[美國(guó)] N.帕金斯 等

奧爾登魚(yú)類(lèi)友好型水輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)評(píng)估

[美國(guó)] N.帕金斯 等

奧爾登水輪機(jī)被設(shè)計(jì)成可以使魚(yú)類(lèi)從水輪機(jī)順流洄游的安全通道，且無(wú)需裝設(shè)昂貴的柵網(wǎng)，自20世紀(jì)90年代末期以來(lái)，其技術(shù)已得到了各類(lèi)文獻(xiàn)的充分論述。美國(guó)電力研究所(EPRI)最近開(kāi)展了一項(xiàng)工程研究，著重于通過(guò)商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)設(shè)計(jì)來(lái)提高該項(xiàng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。介紹了項(xiàng)目的背景，對(duì)該魚(yú)類(lèi)友好型水輪機(jī)的效益進(jìn)行了評(píng)估，利用各種計(jì)算方法及模型試驗(yàn)對(duì)年發(fā)電量進(jìn)行了預(yù)估。

水輪機(jī)設(shè)計(jì);新機(jī)型;魚(yú)類(lèi)保護(hù);經(jīng)濟(jì)評(píng)估;美國(guó)

隨著全世界對(duì)可再生能源需求的日益增長(zhǎng)，水力發(fā)電所具有的對(duì)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(dòng)力。奧爾登水輪機(jī)，具有對(duì)魚(yú)類(lèi)順流洄游影響最小的優(yōu)勢(shì)，在美國(guó)能源部(DOE)的前“促進(jìn)水輪機(jī)計(jì)劃”研發(fā)的基礎(chǔ)上，最近EPRI對(duì)其開(kāi)展了進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)研究工作?；谶@些大量的工作，將奧爾登水輪機(jī)設(shè)計(jì)為魚(yú)類(lèi)通過(guò)水輪機(jī)時(shí)的順流洄游的安全通道，無(wú)需昂貴的柵網(wǎng)和旁道，同時(shí)又減少了魚(yú)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(jìng)爭(zhēng)力的水輪機(jī)設(shè)計(jì)，使過(guò)魚(yú)生存率與通過(guò)旁道或溢流的情形類(lèi)似甚至更佳。已完成的水輪機(jī)機(jī)械和電氣方面的設(shè)計(jì)，可以毫無(wú)困難地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的特殊工況，其成本與常規(guī)水輪機(jī)設(shè)計(jì)相差不大。

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

1 背 景

多年來(lái)，針對(duì)奧爾登水輪機(jī)開(kāi)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(kāi)展的合作研究，使奧爾登水輪機(jī)的性能特性得到了進(jìn)一步地提高，同時(shí)維持著對(duì)魚(yú)類(lèi)友好的特性。這一研究結(jié)果表明了對(duì)水輪機(jī)的初步設(shè)計(jì)實(shí)施商業(yè)化運(yùn)行的可行性。

最初的工程研究目標(biāo)是為了提供一個(gè)具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的水輪機(jī)，使過(guò)魚(yú)生存率相當(dāng)于或優(yōu)于旁道或溢流過(guò)魚(yú)的生存率。通過(guò)研究，水輪機(jī)部件的設(shè)計(jì)修改顯示，在選定的設(shè)計(jì)點(diǎn)上，水輪機(jī)效率幾乎提高到了94%，同時(shí)也提供了相同或稍許改善的魚(yú)類(lèi)生存特性。預(yù)計(jì)長(zhǎng)為200 mm的魚(yú)通過(guò)原型水輪機(jī)的生存率會(huì)超過(guò)98%。水輪機(jī)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(jì)的競(jìng)爭(zhēng)力比早期預(yù)計(jì)的有明顯的增強(qiáng)。

研究工作完成后，確定了商業(yè)應(yīng)用的供貨范圍和價(jià)格，價(jià)格約1 450美元/kW，供貨周期為28個(gè)月;該價(jià)格包括了水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制設(shè)備、電站設(shè)備的極限平衡、現(xiàn)場(chǎng)安裝和試運(yùn)行的所有費(fèi)用。不出所料，奧爾登水輪機(jī)的價(jià)格高出了常規(guī)的水輪機(jī)，因?yàn)槠涑叽巛^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(wèn)題,仍然沒(méi)有得到解答。

2 特定現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)電量分析

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

目前，在這座電站里有5臺(tái)混流式機(jī)組，如果要安裝奧爾登水輪機(jī)，則由于其尺寸較大可能需對(duì)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(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及被推薦的奧爾登機(jī)組的廠家模型,來(lái)研制調(diào)度表和預(yù)測(cè)不同流量工況下的發(fā)電量。根據(jù)USGS水文測(cè)站獲取的日流量數(shù)據(jù)，利用調(diào)度表預(yù)測(cè)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(tái)機(jī)組(13.6 kW)，不管水輪機(jī)是什么類(lèi)型，只需要所有6臺(tái)機(jī)組在滿(mǎn)負(fù)荷條件下運(yùn)行時(shí)間的20%。在有據(jù)可查的流量工況下，本文簡(jiǎn)要說(shuō)明了對(duì)擴(kuò)建或不擴(kuò)建奧爾登水輪機(jī)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(zhǎng)390.1 m、高4.8 m的混凝土大壩；

(2) 1條長(zhǎng)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(zhǎng)1 341 m的發(fā)電廊道；

(5) 1間下游船閘室；

(6) 1條下游魚(yú)道；

(7) 5條壓力鋼管；

(8) 1間容納5臺(tái)發(fā)電機(jī)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(dòng)范圍為0.15 m。作為最近更新的美國(guó)聯(lián)邦能源管理委員會(huì)(FERC)許可證調(diào)解協(xié)議的一部分，假設(shè)機(jī)組一次性全部啟動(dòng)，那么停機(jī)時(shí)先停1號(hào)機(jī)，接著是2號(hào)，以此類(lèi)推。這種發(fā)電程序可以將魚(yú)類(lèi)吸引到隧道南側(cè)的導(dǎo)魚(yú)建筑物內(nèi)。借助于發(fā)電模型,對(duì)當(dāng)前和未來(lái)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(shí)間步長(zhǎng)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(yú)道的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效率確定的最終數(shù)值。

(2) 增加魚(yú)類(lèi)友好型水輪機(jī)。與基準(zhǔn)工況相同的流量約束條件，且由于奧爾登水輪機(jī)成為魚(yú)道，預(yù)計(jì)無(wú)需過(guò)魚(yú)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(jī)性能特性曲線用于適配3 000多個(gè)函數(shù)與數(shù)據(jù)集。曲線適配軟件可提供評(píng)審模型不確定性的統(tǒng)計(jì)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(jì)量(固定指數(shù)),均被用于對(duì)每個(gè)函數(shù)進(jìn)行排序。

一旦確定了特性曲線，就可以開(kāi)發(fā)出最優(yōu)解決方案的數(shù)據(jù)庫(kù)。將該實(shí)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(shí)的流量以及最佳機(jī)組負(fù)荷。開(kāi)發(fā)了2個(gè)電站模型，第1個(gè)模型只是基于“基準(zhǔn)”的已建機(jī)組，第2個(gè)模型是在基準(zhǔn)機(jī)組之外增加了奧爾登機(jī)組。

2.4 年發(fā)電量計(jì)算

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

3 巖土工程成本分析

與常規(guī)水輪機(jī)相比，在設(shè)計(jì)方面,奧爾登水輪機(jī)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是電站尾水管的布置。根據(jù)迄今完成的工程設(shè)計(jì)結(jié)果，在該項(xiàng)工程中,奧爾登水輪機(jī)的布置將高于尾水管1.5 m，而轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)將會(huì)低5 m，常規(guī)混流式水輪機(jī)布置高為0.5 m。奧爾登水輪機(jī)布置高程高于尾水管，意味著安裝所需的開(kāi)挖量的顯著下降。在此次研究中，對(duì)奧爾登水輪機(jī)與轉(zhuǎn)槳式和混流式水輪機(jī)有關(guān)開(kāi)挖的土建工程費(fèi)用進(jìn)行了比較,并對(duì)比較結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

雖然奧爾登水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪布置比混流式轉(zhuǎn)輪高(1 m)，但混流式機(jī)組的尺寸小，彌補(bǔ)了高度的變化。預(yù)計(jì)的巖石開(kāi)挖量及費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)表2。

4 方案設(shè)計(jì)和全部費(fèi)用

已對(duì)工程開(kāi)展了初步設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要對(duì)奧爾登、轉(zhuǎn)槳式和混流式水輪機(jī)以及相關(guān)土建工程和費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)對(duì)已有信息的復(fù)審,完成了初步設(shè)計(jì)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(jì)方案。在初步設(shè)計(jì)過(guò)程中，還提出了相關(guān)的運(yùn)行和維護(hù)方案。在復(fù)審時(shí)，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(yùn)行成本。

5 成本分析及投資回報(bào)

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

為便于做對(duì)比，還完成了投資回報(bào)分析。對(duì)通過(guò)計(jì)算上述發(fā)電量所獲得的數(shù)據(jù)信息以及對(duì)電價(jià)進(jìn)行假設(shè)(0.05美元/kW·h)后的情況開(kāi)展了分析，

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

投資回報(bào)分析結(jié)果如下。

(1) 13.6 MW的奧爾登水輪機(jī)為19 a；

(2) 13.6 MW的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)為18 a；

(3) 13.6 MW的混流式水輪機(jī)為16 a。

6 結(jié) 論

平均來(lái)說(shuō)，基于計(jì)算已建機(jī)組的基準(zhǔn)發(fā)電量，確定的現(xiàn)有機(jī)組的年發(fā)電量為188 848 MW·h。在研制調(diào)度表時(shí)，使用了優(yōu)化算法，因?yàn)闅v史數(shù)據(jù)和模型預(yù)測(cè)結(jié)果存在著很大的不同。在對(duì)基準(zhǔn)情況與預(yù)期發(fā)電結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)，模型預(yù)測(cè)的奧爾登水輪機(jī)的年發(fā)電量為35 905 MW·h。

概念性的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、土建工程設(shè)計(jì)和費(fèi)用分析的關(guān)鍵點(diǎn)如下：

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

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

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

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

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

(劉 明 譚麗華 編譯)

2014-12-27

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