輸水工程風(fēng)光互補與交流供電系統(tǒng)方案投資對比分析*

王夢琦

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽，550002)

1 輸水工程閘(閥)門布置特點及供電方案比較

輸水工程線長、面廣、點多且分散，各類不同作用的閘(閥)門品種、數(shù)量繁多，這些閘(閥)門能否安全可靠運行，直接關(guān)系著城鄉(xiāng)廣大居民的生活用水以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水安全問題。水利工程輸水工程往往位于人煙稀少的偏遠山區(qū)，交通不便，用電設(shè)備的電力供應(yīng)一直是一個比較普遍的困擾問題。沿線用電設(shè)備多但負荷小，使用頻次低，單次運行時間短，用電量小，但對工程設(shè)備運行的保證率要求高，相應(yīng)對設(shè)備的供電電源的保證率要求較高。長期以來，輸水工程閘(閥)門啟閉所需電力大都是從周邊電網(wǎng)接入并通過遠距離架設(shè)輸電線路來提供，線路長、占地多，不僅工期長、造價高，工程運行管理難度大，運行費用高。輸電線路受冰雨、雷電等惡劣天氣影響較大，供電可靠性低，為此大都采用移動式柴油發(fā)電機作備用電源，其體積、重量較大，運輸不便。針對輸水工程閘(閥)門的使用及負荷特點，風(fēng)光互補自供電智能系統(tǒng)可有效解決以上問題，符合建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會的時代發(fā)展需要。

風(fēng)光互補自供電智能系統(tǒng)是一種將光能和風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，共用一套送變電設(shè)備，可為遠離電網(wǎng)覆蓋的地區(qū)提供低成本、高可靠性且不會破壞生態(tài)環(huán)境的獨立供電系統(tǒng)。其彌補了風(fēng)能與太陽能獨立發(fā)電系統(tǒng)在資源上的不平衡性、不穩(wěn)定性，可實現(xiàn)晝夜互補(白天太陽能發(fā)電，夜晚風(fēng)能發(fā)電)、季節(jié)互補(夏秋季日照強烈，冬春季風(fēng)能強盛)，供電穩(wěn)定可靠。風(fēng)光互補自供電智能系統(tǒng)采用直流低壓供電，運行安全維護簡單。自發(fā)自用獨立供電，無需修建變電站、架設(shè)高低壓線路等工程，在保證供電可靠性的同時可大幅降低工程造價，不僅設(shè)備安裝費用低，而且后期維護費用低，極大地減少了工程運行成本。其建設(shè)不受地域環(huán)境限制，占地少，節(jié)能環(huán)保。

2 黃家灣水利樞紐工程兩種供配電方案投資對比

黃家灣水利樞紐工程位于貴州省安順市紫云縣，工程主要任務(wù)是以城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主并結(jié)合發(fā)電。工程規(guī)模為大(2)型，水庫總庫容1.572億m3，多年平均供水量為9321萬m3。輸水工程由1條干渠、3條支渠及3條輸管線組成，全長115.5km。干、支渠及管線布置各類閘(閥)門500多個，各渠道上采用電動控制的閘門，裝機容量小(5.5kW～7.5kW)，布置分散，設(shè)備用電電壓0.4kV。設(shè)計對各類不同用途的閘、閥門，考慮了設(shè)計水平年正常運行和非正常供水工況，進行了操作頻次(半個月、3個月、半年1次，或備用，或持續(xù)等)分析，通過現(xiàn)場采集測試試驗、設(shè)備選型試驗及各類模擬試驗、實測試驗等，從供電可靠性、施工安裝、閘門(閥門)控制、運行管理、檢修維護及故障率等方面進行方案比較，確定了最終的風(fēng)光互補自供電智能系統(tǒng)設(shè)計方案。對輸水工程風(fēng)光互補自供電智能系統(tǒng)與傳統(tǒng)交流供電系統(tǒng)進行了工程建設(shè)投資、運行維護費用的對比分析。

2.1 工程建設(shè)投資

交流供電方案設(shè)備安裝費用7087.2萬元(其中，設(shè)備費2784.7萬元、安裝費4302.5萬元)；風(fēng)光互補自供電智能系統(tǒng)方案設(shè)備安裝費用2746.5萬元，較交流供電方案減少4340.7萬元，減少了約61%。

表1 工程建設(shè)投資對比

2.2 運行維護費用

根據(jù)《水利水電工程合理使用年限及耐久設(shè)計規(guī)范》(SL 654-2014)，本輸水工程永久性水工建筑物的合理使用年限為30年，因此本項目按30年使用壽命測算工程運行維護費用?，F(xiàn)階段本工程灌區(qū)全部輸電線路費用總共為1412.354萬元，主變費用總共為99萬元，根據(jù)《水電站機電設(shè)計手冊》(電氣一次部分)第21頁表1-20，取輸電線路年折舊維修率7%，取主變年折舊維修率14%，故傳統(tǒng)交流供電的年運行費用為112.73萬元，傳統(tǒng)交流供電30年的運行費為3381.75萬元。

經(jīng)測算分析，交流供電系統(tǒng)方案運行維護費用3815.77萬元(其中，電費303.14萬元、折舊維修費3381.75萬元、通信費130.88萬元)；風(fēng)光互補自供電智能系統(tǒng)方案運行維護費用1531.74萬元，較交流供電方案減少2284.03萬元，減少約60%。

表2 工程運行維護費用對比

3 夾巖水利樞紐及黔西北供水工程兩種供配電方案投資對比

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程涉及畢節(jié)、遵義兩個地級市，工程主要任務(wù)是以供水、灌溉為主并結(jié)合發(fā)電。工程規(guī)模為大(1)型，水庫總庫容13.23億m3，多年平均供水量為6.88億m3，電站總裝機容量90MW，多年發(fā)電量2.2億kW·h。輸水工程由畢大供水工程及6條干渠、16條支渠組成，全長408.95km。

3.1 工程建設(shè)投資

交流供電方案設(shè)備安裝費用7823.17萬元(其中，設(shè)備費2184.74萬元、安裝費5638.43萬元)；風(fēng)光互補自供電智能系統(tǒng)方案設(shè)備安裝費用1887.71萬元(其中，設(shè)備費1662.49萬元、安裝費225.22萬元)，較交流供電方案減少5935.46萬元，減少約76%。

表3 工程建設(shè)投資對比

3.2 運行維護費用

本項目按30年使用壽命測算工程運行維護費用。

經(jīng)測算分析，交流供電系統(tǒng)方案運行維護費用3553萬元(其中，電費201萬元、折舊維修費3214萬元、通信費138萬元)；風(fēng)光互補自供電智能系統(tǒng)方案運行維護費用1684萬元，較交流供電方案減少1868.55萬元，減少約53%。

4 應(yīng)用效果評價

對黃家灣水利樞紐工程風(fēng)光互補自供電智能系統(tǒng)進行現(xiàn)場試點試驗，通過現(xiàn)場充電性能試驗數(shù)據(jù)顯示，太陽能光伏充電效果可達到設(shè)計預(yù)期，且在電池組配置較大的情況下，充電時間均在4～5天內(nèi)充滿。單晶硅太陽能板光電轉(zhuǎn)化率高、性能可靠穩(wěn)定，期間在陰雨天氣、弱光環(huán)境下也可發(fā)電。風(fēng)光互補自供電智能系統(tǒng)可根據(jù)實際用電負荷情況和資源條件進行系統(tǒng)容量的合理配置，保證了系統(tǒng)供電的可靠性。

通過現(xiàn)場各類金結(jié)設(shè)備的負載性能試驗，可直觀地看到直流電機的負載特性很優(yōu)良。在空載啟動時電流很低，逐步增加負載過程中電流呈線性變化，且通過帶載啟動試驗可直觀地看到直流電機具備降速滿載啟動特性，非常適合閘(閥)門的變動負載特性，帶載啟動特性可最大程度減少對閘(閥)門機械沖擊，這是交流電機無法比擬的。直流電動裝置采用智能一體化結(jié)構(gòu)，具備液晶顯示的人機交互界面，可直接在現(xiàn)場電動和手輪手動進行操作，手電兩用非常方便，還可切換到遠程控制模式，控制集成化程度較高。

5 結(jié)語

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對水利工程設(shè)計運行的安全可靠度以及自動化程度的要求越來越高。針對水利工程長距離輸水線路閘(閥)門數(shù)量多、布置分散、容量小且使用頻率低的特點，風(fēng)光互補自供電智能系統(tǒng)設(shè)計不僅可大幅降低工程建設(shè)和運營成本，有效避免了山區(qū)遠距離架設(shè)輸變電的施工、運行檢修維護難度和風(fēng)險，以及長距離輸配電線路因冰雹等自然災(zāi)害可能導(dǎo)致的斷電等工程風(fēng)險，進一步提高了供電的安全性、可靠性，進而提高了工程運行的安全性和可靠性。風(fēng)光互補自供電智能系統(tǒng)施工安裝簡便快捷，施工周期大幅度縮短，大量減少了工程建設(shè)占地，有利于環(huán)境保護和水土保持。風(fēng)光互補自供電智能系統(tǒng)設(shè)計極大地推進了水利工程的控制水平，從規(guī)范化、科學(xué)化、智能化等方面改善和提高了工程的管理水平，社會、經(jīng)濟、環(huán)境、生態(tài)效益明顯，值得在水利工程以及其他類似的工程建設(shè)中推廣應(yīng)用，發(fā)展前景廣闊。