阿圖什市工業(yè)園區(qū)供水工程利用管道水壓發(fā)電的可行性研究

張金承

(水利部新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

阿圖什市工業(yè)園區(qū)供水工程，水源為烏瑞克河河水，供水方向?yàn)榘D什市工業(yè)園區(qū)。該工程從2009年開始進(jìn)行可研分析，目前已進(jìn)入招標(biāo)階段。工程分兩期建設(shè)。該工程管道全長55.819km，一期工程年引水量725萬m3/s，引水流量為0.7m3/s。在可研階段經(jīng)比較推薦單管供水，管道在46.437km處將水引入到麻扎爾塔格水庫進(jìn)口，然后再從水庫放水涵下游引水至工業(yè)園區(qū)調(diào)節(jié)水池，水庫下游段管道長9.382km。工程取水建筑物處烏瑞克河河道高程為2328.0m，末端調(diào)節(jié)池處地面高程為1603.0m，總落差725m。管道0+000～15+800段為倒虹吸地形，其下游段基本是上游高下游低的地形，從倒虹吸地形的下游端至末端調(diào)節(jié)水池地形落差為708m。從地形看沿線落差大，縱坡陡，具有利用地形落差進(jìn)行水力發(fā)電的條件，為此可研階段提出了利用管道沿線水壓發(fā)電的設(shè)想，并進(jìn)行了多種方案研究。

2 建電站的可行性分析

根據(jù)管道沿線消能方式比較結(jié)論，管道沿線共劃分七段，采用分段末端設(shè)消能閥再輔以消能井的方案。管道沿線建電站從第二段開始，按以下三種方案分析研究:方案一，按管道推薦分段方案不變，從首先滿足供水附帶發(fā)電考慮;方案二，相對(duì)方案一，管道分段減至五段，管徑不變;方案三，管線分段按方案二不變，充分考慮發(fā)電，擴(kuò)大管道直徑，減小管道沿程水損，增加管道分段末端發(fā)電水頭，增加發(fā)電量。

2.1 方案一:從首先滿足供水附帶發(fā)電考慮

該方案一期工程設(shè)計(jì)引水流量為0.7m3/s，按照供水規(guī)范管道引水流速不宜大于3.0m/s的要求，可選的供水管徑有三種:

當(dāng)管徑DN=600mm時(shí)，流速v=2.48m/s;

當(dāng)管徑DN=700mm時(shí)，流速v=1.82m/s;

當(dāng)管徑DN=800mm時(shí)，流速v=1.39m/s。

以上三種管徑的設(shè)計(jì)流速均在經(jīng)濟(jì)流速范圍之內(nèi)，且均滿足大于不淤流速0.6m/s的要求。根據(jù)工程比選，管材的工作壓力一般選擇中壓較經(jīng)濟(jì)，通過經(jīng)濟(jì)比較后，在首先考慮供水、附帶考慮發(fā)電情況下，選管道直徑為DN600較經(jīng)濟(jì)，即在管道樁號(hào)15+800以下分為六段較經(jīng)濟(jì)，在該六段上建電站(一用一備)，該方案總裝機(jī)容量1195kW，年發(fā)電量1519萬kW·h。見表1。

表1 方案一電站特性

按表1在不建電站的情況下，僅建管道、構(gòu)(建)筑物、交叉建筑物、防洪建筑物、取水建筑物及末端調(diào)節(jié)水池等，經(jīng)計(jì)算管道工程投資為20661萬元;僅電站 (不包括上網(wǎng)輸電線路投資)投資5245萬元，管道加電站的投資為25906萬元。

2.2 方案二:管道分段合并，管徑不變建電站

由于方案一中管道的分段高差最大122m，最小110m，而玻璃鋼管的最大工作壓力為2.5MPa，相比管道分段落差還可以提高，管道分為五段后最大落差233m，管材壓力相對(duì)2.5MPa還有一定的壓力余量，合并后管道從樁號(hào)15+800下游共有四段 (不包括上游倒虹吸段)，在管道直徑不變情況下，前兩個(gè)電站的裝機(jī)水頭增加了，電站數(shù)量?jī)H剩四座，電站機(jī)組采用一用一備，同時(shí)也減少了電站及沿線構(gòu)筑物的投資。

管道從15+800下游分為四段時(shí)，建電站四處，總裝機(jī)容量1120kW，年發(fā)電量1496萬kW·h。在不建電站的情況下管道、構(gòu) (建)筑物、交叉建筑物、防洪建筑物、取水建筑物及末端調(diào)節(jié)水池等工程總投資為21061萬元;建電站后僅電站投資 (不包括上網(wǎng)輸電線路投資)3664萬元，管道投資加電站投資為24724萬元。見表2。

表2 方案二電站特性

2.3 方案三:管道分段同方案二，加大管道直徑，提高發(fā)電水頭

該方案引水流量0.7m3/s不變，當(dāng)管道直徑變?yōu)?00mm時(shí)，流速為1.39m/s，經(jīng)水力計(jì)算后，僅管道工程總投資為23745萬元，建電站后僅電站投資 (不包括上網(wǎng)輸電線路投資)5243萬元，管道投資加電站投資為28988萬元。

方案三各分段電站額定水頭、裝機(jī)、年發(fā)電量及投資見表3。

表3 方案三建電站特性

2.4 經(jīng)濟(jì)比選

對(duì)以上建水電站的三個(gè)方案，采用經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值法

進(jìn)行方案經(jīng)濟(jì)比選，對(duì)三個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.5 三個(gè)方案比較

方案一總投資25906萬元，總裝機(jī)容量2.39MW，總發(fā)電量1519萬 kW·h，經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值7924萬元;

方案二總投資24724萬元，總裝機(jī)容量2.24MW，總發(fā)電量1496萬 kW·h，經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值8859萬元;

方案三總投資28988萬元，總裝機(jī)容量3.66MW，總發(fā)電量2231萬 kW·h，經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值7455萬元。

三者相比，方案二工程投資較少，經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值較高，具有建電站的優(yōu)勢(shì)，因此推薦方案二建電站管線分段方案。根據(jù)比較結(jié)果僅對(duì)方案二進(jìn)行財(cái)務(wù)分析評(píng)價(jià)。由于該工程投資主要為貸款修建，分析該工程的最大貸款比例，使得在還款期內(nèi)資本金內(nèi)部收益率不低于行業(yè)內(nèi)部收益率，在工程運(yùn)行期內(nèi)使企業(yè)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)盈利是分析的目的，分析結(jié)果見表5。

表5 推薦建電站方案財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)結(jié)果

3 綜合分析

該工程建電站若按總投資的60%、70%、80%貸款，計(jì)算還本付息上網(wǎng)電價(jià)最低必須分別達(dá)到0.3938元/(kW·h)、0.4492元/(kW·h)、0.5052元/(kW·h)時(shí)，收益率才能大于行業(yè)收益率的8%的要求;按新發(fā)改能價(jià) ［2011］54號(hào)《關(guān)于5萬千瓦以下水電站上網(wǎng)電價(jià)問題的通知》:“自治區(qū)對(duì)小水電上網(wǎng)電價(jià)實(shí)行上限價(jià)格管理，上限價(jià)格水平暫定為0.235元/千瓦時(shí) (含稅)”進(jìn)行計(jì)算時(shí)，收益率僅能達(dá)到2.66%，仍小于一般行業(yè)要求的8%要求。若按上網(wǎng)電價(jià)為0.235元/(kW·h)進(jìn)行計(jì)算，最大貸款比達(dá)到31%時(shí)，資本金內(nèi)部收益率僅能達(dá)到2.06%，投資效益仍較差。經(jīng)分析，工程效益差的基本原因有三個(gè):一是該工程年供水量較小，年供水量?jī)H725萬m3/s;二是工程輸水距離較長，投資相對(duì)較大;三是水電上網(wǎng)電價(jià)偏低。

通過以上分析，按自治區(qū)實(shí)行的不大于5萬kW的小水電上網(wǎng)電價(jià)0.235元/(k·Wh)上網(wǎng)，電站不虧損的最大貸款僅占投資的31%，貸款比例大于31%后建電站就沒有效益，或者說自有資金必須不少于69%經(jīng)濟(jì)效益才可行。經(jīng)分析該項(xiàng)目建電站盈利能力有限，近期不宜建水電站。但該電站若能增加年供水量，降低供電成本單價(jià)，并積極申請(qǐng)國家以電代燃投資，使電站財(cái)務(wù)可行，或自有資金充裕時(shí)，管道沿線電站的建設(shè)還是有希望的。

4 結(jié)語

重力式輸水管道工程，常會(huì)遇到地形陡、落差大、管道分段末端有很大的剩余水頭情況，如何利用好這些水壓轉(zhuǎn)化成電能，給我們提出了研究課題。特別是當(dāng)前大氣污染普遍嚴(yán)重的情況下，更應(yīng)該注重開發(fā)綠色能源。從該工程三個(gè)方案分析結(jié)果可以看出，利用供水工程建水電站，一是要選單位水成本低的工程;二是上網(wǎng)電價(jià)占供電電價(jià)比重較小。若能適當(dāng)提高小水電的上網(wǎng)電價(jià)占供電電價(jià)的比重，就會(huì)使更多小水電項(xiàng)目財(cái)務(wù)效益可行，造福于人類。