王夢(mèng)琦
(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴陽,550002)
輸水工程線長、面廣、點(diǎn)多且分散,各類不同作用的閘(閥)門品種、數(shù)量繁多,這些閘(閥)門能否安全可靠運(yùn)行,直接關(guān)系著城鄉(xiāng)廣大居民的生活用水以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水安全問題。水利工程輸水工程往往位于人煙稀少的偏遠(yuǎn)山區(qū),交通不便,用電設(shè)備的電力供應(yīng)一直是一個(gè)比較普遍的困擾問題。沿線用電設(shè)備多但負(fù)荷小,使用頻次低,單次運(yùn)行時(shí)間短,用電量小,但對(duì)工程設(shè)備運(yùn)行的保證率要求高,相應(yīng)對(duì)設(shè)備的供電電源的保證率要求較高。長期以來,輸水工程閘(閥)門啟閉所需電力大都是從周邊電網(wǎng)接入并通過遠(yuǎn)距離架設(shè)輸電線路來提供,線路長、占地多,不僅工期長、造價(jià)高,工程運(yùn)行管理難度大,運(yùn)行費(fèi)用高。輸電線路受冰雨、雷電等惡劣天氣影響較大,供電可靠性低,為此大都采用移動(dòng)式柴油發(fā)電機(jī)作備用電源,其體積、重量較大,運(yùn)輸不便。針對(duì)輸水工程閘(閥)門的使用及負(fù)荷特點(diǎn),風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能系統(tǒng)可有效解決以上問題,符合建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會(huì)的時(shí)代發(fā)展需要。
風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能系統(tǒng)是一種將光能和風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,共用一套送變電設(shè)備,可為遠(yuǎn)離電網(wǎng)覆蓋的地區(qū)提供低成本、高可靠性且不會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境的獨(dú)立供電系統(tǒng)。其彌補(bǔ)了風(fēng)能與太陽能獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)在資源上的不平衡性、不穩(wěn)定性,可實(shí)現(xiàn)晝夜互補(bǔ)(白天太陽能發(fā)電,夜晚風(fēng)能發(fā)電)、季節(jié)互補(bǔ)(夏秋季日照強(qiáng)烈,冬春季風(fēng)能強(qiáng)盛),供電穩(wěn)定可靠。風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能系統(tǒng)采用直流低壓供電,運(yùn)行安全維護(hù)簡單。自發(fā)自用獨(dú)立供電,無需修建變電站、架設(shè)高低壓線路等工程,在保證供電可靠性的同時(shí)可大幅降低工程造價(jià),不僅設(shè)備安裝費(fèi)用低,而且后期維護(hù)費(fèi)用低,極大地減少了工程運(yùn)行成本。其建設(shè)不受地域環(huán)境限制,占地少,節(jié)能環(huán)保。
黃家灣水利樞紐工程位于貴州省安順市紫云縣,工程主要任務(wù)是以城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主并結(jié)合發(fā)電。工程規(guī)模為大(2)型,水庫總庫容1.572億m3,多年平均供水量為9321萬m3。輸水工程由1條干渠、3條支渠及3條輸管線組成,全長115.5km。干、支渠及管線布置各類閘(閥)門500多個(gè),各渠道上采用電動(dòng)控制的閘門,裝機(jī)容量小(5.5kW~7.5kW),布置分散,設(shè)備用電電壓0.4kV。設(shè)計(jì)對(duì)各類不同用途的閘、閥門,考慮了設(shè)計(jì)水平年正常運(yùn)行和非正常供水工況,進(jìn)行了操作頻次(半個(gè)月、3個(gè)月、半年1次,或備用,或持續(xù)等)分析,通過現(xiàn)場采集測試試驗(yàn)、設(shè)備選型試驗(yàn)及各類模擬試驗(yàn)、實(shí)測試驗(yàn)等,從供電可靠性、施工安裝、閘門(閥門)控制、運(yùn)行管理、檢修維護(hù)及故障率等方面進(jìn)行方案比較,確定了最終的風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。對(duì)輸水工程風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能系統(tǒng)與傳統(tǒng)交流供電系統(tǒng)進(jìn)行了工程建設(shè)投資、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的對(duì)比分析。
交流供電方案設(shè)備安裝費(fèi)用7087.2萬元(其中,設(shè)備費(fèi)2784.7萬元、安裝費(fèi)4302.5萬元);風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能系統(tǒng)方案設(shè)備安裝費(fèi)用2746.5萬元,較交流供電方案減少4340.7萬元,減少了約61%。
表1 工程建設(shè)投資對(duì)比
根據(jù)《水利水電工程合理使用年限及耐久設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 654-2014),本輸水工程永久性水工建筑物的合理使用年限為30年,因此本項(xiàng)目按30年使用壽命測算工程運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用?,F(xiàn)階段本工程灌區(qū)全部輸電線路費(fèi)用總共為1412.354萬元,主變費(fèi)用總共為99萬元,根據(jù)《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(電氣一次部分)第21頁表1-20,取輸電線路年折舊維修率7%,取主變年折舊維修率14%,故傳統(tǒng)交流供電的年運(yùn)行費(fèi)用為112.73萬元,傳統(tǒng)交流供電30年的運(yùn)行費(fèi)為3381.75萬元。
經(jīng)測算分析,交流供電系統(tǒng)方案運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用3815.77萬元(其中,電費(fèi)303.14萬元、折舊維修費(fèi)3381.75萬元、通信費(fèi)130.88萬元);風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能系統(tǒng)方案運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用1531.74萬元,較交流供電方案減少2284.03萬元,減少約60%。
表2 工程運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用對(duì)比
夾巖水利樞紐及黔西北供水工程涉及畢節(jié)、遵義兩個(gè)地級(jí)市,工程主要任務(wù)是以供水、灌溉為主并結(jié)合發(fā)電。工程規(guī)模為大(1)型,水庫總庫容13.23億m3,多年平均供水量為6.88億m3,電站總裝機(jī)容量90MW,多年發(fā)電量2.2億kW·h。輸水工程由畢大供水工程及6條干渠、16條支渠組成,全長408.95km。
交流供電方案設(shè)備安裝費(fèi)用7823.17萬元(其中,設(shè)備費(fèi)2184.74萬元、安裝費(fèi)5638.43萬元);風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能系統(tǒng)方案設(shè)備安裝費(fèi)用1887.71萬元(其中,設(shè)備費(fèi)1662.49萬元、安裝費(fèi)225.22萬元),較交流供電方案減少5935.46萬元,減少約76%。
表3 工程建設(shè)投資對(duì)比
本項(xiàng)目按30年使用壽命測算工程運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。
經(jīng)測算分析,交流供電系統(tǒng)方案運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用3553萬元(其中,電費(fèi)201萬元、折舊維修費(fèi)3214萬元、通信費(fèi)138萬元);風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能系統(tǒng)方案運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用1684萬元,較交流供電方案減少1868.55萬元,減少約53%。
對(duì)黃家灣水利樞紐工程風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場試點(diǎn)試驗(yàn),通過現(xiàn)場充電性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,太陽能光伏充電效果可達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期,且在電池組配置較大的情況下,充電時(shí)間均在4~5天內(nèi)充滿。單晶硅太陽能板光電轉(zhuǎn)化率高、性能可靠穩(wěn)定,期間在陰雨天氣、弱光環(huán)境下也可發(fā)電。風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際用電負(fù)荷情況和資源條件進(jìn)行系統(tǒng)容量的合理配置,保證了系統(tǒng)供電的可靠性。
通過現(xiàn)場各類金結(jié)設(shè)備的負(fù)載性能試驗(yàn),可直觀地看到直流電機(jī)的負(fù)載特性很優(yōu)良。在空載啟動(dòng)時(shí)電流很低,逐步增加負(fù)載過程中電流呈線性變化,且通過帶載啟動(dòng)試驗(yàn)可直觀地看到直流電機(jī)具備降速滿載啟動(dòng)特性,非常適合閘(閥)門的變動(dòng)負(fù)載特性,帶載啟動(dòng)特性可最大程度減少對(duì)閘(閥)門機(jī)械沖擊,這是交流電機(jī)無法比擬的。直流電動(dòng)裝置采用智能一體化結(jié)構(gòu),具備液晶顯示的人機(jī)交互界面,可直接在現(xiàn)場電動(dòng)和手輪手動(dòng)進(jìn)行操作,手電兩用非常方便,還可切換到遠(yuǎn)程控制模式,控制集成化程度較高。
隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,對(duì)水利工程設(shè)計(jì)運(yùn)行的安全可靠度以及自動(dòng)化程度的要求越來越高。針對(duì)水利工程長距離輸水線路閘(閥)門數(shù)量多、布置分散、容量小且使用頻率低的特點(diǎn),風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅可大幅降低工程建設(shè)和運(yùn)營成本,有效避免了山區(qū)遠(yuǎn)距離架設(shè)輸變電的施工、運(yùn)行檢修維護(hù)難度和風(fēng)險(xiǎn),以及長距離輸配電線路因冰雹等自然災(zāi)害可能導(dǎo)致的斷電等工程風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)一步提高了供電的安全性、可靠性,進(jìn)而提高了工程運(yùn)行的安全性和可靠性。風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能系統(tǒng)施工安裝簡便快捷,施工周期大幅度縮短,大量減少了工程建設(shè)占地,有利于環(huán)境保護(hù)和水土保持。風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)極大地推進(jìn)了水利工程的控制水平,從規(guī)范化、科學(xué)化、智能化等方面改善和提高了工程的管理水平,社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生態(tài)效益明顯,值得在水利工程以及其他類似的工程建設(shè)中推廣應(yīng)用,發(fā)展前景廣闊。