究，水輪機部件的設(shè)計修改顯示，在選定的設(shè)計點上，水輪機效率幾乎提高到了94%，同時也提供了相同或稍許改善的魚類生存特性。預(yù)計長為200 mm的魚通過原型水輪機的生存率會超過98%。水輪機的這些改造措施還被選中用于降低制造和供貨的成本，這樣就使設(shè)計的競爭力比早期預(yù)計的有明顯的增強。

研究工作完成后，確定了商業(yè)應(yīng)用的供貨范圍和價格，價格約1 450美元/kW，供貨周期為28個月;該價格包括了水輪機、發(fā)電機、控制設(shè)備、電站設(shè)備的極限平衡、現(xiàn)場安裝和試運行的所有費用。不出所料，奧爾登水輪機的價格高出了常規(guī)的水輪機，因為其尺寸較大，轉(zhuǎn)速也低了40%。然而，關(guān)于節(jié)省的溢流或旁通流量的潛在發(fā)電收益與投資相比的問題,仍然沒有得到解答。

2 特定現(xiàn)場的發(fā)電量分析

一家美國公共事業(yè)公司正在考慮對一座電站擴(kuò)建,擬將水輪機替換成魚類友好型水輪機，以提高魚類洄游生存率。奧爾登水輪機將作為一個幾乎全深度的順流魚道，且可產(chǎn)生比現(xiàn)有魚道大得多的誘導(dǎo)水流(相對于9.4 m3/s,為42.5 m3/s)。

目前，在這座電站里有5臺混流式機組，如果要安裝奧爾登水輪機，則由于其尺寸較大可能需對現(xiàn)有廠房進(jìn)行擴(kuò)建。借助于20世紀(jì)90年代早期獲得的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)以及被推薦的奧爾登機組的廠家模型,來研制調(diào)度表和預(yù)測不同流量工況下的發(fā)電量。根據(jù)USGS水文測站獲取的日流量數(shù)據(jù)，利用調(diào)度表預(yù)測了平均年發(fā)電量,數(shù)據(jù)包括1950年9月25日到2010年9月25日的平均日流量。

河流的歷史流量數(shù)據(jù)表明，擴(kuò)建的第6臺機組(13.6 kW)，不管水輪機是什么類型，只需要所有6臺機組在滿負(fù)荷條件下運行時間的20%。在有據(jù)可查的流量工況下，本文簡要說明了對擴(kuò)建或不擴(kuò)建奧爾登水輪機所估算的預(yù)期年均發(fā)電量。

2.1 工程概述

目前的工程由以下設(shè)施構(gòu)成。

(1) 1座長390.1 m、高4.8 m的混凝土大壩；

(2) 1條長97.5 m的鋼筋混凝土抗冰碰墊；

(3) 1間上游船閘室；

(4) 1條長1 341 m的發(fā)電廊道；

(5) 1間下游船閘室；

(6) 1條下游魚道；

(7) 5條壓力鋼管；

(8) 1間容納5臺發(fā)電機組的發(fā)電廠房；

(9) 1座變電站。

2.2 研究條件

電站為徑流式，其壩頂下的前池水位正常波動范圍為0.15 m。作為最近更新的美國聯(lián)邦能源管理委員會(FERC)許可證調(diào)解協(xié)議的一部分，假設(shè)機組一次性全部啟動，那么停機時先停1號機，接著是2號，以此類推。這種發(fā)電程序可以將魚類吸引到隧道南側(cè)的導(dǎo)魚建筑物內(nèi)。借助于發(fā)電模型,對當(dāng)前和未來的流量作如下分配。

(1) 基準(zhǔn)工況。根據(jù)最近更新的FERC許可證，此次研究使用表1中列出的約束條件。

注：*日均跌水的美學(xué)流量為8.176 m3/s,由于仿真使用的時間步長是1 d，研究使用加權(quán)平均流量,加權(quán)平均包括夏季月份24 h周期內(nèi)白天與夜晚的比率;14 m3/s是白天的流量需求。**根據(jù)已建順流魚道的現(xiàn)場測試效率確定的最終數(shù)值。

(2) 增加魚類友好型水輪機。與基準(zhǔn)工況相同的流量約束條件，且由于奧爾登水輪機成為魚道，預(yù)計無需過魚流量。

2.3 模 型

利用最小平方方法和其他魯棒技術(shù)，以使水輪機性能特性曲線用于適配3 000多個函數(shù)與數(shù)據(jù)集。曲線適配軟件可提供評審模型不確定性的統(tǒng)計指標(biāo)。除了R2值(確定系數(shù))外，殘差、曲線的標(biāo)準(zhǔn)誤差和F統(tǒng)計量(固定指數(shù)),均被用于對每個函數(shù)進(jìn)行排序。

一旦確定了特性曲線，就可以開發(fā)出最優(yōu)解決方案的數(shù)據(jù)庫。將該實例的最優(yōu)方案定義為給定流量下電站的發(fā)電量最大。根據(jù)最優(yōu)方案制定調(diào)度表，可以量化電站每下泄2.8 m3/s時的流量以及最佳機組負(fù)荷。開發(fā)了2個電站模型，第1個模型只是基于“基準(zhǔn)”的已建機組，第2個模型是在基準(zhǔn)機組之外增加了奧爾登機組。

2.4 年發(fā)電量計算

根據(jù)所計算的已建機組的基準(zhǔn)發(fā)電量，即可以確定現(xiàn)有機組的年均發(fā)電量為188 848 MW·h。在對基準(zhǔn)發(fā)電量與預(yù)期發(fā)電量進(jìn)行比較時，模型預(yù)測的奧爾登水輪機機組的年發(fā)電量為35 905 MW·h。60 a的來水量數(shù)據(jù)表明,年來水量的變化在減小，可以較好地預(yù)測長期發(fā)電量。

3 巖土工程成本分析

與常規(guī)水輪機相比，在設(shè)計方面,奧爾登水輪機的一個顯著特點是電站尾水管的布置。根據(jù)迄今完成的工程設(shè)計結(jié)果，在該項工程中,奧爾登水輪機的布置將高于尾水管1.5 m，而轉(zhuǎn)槳式水輪機將會低5 m，常規(guī)混流式水輪機布置高為0.5 m。奧爾登水輪機布置高程高于尾水管，意味著安裝所需的開挖量的顯著下降。在此次研究中，對奧爾登水輪機與轉(zhuǎn)槳式和混流式水輪機有關(guān)開挖的土建工程費用進(jìn)行了比較,并對比較結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

雖然奧爾登水輪機的轉(zhuǎn)輪布置比混流式轉(zhuǎn)輪高(1 m)，但混流式機組的尺寸小，彌補了高度的變化。預(yù)計的巖石開挖量及費用對比見表2。

4 方案設(shè)計和全部費用

已對工程開展了初步設(shè)計，在設(shè)計過程中,需要對奧爾登、轉(zhuǎn)槳式和混流式水輪機以及相關(guān)土建工程和費用進(jìn)行對比。通過對已有信息的復(fù)審,完成了初步設(shè)計工作，在考慮土建工程、施工技術(shù)及進(jìn)度安排、材料和利用預(yù)裝配部件的能力的基礎(chǔ)上，確定了最可行的設(shè)計方案。在初步設(shè)計過程中，還提出了相關(guān)的運行和維護(hù)方案。在復(fù)審時，考慮了福伊特水電公司的投入，公司提出了各種有效的建議,以最大程度地減少維護(hù)和運行成本。

5 成本分析及投資回報

除了上述討論的巖土開挖費用之外，還對相關(guān)設(shè)備安裝和建筑施工的其他一些土建工程費用進(jìn)行了估算。全部費用見表3。

為便于做對比，還完成了投資回報分析。對通過計算上述發(fā)電量所獲得的數(shù)據(jù)信息以及對電價進(jìn)行假設(shè)(0.05美元/kW·h)后的情況開展了分析，

注：*整套機械裝置包括水輪機、發(fā)電機以及配件結(jié)構(gòu)。

投資回報分析結(jié)果如下。

(1) 13.6 MW的奧爾登水輪機為19 a；

(2) 13.6 MW的轉(zhuǎn)槳式水輪機為18 a；

(3) 13.6 MW的混流式水輪機為16 a。

6 結(jié) 論

平均來說，基于計算已建機組的基準(zhǔn)發(fā)電量，確定的現(xiàn)有機組的年發(fā)電量為188 848 MW·h。在研制調(diào)度表時，使用了優(yōu)化算法，因為歷史數(shù)據(jù)和模型預(yù)測結(jié)果存在著很大的不同。在對基準(zhǔn)情況與預(yù)期發(fā)電結(jié)果進(jìn)行比較時，模型預(yù)測的奧爾登水輪機的年發(fā)電量為35 905 MW·h。

概念性的現(xiàn)場作業(yè)、土建工程設(shè)計和費用分析的關(guān)鍵點如下：

(1) 安裝奧爾登水輪機比安裝轉(zhuǎn)槳式水輪機所需的巖土開挖量小(17%)，稍大于安裝混流式水輪機(9%)。

(2) 安裝奧爾登水輪機的全部土建工程費用要低于安置轉(zhuǎn)槳式水輪機(12%)，稍高于混流式水輪機(3%)。

(3) 包括整套機械裝置在內(nèi)的全部費用，安裝奧爾登水輪機比安裝轉(zhuǎn)槳式和混流式水輪機的都要高，分別高10%和20%。

然而，只對比機械裝置(與轉(zhuǎn)槳式相比是35%，與混流式相比是40%)時，土建工程所需費用的差異明顯減少， 對于該工程,安裝任何類型的水輪機,其投資回報都至少需要16 a。

(4) 除了緩解魚類順流而下的保護(hù)需求外，該水輪機的最大價值在于可以提高洄游魚類順流而下的生存率。

(劉 明 譚麗華 編譯)

2014-12-27

運行與管理

1006-0081(2015)02-0026-03

TK73

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