奧爾登魚類友好型水輪機的經濟評估

[美國] N.帕金斯 等

奧爾登魚類友好型水輪機的經濟評估

[美國] N.帕金斯 等

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

水輪機設計;新機型;魚類保護;經濟評估;美國

隨著全世界對可再生能源需求的日益增長，水力發電所具有的對環境產生的影響最小這一特性,成為其可持續發展的驅動力。奧爾登水輪機，具有對魚類順流洄游影響最小的優勢，在美國能源部(DOE)的前“促進水輪機計劃”研發的基礎上，最近EPRI對其開展了進一步的開發研究工作。基于這些大量的工作，將奧爾登水輪機設計為魚類通過水輪機時的順流洄游的安全通道，無需昂貴的柵網和旁道，同時又減少了魚道溢流的發電損失。

最新完成的工程研究，旨在提供具有商業競爭力的水輪機設計，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計，可以毫無困難地適應現場的特殊工況，其成本與常規水輪機設計相差不大。

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水輪機的設計費用進行了比較和審查,估算的全部工程費用中，包括了2011年研究中未計算在內的土木工程相關費用。測試結果證明，安裝奧爾登水輪機的全部工程費用與安裝常規水輪機的相當，而且，如果只比較水輪機和附屬設備成本，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和行業開展的合作研究，使奧爾登水輪機的性能特性得到了進一步地提高，同時維持著對魚類友好的特性。這一研究結果表明了對水輪機的初步設計實施商業化運行的可行性。

最初的工程研究目標是為了提供一個具有價格競爭力的水輪機，使過魚生存率相當于或優于旁道或溢流過魚的生存率。通過研究，水輪機部件的設計修改顯示，在選定的設計點上，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，這樣就使設計的競爭力比早期預計的有明顯的增強。

研究工作完成后，確定了商業應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、發電機、控制設備、電站設備的極限平衡、現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的水輪機，因為其尺寸較大，轉速也低了40%。然而，關于節省的溢流或旁通流量的潛在發電收益與投資相比的問題,仍然沒有得到解答。

2 特定現場的發電量分析

一家美國公共事業公司正在考慮對一座電站擴建,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，且可產生比現有魚道大得多的誘導水流(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有廠房進行擴建。借助于20世紀90年代早期獲得的現場試驗數據以及被推薦的奧爾登機組的廠家模型,來研制調度表和預測不同流量工況下的發電量。根據USGS水文測站獲取的日流量數據，利用調度表預測了平均年發電量,數據包括1950年9月25日到2010年9月25日的平均日流量。

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

2.1 工程概述

目前的工程由以下設施構成。

(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臺發電機組的發電廠房；

(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邦能源管理委員會(FERC)許可證調解協議的一部分，假設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。這種發電程序可以將魚類吸引到隧道南側的導魚建筑物內。借助于發電模型,對當前和未來的流量作如下分配。

(1) 基準工況。根據最近更新的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，研究使用加權平均流量,加權平均包括夏季月份24 h周期內白天與夜晚的比率;14 m3/s是白天的流量需求。**根據已建順流魚道的現場測試效率確定的最終數值。

(2) 增加魚類友好型水輪機。與基準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，以使水輪機性能特性曲線用于適配3 000多個函數與數據集。曲線適配軟件可提供評審模型不確定性的統計指標。除了R2值(確定系數)外，殘差、曲線的標準誤差和F統計量(固定指數),均被用于對每個函數進行排序。

一旦確定了特性曲線，就可以開發出最優解決方案的數據庫。將該實例的最優方案定義為給定流量下電站的發電量最大。根據最優方案制定調度表，可以量化電站每下泄2.8 m3/s時的流量以及最佳機組負荷。開發了2個電站模型，第1個模型只是基于“基準”的已建機組，第2個模型是在基準機組之外增加了奧爾登機組。

2.4 年發電量計算

根據所計算的已建機組的基準發電量，即可以確定現有機組的年均發電量為188 848 MW·h。在對基準發電量與預期發電量進行比較時，模型預測的奧爾登水輪機機組的年發電量為35 905 MW·h。60 a的來水量數據表明,年來水量的變化在減小，可以較好地預測長期發電量。

3 巖土工程成本分析

與常規水輪機相比，在設計方面,奧爾登水輪機的一個顯著特點是電站尾水管的布置。根據迄今完成的工程設計結果，在該項工程中,奧爾登水輪機的布置將高于尾水管1.5 m，而轉槳式水輪機將會低5 m，常規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槳式和混流式水輪機有關開挖的土建工程費用進行了比較,并對比較結果進行了詳細的分析。

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

4 方案設計和全部費用

已對工程開展了初步設計，在設計過程中,需要對奧爾登、轉槳式和混流式水輪機以及相關土建工程和費用進行對比。通過對已有信息的復審,完成了初步設計工作，在考慮土建工程、施工技術及進度安排、材料和利用預裝配部件的能力的基礎上，確定了最可行的設計方案。在初步設計過程中，還提出了相關的運行和維護方案。在復審時，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，還對相關設備安裝和建筑施工的其他一些土建工程費用進行了估算。全部費用見表3。

為便于做對比，還完成了投資回報分析。對通過計算上述發電量所獲得的數據信息以及對電價進行假設(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、發電機以及配件結構。

投資回報分析結果如下。

(1) 13.6 MW的奧爾登水輪機為19 a；

(2) 13.6 MW的轉槳式水輪機為18 a；

(3) 13.6 MW的混流式水輪機為16 a。

6 結 論

平均來說，基于計算已建機組的基準發電量，確定的現有機組的年發電量為188 848 MW·h。在研制調度表時，使用了優化算法，因為歷史數據和模型預測結果存在著很大的不同。在對基準情況與預期發電結果進行比較時，模型預測的奧爾登水輪機的年發電量為35 905 MW·h。

概念性的現場作業、土建工程設計和費用分析的關鍵點如下：

(1) 安裝奧爾登水輪機比安裝轉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的全部費用，安裝奧爾登水輪機比安裝轉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

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