布隆迪小水電工程開發方案研究

［德國］C.泰弗納茲 等

布隆迪擬從已確定的41處小水電開發壩址中預選出10處，旨在從技術、生態環境和經濟的角度進行研究比較，以確定4處最佳壩址。經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，并根據其最終研究成果，開展工程的招標設計及其標書的編制。

基于總體規劃研究的已有設計，確定土木工程、金屬結構和機電設備的費用。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的模板。

1 能源現狀

目前，布隆迪共和國的經濟發展受限于發電量和裝機容量。該國的電力需求量穩定增長，但能源部門卻沒有對新裝機容量進行大規模投資，這使其電力供應嚴重不足，估計缺少25 MW左右，預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，高昂的油價導致柴油發電的單位成本高于0.33美元/kW·h。因此，電站不能持續使用，不是長期的解決辦法。

目前，布隆迪的供電主要來自水力發電，其水電總裝機容量約為33 MW，全國年發電量約為110GW·h。大多數電站為徑流式，峰荷由裝機18 MW的中型電站魯韋古拉(Rwegura)發電，該電站由年調節水庫供水。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國組建的興業國際電力公司(SINELAC)所有。

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

本文對在該工作中采用的研究方法及其結果作了論述。從研究結果可以看出，該地區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，其間形成了相當高的水頭。表1列出了水電總體規劃研究中確定的10項工程名稱及其主要初始技術－經濟參數。

表1 10處壩址的主要技術－經濟參數

10項入選工程的總裝機容量將近55 MW，估計年發電量為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、日調節水庫和蓄水式水電站。對于徑流式工程，裝機容量擬在Q95的基礎上確定;對于日調節和蓄水式工程，選擇2×Q95和Qm的倍數。大多數項目都設計有較長的水道，包括引水口、導水渠、導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 收集數據及確認工程特性

首先，收集所有的相關資料。對入選的10處壩址進行現場勘側，審查壩址條件、推薦的工程布局、各推薦工程與國家電網聯網的可及性和可能性。

在工程開發早期，應特別注意工程區的環境和社會狀況。因為該國的人口持續增長迫切需要耕地，而修建工程可能會淹沒耕地。因此，取消了其中的2項工程。

首次現場勘測時，將對所有的主要技術特征值進行復核。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電量。由顧問對技術數據，比如推薦的建筑物尺寸，大壩或水道的長度進行評估。所有的數據在現場協議中搜集。之后，借助于HPC，將收集的信息資料直接用作輸入數據，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和經濟參數。

3.2 修正工程成本

HPC軟件用于在預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、導水渠、隧道、壓力管道、豎井等)的結構和各建筑物主要的基本幾何尺寸。對水文數據，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構示意。

圖2 HPC軟件結構

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

工程總費用還包括意外開支和間接費用，如現場安裝、綜合服務、臨時工房等。根據用戶的要求，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濟和財務指標。

3.3 前4項工程的篩選

根據社會－經濟評估，以及技術和經濟參數，可以做出首次選擇。然而，在多因素矩陣中，還應額外考慮一些因素，如交通便利性、與國家電網聯網的可能性以及水文數據的可靠性。

在調整矩陣的權衡結果時，應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－環境標準是不可循的，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。

在比較研究預選工程的過程中，可以明顯地看出總體規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，應用該方法，不是在更經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，更經濟的設計流量是Q15～Q30，在該范圍內，會使發電成本更低。

4 優化工程

4.1 優化過程

工程第2階段的目標是核實各預選壩址水資源的實際蘊藏量。20世紀80年代的總體規劃是根據河流的永久流量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%。既然總體規劃中確定的修建水電工程的目標是為了實施農村電氣化，那么這樣做是很正確的。

在優化前，通過對壩址處的勘測和數據收集更新了基礎數據。開展了詳細的地形測繪工作，并對重要的現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，對整個工程區域的地質狀況進行了測繪，用于評估地下廠房，為優化水文、地形和地質設計提供了新的基礎條件。

為了進行優化，計算了各工程備選方案不同設計流量的造價。借助于軟件，為每個設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、開關站、導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計流量的發電量。發電量的計算是基于10d的平均流量。計算考慮了河流應一直保證的生態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。

將單位發電價格(美元/kW·h)在某一(最優)設計流量時的最小作為選擇評判優化的標準。

圖3為吉吉水電項目獲得的結果。

圖3 單位成本作為設計流量的函數

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

4.2 優化結果

優化結果表明，對大多數擬定壩址來說，新的工程裝機容量更大，真實的水電蘊藏量比總體規劃研究中確定的更高。以兩項最優工程為例，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。這種結論是令人期待的。然而，通過優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設計和優化，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，這里以前發電量很少，因而它們的開發將為布隆迪共和國南部創建新的電力供應源。

表2列出了4項預選工程的初始和優化后的最終裝機容量及其發電量。

表2 優化前后的參數對比

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

5 結論和建議

本文所述的逐步篩選法適用于從水電工程群(如總體規劃)中開發工程。它創造了不同分析等級的“工程供應”。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的發展中國家，也可能會成功地應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。優化后，2處最優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處壩址的潛在發電量估計將近290GW·h，所需投資為3.42億美元。2處入選和優化的工程的發電量為270GW·h，而投資額僅為180億美元。表3總結了工程的初始和最終設計狀況。

表3 工程初始及最終設計參數對比

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