世界最佳小水電工程(下)

馬元珽 譯自英刊《水力發(fā)電與壩工建設(shè)》2009年第7期

1 南非伯利恒水電工程

總部設(shè)在南非的 NuPlanet能源公司是裝機(jī)7 MW的伯利恒工程的開(kāi)發(fā)商,負(fù)責(zé)電站的施工和將來(lái)的運(yùn)行。工程位于南非伯利恒鎮(zhèn)附近,由伯利恒水電公司擁有。該工程包括阿斯(As)河上2個(gè)獨(dú)立電站,即梅里諾(Merino)電站和索普拉吉(Sol Plaatje)電站。

索普拉吉電站的發(fā)電水頭約為11m,在最大流量時(shí),出力 3 MW。電站位于索普拉吉壩右岸。進(jìn)水口位于非溢洪側(cè),電站位于進(jìn)水口緊下游。發(fā)電后,水返回大壩下游的利本貝赫斯弗萊(Liebenbergsvlei)河。發(fā)電廠(chǎng)房安裝一臺(tái)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī),直接與發(fā)電機(jī)相連。

梅里諾工程包括一座阿斯河引水堰、一個(gè)半圓形溢洪道、一條將水輸送至發(fā)電廠(chǎng)房700m長(zhǎng)的引水渠(該引水渠將水輸送至發(fā)電廠(chǎng)房),以及一座前池和一座位于砂巖河岸中的電站。發(fā)電后的水返回阿斯河。

發(fā)電水頭約為14m,最大流量時(shí),出力約為 4 MW。發(fā)電廠(chǎng)房也安裝了一臺(tái)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)。

伯利恒水電公司根據(jù)長(zhǎng)期購(gòu)電合同(PPA)售電,并通過(guò)出售有減排證書(shū)(CER)證明的溫室氣體減排產(chǎn)品獲取收入。平均基荷年發(fā)電量為 38 GW? h。

2002年,在可行性研究基礎(chǔ)上,伯利恒水電公司與 Ninham Shand公司簽約,讓后者承擔(dān)工程初期的技術(shù)可行性研究,并為工程所要求的環(huán)境審批提供服務(wù)?？尚行栽u(píng)價(jià)不僅必須考慮技術(shù)和商務(wù)方面,而且還要考慮環(huán)境影響和用水限制、土地租借協(xié)定、發(fā)電許可證和電力購(gòu)買(mǎi)協(xié)議。

環(huán)境影響評(píng)價(jià)的審批工作花了 9個(gè)月時(shí)間。在3 a后,才簽發(fā)了用水許可證。

在工程實(shí)施初期,伯利恒水電公司對(duì)可行性研究建議的工程布置進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)價(jià),在此基礎(chǔ)上對(duì)布置方案作了重大改進(jìn),尤其是對(duì)索普拉多電站,將電站從大壩左岸移到了右岸。由于資金緊張,要求實(shí)施成本最低的方案,后來(lái)由于電價(jià)上漲,財(cái)務(wù)狀況得到明顯改善。

考慮了 3個(gè)合同,即土建工程施工合同,水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的制造、供貨、運(yùn)輸和安裝合同,以及輸電線(xiàn)路安裝合同。土建合同與輸電線(xiàn)路合同授予了當(dāng)?shù)爻邪?而水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的合同授予國(guó)際承包商。

最終經(jīng)各方通力合作,克服困難,工程取得了圓滿(mǎn)成功。

2 加拿大麥克勞德綠色能源工程

加拿大麥克勞德綠色能源工程位于加拿大安大略省貝爾維爾(Belleville)的莫伊拉(Moira)河上。它于2007～2008年在防洪大壩的基礎(chǔ)上修建,由昆特(Quinte)保護(hù)公司擁有與運(yùn)營(yíng),裝機(jī)容量為 950kW。建壩形成的前池在河道中形成狹窄的蓄水區(qū)域,最大水頭為5.2m。該徑流電站由昆特保護(hù)公司開(kāi)發(fā),由 Hatch能源公司幫助設(shè)計(jì)。

昆特保護(hù)公司是一家保護(hù)機(jī)構(gòu),由18個(gè)市政成員組成的董事會(huì)管理。它是一家非贏利機(jī)構(gòu),為公眾提供環(huán)境規(guī)劃,運(yùn)營(yíng) 40座大壩。根據(jù)設(shè)想,該工程為當(dāng)?shù)厥痉毒G色能源工程,以降低溫室氣體排放。

昆特保護(hù)公司要求該工程在幾個(gè)方面取得環(huán)境凈效益。預(yù)期水頭調(diào)整,提供穩(wěn)定的水位,使魚(yú)類(lèi)棲息地受益。作為綠色能源工程,工程取得了明顯的減排效果。與配電系統(tǒng)連接可向當(dāng)?shù)毓╇?并降低已接近額定容量的輸電線(xiàn)路的損耗。因?yàn)槔ヌ乇Ｗo(hù)公司是一家環(huán)境機(jī)構(gòu),它從該工程獲得的收益應(yīng)投入到當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境計(jì)劃,以獲取附加效益。

大壩為鋼板樁心墻結(jié)構(gòu)。2個(gè) 3m×3 m帶閘門(mén)的混凝土涵洞便于小流量過(guò)壩。在西側(cè),一座寬36 m的泄水道可通過(guò)大流量泄水。對(duì)大壩作了修整,以便在泄水道中安裝高 3.25 m的歐博邁亞(Obermeyer)閘門(mén),以控制前池水位。在該小流量建筑物上增加了2臺(tái)雙調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī),并在壩內(nèi)修建了一個(gè)控制室。水輪機(jī)由加拿大水電設(shè)備部件公司建造,并與 475 kW的同步發(fā)電機(jī)配套。

在施工中,安裝水輪機(jī)最為困難,提出了最大的技術(shù)挑戰(zhàn)。它涉及修建一座小型圍堰,以便抽干涵洞周?chē)墓ぷ鲄^(qū),將底部下挖2 m,優(yōu)化水輪機(jī)布置。河床為頁(yè)巖狀石灰?guī)r,大量漏水進(jìn)入工作區(qū)。需用大型柴油排水泵抽干工作區(qū)。因?yàn)槎救孕枋┕?天寒地凍,加上水泵故障,導(dǎo)致施工更加困難。

選定安大略省的 H.R.Doornekamp施工有限公司作為該工程的總承包商。該公司具有水下與水面澆筑混凝土的豐富經(jīng)驗(yàn),但未涉足過(guò)水電領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)1 a多的施工,在設(shè)計(jì)人員、供貨商、業(yè)主和承包商之間的大力協(xié)作下,工程于2008年秋季順利完工,使其成為15 a以來(lái)加拿大安大略省第1批新建水電工程之一。

3 葡萄牙卡內(nèi)多水電工程

卡內(nèi)多電站位于葡萄牙北部山后(Tras-os-Montes)地區(qū)。從杜羅(Douro)流域中的貝卡(Beca)河引水。

該工程由一座大壩、低壓回路、調(diào)壓塔、壓力鋼管和發(fā)電廠(chǎng)房組成,于2008年12月開(kāi)始運(yùn)行。裝機(jī)容量10MW,在凈水頭226 m下,水輪機(jī)流量為5.4m3/s。

壩高14.8 m,壩頂長(zhǎng) 92m,包括溢洪道上的一座橋梁。進(jìn)水口與底孔位于左岸。長(zhǎng) 80m的魚(yú)道和預(yù)留出水口位于右岸。大壩形成水庫(kù)的淹沒(méi)面積為 4萬(wàn) m2。

水力回路第1部分為直徑1800/1600mm的玻璃纖維增強(qiáng)塑料管,一座高24m的調(diào)壓塔和一條直徑為1500/1400mm的壓力鋼管。所有管道均埋設(shè)在溝內(nèi)。

電站廠(chǎng)房位于緊靠卡內(nèi)多村的河灘附近,廠(chǎng)房?jī)?nèi)安裝有一臺(tái)臥軸混流式機(jī)組。在建筑上,強(qiáng)調(diào)廠(chǎng)房與周?chē)男沱惥坝^融為一體。廠(chǎng)房建于河邊,呈立方體狀,參觀路線(xiàn)接近廠(chǎng)房,透過(guò)窗口,廠(chǎng)房?jī)?nèi)的情況一覽無(wú)遺。建筑學(xué)院為該建筑物的設(shè)計(jì)研究進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)競(jìng)賽。

該地區(qū)世代相傳一種稱(chēng)為 Regade lima的冬季灌溉方法,可防止霜凍,通過(guò)一條稱(chēng)為 levadas的很長(zhǎng)的明渠輸水。大壩可自動(dòng)控制下泄必要的灌溉流量,以調(diào)節(jié)用水。

上壩道路和橋梁使維拉爾(Vilar)和科代科索(Codecoso)兩個(gè)村莊相連接,大大改善了當(dāng)?shù)鼐用竦慕煌顩r。

在工程初期和設(shè)計(jì)完成之后,工程受到2次不同的影響評(píng)價(jià),并且都有公眾參與。

該影響評(píng)價(jià)研究認(rèn)可了工程現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境特點(diǎn),及其有關(guān)的保護(hù)狀態(tài)——重要魚(yú)類(lèi)(鮭魚(yú))、鳥(niǎo)類(lèi)(河烏)、哺乳動(dòng)物(比利牛斯麝香鼠),沿河與周?chē)脖回S富且品種多樣,葡萄牙北部(大西洋)有典型的橡樹(shù)林。水質(zhì)非常好。

工地采取了幾項(xiàng)環(huán)境改良措施。這些措施是結(jié)合生態(tài)流量研究進(jìn)行的,以保護(hù)下游的物種及其棲息地。該工程的重要特點(diǎn)是關(guān)注補(bǔ)償沿河棲息地,即栽種黑榿木、灰毛柳和白樺,并保護(hù)和栽種橡樹(shù)。

制訂了一項(xiàng)監(jiān)測(cè)計(jì)劃,重點(diǎn)是監(jiān)測(cè)水質(zhì)、植物群落和植被、魚(yú)類(lèi)和沿河動(dòng)物群落。

4 美國(guó)黑斯廷斯工程

在美國(guó)明尼蘇達(dá)州,水電綠色能源公司與黑斯廷斯市合作,在密西西比河上美國(guó)陸軍工程師團(tuán)(USACE)所屬的2號(hào)船閘與大壩處、該市裝機(jī)容量為4.4MW的徑流電站的下游,修建一座裝有2臺(tái)水輪機(jī)的電站。2008年12月 3日,聯(lián)邦能源管理委員會(huì)(FERC)以5∶0投票結(jié)果批準(zhǔn)了該工程。黑斯廷斯工程是美國(guó)獲得聯(lián)邦政府許可、向美國(guó)電網(wǎng)出售電力的唯一一座水電站。

電站完全處于 USACE的地界內(nèi),在公眾不許進(jìn)入的區(qū)域內(nèi),安裝2臺(tái)水輪機(jī),每臺(tái)裝機(jī)容量為100kW。2008年12月和2009年初,安裝了首臺(tái)機(jī)組。在2009年夏季或初秋安裝了第2臺(tái)水輪機(jī),第2臺(tái)機(jī)組為另一種型號(hào),這樣可以增加機(jī)組的出力和效率。

一旦2臺(tái)機(jī)組全部建成投運(yùn),水電綠色能源公司將進(jìn)行全面的魚(yú)類(lèi)生存試驗(yàn),以監(jiān)測(cè)水質(zhì),研究鳥(niǎo)類(lèi)相互作用,實(shí)施斑馬貽貝控制計(jì)劃。

公司同時(shí)還負(fù)責(zé)水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)。電廠(chǎng)輸送到 Xcel能源公司的電力收入將由黑斯廷斯市和水電綠色能源公司分享。

工程涉及的部分重要事件如下。

(1)水電綠色能源公司的設(shè)備投入后,裝機(jī)容量將高達(dá)250kW,可使現(xiàn)有電站可再生電力增加5.7%。

(2)經(jīng)過(guò)與預(yù)先登記的利益相關(guān)者長(zhǎng)達(dá)1 a的協(xié)商后,黑斯廷斯市于2008年 4月向 FERC提交了一份修正案(改造原有工程/新建發(fā)電設(shè)備)。

(3)在 P.希克斯(Paul Hicks)市長(zhǎng)牽頭下,黑斯廷斯市政委員會(huì)一致批準(zhǔn)了該工程,充分肯定了這項(xiàng)突破性的工程所具有的獨(dú)特和創(chuàng)造性的公私合作關(guān)系。USACE的合作對(duì)工程成功也很重要。

(4)水電綠色能源公司完全遵守了 FERC關(guān)于擴(kuò)大利益相關(guān)者的范圍和機(jī)構(gòu)咨詢(xún)的要求,并且列出了所有費(fèi)用,以及與 NCA有關(guān)的技術(shù)工作。因此,2009年2月,FERC再次充分肯定了為工程提供許可的決定。

(5)在過(guò)去2 a中,工程為7個(gè)州提供了 61個(gè)就業(yè)崗位。

(6)2009年5月,水電綠色能源公司贏得了國(guó)家水電協(xié)會(huì)(NHA)頒發(fā)的總統(tǒng)獎(jiǎng)。獎(jiǎng)項(xiàng)被授予一家 NHA成員公司,它為“加強(qiáng)和鼓勵(lì)水電業(yè)開(kāi)辟了新的道路”。NHA的執(zhí)行主任為此發(fā)表感言,稱(chēng)黑斯廷斯工程“為多種新技術(shù)在水電部門(mén)中的應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。它標(biāo)志著水電綠色能源公司跨出了一大步,是水電行業(yè)的一個(gè)重要里程碑?！彼J(rèn)為,該工程證明,規(guī)模不同的所有水電設(shè)施都可提供重要的經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)境效益。

5 英國(guó)磨坊鎮(zhèn)微型水電工程

2007年,在多塞特 (Dorset)郡萊姆里吉斯(Lyme Regis)地區(qū)利姆(Lim)河畔的歷史名鎮(zhèn)小磨坊鎮(zhèn)完成一項(xiàng)主要工程,即安裝了一個(gè)微型水電系統(tǒng)。工程裝機(jī)7 kW,其電力用于磨坊鎮(zhèn)本身,剩余的賣(mài)給國(guó)家電網(wǎng)。

2004年,響應(yīng)政府關(guān)于鼓勵(lì)用可再生能源發(fā)電的能源政策,磨坊鎮(zhèn)托管委員會(huì)理事開(kāi)始調(diào)查用利姆河水發(fā)電,同時(shí)保留傳統(tǒng)水力磨坊。2005年進(jìn)行的可行性研究表明,微型水電系統(tǒng)是可行的,不影響水車(chē)和磨面粉。

到2005年底,磨坊鎮(zhèn)水電工程隊(duì)從清潔天空(Clearskies)可再生能源捐款、能源綠色基金和磨坊鎮(zhèn)托管委員會(huì)取得資金,并指定水電(HydroGeneration)有限公司(現(xiàn)在是 Segen.co.uk的一部分)作為該總承包工程的咨詢(xún)工程師。

2005年,該公司承擔(dān)了工程的可行性研究,2006～2007年,安裝了該系統(tǒng),一個(gè)磨坊志愿者小組代表磨坊鎮(zhèn)理事對(duì)工程進(jìn)行監(jiān)督。

利姆河在磨坊處的流量數(shù)據(jù)表明,年平均流量為0.24m3/s,結(jié)合現(xiàn)代水電技術(shù)和4.03m的水頭,建議修建一個(gè)微型水電系統(tǒng),每年可發(fā)電約 32000kW?h,減排 CO2約13 t。2005年的可行性研究也得出結(jié)論,系統(tǒng)運(yùn)行不會(huì)干擾該磨坊原有的水力磨粉功能。

因此,針對(duì)磨坊北墻外側(cè)廢棄的水輪坑(它是一座正式列入文物保護(hù)范圍的建筑物)設(shè)計(jì)了水電系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中,不可對(duì)受保護(hù)建筑物有任何改變。該位置也便于從露天人工水渠(磨坊小溪)取得水源和將水排入現(xiàn)有的水輪使用的尾水渠。

早在20世紀(jì) 30年代,該磨坊鎮(zhèn)即利用河水生產(chǎn)直流電,但是,必須將水輪取出為水電系統(tǒng)騰出空間。1948年,當(dāng)國(guó)家電網(wǎng)開(kāi)始以交流電運(yùn)行時(shí),拆除了該直流系統(tǒng)。

現(xiàn)在,該新系統(tǒng)的核心是 Ossberger公司生產(chǎn)的雙擊式水輪機(jī),它是專(zhuān)門(mén)為該場(chǎng)地設(shè)計(jì)的,最大電力輸出為7.07 kVA。其分流型轉(zhuǎn)子直徑 300mm,運(yùn)行轉(zhuǎn)速為245 r/min(最高),通過(guò)2套傳動(dòng)裝置用數(shù)字方式控制,以?xún)?yōu)化電力輸出,同時(shí)保持同步轉(zhuǎn)速。

水輪機(jī)驅(qū)動(dòng) Brook Crompton公司的三相感應(yīng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。該發(fā)電機(jī)為 4極,50Hz,最大轉(zhuǎn)速1500r/min,額定容量15 kW,對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行了修改,以與數(shù)字式電網(wǎng)連接單元匹配。數(shù)字式控制由可持續(xù)控制系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的勵(lì)磁和電網(wǎng)連接單元提供。

該全自動(dòng)系統(tǒng)全天24 h無(wú)人值守,有一個(gè)自動(dòng)切除與重新起動(dòng)設(shè)施,以應(yīng)對(duì)水力系統(tǒng)本身和國(guó)家電網(wǎng)發(fā)生的任何不正常情況。

雖然該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)力圖避免對(duì)磨坊鎮(zhèn)建筑物的改變,但是仍要求在選定的老的水輪機(jī)坑的區(qū)域內(nèi)開(kāi)展工作,在2006年下半年,對(duì)該系統(tǒng)提出以下 3項(xiàng)要求:

(1)在尾水渠中修建一個(gè)安裝尾水管的坑。

(2)在露天人工水渠的末端和在尾水渠中安裝鋼支撐,使系統(tǒng)部件固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

(3)在露天人工水渠端墻上開(kāi)孔向水槽供水。

2006年11月,開(kāi)始安裝水槽。其設(shè)計(jì)包括一個(gè)間隔為12.5mm的金屬柵網(wǎng),防止河中漂浮物和魚(yú)進(jìn)入該系統(tǒng)。

然后,將水輪機(jī)安裝到其支撐的鋼架上,再連接壓力鋼管。2007年2月,在水輪機(jī)后側(cè)安裝感應(yīng)發(fā)電機(jī),用滑輪和皮帶連接。最后安裝數(shù)字控制系統(tǒng)、連接最終電路和儀表系統(tǒng)。

2007年2月12日,開(kāi)始系統(tǒng)試驗(yàn)。2007年2月14日,首次向水輪機(jī)供水。

接著進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試和試運(yùn)行,直到2007年 3月1日,正式啟動(dòng)了系統(tǒng)。

雖然該工程的主要目的是發(fā)電,另一個(gè)重要目的則是保證該系統(tǒng)作為對(duì)磨坊鎮(zhèn)參觀者進(jìn)行教育的工具,以證明現(xiàn)代技術(shù)和可再生能源發(fā)電可很好結(jié)合。在工程現(xiàn)場(chǎng)由有經(jīng)驗(yàn)的磨坊志愿者提供導(dǎo)游服務(wù)。