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》2009年第7期

1 南非伯利恒水電工程

總部設在南非的 NuPlanet能源公司是裝機7 MW的伯利恒工程的開發(fā)商,負責電站的施工和將來的運行。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個獨立電站,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,出力 3 MW。電站位于索普拉吉壩右岸。進水口位于非溢洪側,電站位于進水口緊下游。發(fā)電后,水返回大壩下游的利本貝赫斯弗萊(Liebenbergsvlei)河。發(fā)電廠房安裝一臺轉槳式水輪機,直接與發(fā)電機相連。

梅里諾工程包括一座阿斯河引水堰、一個半圓形溢洪道、一條將水輸送至發(fā)電廠房700m長的引水渠(該引水渠將水輸送至發(fā)電廠房),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,出力約為 4 MW。發(fā)電廠房也安裝了一臺轉槳式水輪機。

伯利恒水電公司根據(jù)長期購電合同(PPA)售電,并通過出售有減排證書(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,在可行性研究基礎上,伯利恒水電公司與 Ninham Shand公司簽約,讓后者承擔工程初期的技術可行性研究,并為工程所要求的環(huán)境審批提供服務。可行性評價不僅必須考慮技術和商務方面,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)電許可證和電力購買協(xié)議。

環(huán)境影響評價的審批工作花了 9個月時間。在3 a后,才簽發(fā)了用水許可證。

在工程實施初期,伯利恒水電公司對可行性研究建議的工程布置進行了詳細評價,在此基礎上對布置方案作了重大改進,尤其是對索普拉多電站,將電站從大壩左岸移到了右岸。由于資金緊張,要求實施成本最低的方案,后來由于電價上漲,財務狀況得到明顯改善。

考慮了 3個合同,即土建工程施工合同,水輪機和發(fā)電機的制造、供貨、運輸和安裝合同,以及輸電線路安裝合同。土建合同與輸電線路合同授予了當?shù)爻邪?而水輪機和發(fā)電機的合同授予國際承包商。

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上修建,由昆特(Quinte)保護公司擁有與運營,裝機容量為 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公司開發(fā),由 Hatch能源公司幫助設計。

昆特保護公司是一家保護機構,由18個市政成員組成的董事會管理。它是一家非贏利機構,為公眾提供環(huán)境規(guī)劃,運營 40座大壩。根據(jù)設想,該工程為當?shù)厥痉毒G色能源工程,以降低溫室氣體排放。

昆特保護公司要求該工程在幾個方面取得環(huán)境凈效益。預期水頭調整,提供穩(wěn)定的水位,使魚類棲息地受益。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?shù)毓╇?并降低已接近額定容量的輸電線路的損耗。因為昆特保護公司是一家環(huán)境機構,它從該工程獲得的收益應投入到當?shù)氐沫h(huán)境計劃,以獲取附加效益。

大壩為鋼板樁心墻結構。2個 3m×3 m帶閘門的混凝土涵洞便于小流量過壩。在西側,一座寬36 m的泄水道可通過大流量泄水。對大壩作了修整,以便在泄水道中安裝高 3.25 m的歐博邁亞(Obermeyer)閘門,以控制前池水位。在該小流量建筑物上增加了2臺雙調節(jié)轉槳式水輪機,并在壩內(nèi)修建了一個控制室。水輪機由加拿大水電設備部件公司建造,并與 475 kW的同步發(fā)電機配套。

在施工中,安裝水輪機最為困難,提出了最大的技術挑戰(zhàn)。它涉及修建一座小型圍堰,以便抽干涵洞周圍的工作區(qū),將底部下挖2 m,優(yōu)化水輪機布置。河床為頁巖狀石灰?guī)r,大量漏水進入工作區(qū)。需用大型柴油排水泵抽干工作區(qū)。因為冬季仍需施工,天寒地凍,加上水泵故障,導致施工更加困難。

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,但未涉足過水電領域。經(jīng)過1 a多的施工,在設計人員、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、調壓塔、壓力鋼管和發(fā)電廠房組成,于2008年12月開始運行。裝機容量10MW,在凈水頭226 m下,水輪機流量為5.4m3/s。

壩高14.8 m,壩頂長 92m,包括溢洪道上的一座橋梁。進水口與底孔位于左岸。長 80m的魚道和預留出水口位于右岸。大壩形成水庫的淹沒面積為 4萬 m2。

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

電站廠房位于緊靠卡內(nèi)多村的河灘附近,廠房內(nèi)安裝有一臺臥軸混流式機組。在建筑上,強調廠房與周圍的秀麗景觀融為一體。廠房建于河邊,呈立方體狀,參觀路線接近廠房,透過窗口,廠房內(nèi)的情況一覽無遺。建筑學院為該建筑物的設計研究進行了專門的設計競賽。

該地區(qū)世代相傳一種稱為 Regade lima的冬季灌溉方法,可防止霜凍,通過一條稱為 levadas的很長的明渠輸水。大壩可自動控制下泄必要的灌溉流量,以調節(jié)用水。

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

在工程初期和設計完成之后,工程受到2次不同的影響評價,并且都有公眾參與。

該影響評價研究認可了工程現(xiàn)場的環(huán)境特點,及其有關的保護狀態(tài)——重要魚類(鮭魚)、鳥類(河烏)、哺乳動物(比利牛斯麝香鼠),沿河與周圍植被豐富且品種多樣,葡萄牙北部(大西洋)有典型的橡樹林。水質非常好。

工地采取了幾項環(huán)境改良措施。這些措施是結合生態(tài)流量研究進行的,以保護下游的物種及其棲息地。該工程的重要特點是關注補償沿河棲息地,即栽種黑榿木、灰毛柳和白樺,并保護和栽種橡樹。

制訂了一項監(jiān)測計劃,重點是監(jiān)測水質、植物群落和植被、魚類和沿河動物群落。

4 美國黑斯廷斯工程

在美國明尼蘇達州,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陸軍工程師團(USACE)所屬的2號船閘與大壩處、該市裝機容量為4.4MW的徑流電站的下游,修建一座裝有2臺水輪機的電站。2008年12月 3日,聯(lián)邦能源管理委員會(FERC)以5∶0投票結果批準了該工程。黑斯廷斯工程是美國獲得聯(lián)邦政府許可、向美國電網(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),在公眾不許進入的區(qū)域內(nèi),安裝2臺水輪機,每臺裝機容量為100kW。2008年12月和2009年初,安裝了首臺機組。在2009年夏季或初秋安裝了第2臺水輪機,第2臺機組為另一種型號,這樣可以增加機組的出力和效率。

一旦2臺機組全部建成投運,水電綠色能源公司將進行全面的魚類生存試驗,以監(jiān)測水質,研究鳥類相互作用,實施斑馬貽貝控制計劃。

公司同時還負責水輪發(fā)電機組的運行維護。電廠輸送到 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備投入后,裝機容量將高達250kW,可使現(xiàn)有電站可再生電力增加5.7%。

(2)經(jīng)過與預先登記的利益相關者長達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)電設備)。

(3)在 P.希克斯(Paul Hicks)市長牽頭下,黑斯廷斯市政委員會一致批準了該工程,充分肯定了這項突破性的工程所具有的獨特和創(chuàng)造性的公私合作關系。USACE的合作對工程成功也很重要。

(4)水電綠色能源公司完全遵守了 FERC關于擴大利益相關者的范圍和機構咨詢的要求,并且列出了所有費用,以及與 NCA有關的技術工作。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)在過去2 a中,工程為7個州提供了 61個就業(yè)崗位。

(6)2009年5月,水電綠色能源公司贏得了國家水電協(xié)會(NHA)頒發(fā)的總統(tǒng)獎。獎項被授予一家 NHA成員公司,它為“加強和鼓勵水電業(yè)開辟了新的道路”。NHA的執(zhí)行主任為此發(fā)表感言,稱黑斯廷斯工程“為多種新技術在水電部門中的應用打開了大門。它標志著水電綠色能源公司跨出了一大步,是水電行業(yè)的一個重要里程碑。”他認為,該工程證明,規(guī)模不同的所有水電設施都可提供重要的經(jīng)濟、能源和環(huán)境效益。

5 英國磨坊鎮(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)完成一項主要工程,即安裝了一個微型水電系統(tǒng)。工程裝機7 kW,其電力用于磨坊鎮(zhèn)本身,剩余的賣給國家電網(wǎng)。

2004年,響應政府關于鼓勵用可再生能源發(fā)電的能源政策,磨坊鎮(zhèn)托管委員會理事開始調查用利姆河水發(fā)電,同時保留傳統(tǒng)水力磨坊。2005年進行的可行性研究表明,微型水電系統(tǒng)是可行的,不影響水車和磨面粉。

到2005年底,磨坊鎮(zhèn)水電工程隊從清潔天空(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工程師。

2005年,該公司承擔了工程的可行性研究,2006～2007年,安裝了該系統(tǒng),一個磨坊志愿者小組代表磨坊鎮(zhèn)理事對工程進行監(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,結合現(xiàn)代水電技術和4.03m的水頭,建議修建一個微型水電系統(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論,系統(tǒng)運行不會干擾該磨坊原有的水力磨粉功能。

因此,針對磨坊北墻外側廢棄的水輪坑(它是一座正式列入文物保護范圍的建筑物)設計了水電系統(tǒng)。在設計中,不可對受保護建筑物有任何改變。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 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,當國家電網(wǎng)開始以交流電運行時,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,它是專門為該場地設計的,最大電力輸出為7.07 kVA。其分流型轉子直徑 300mm,運行轉速為245 r/min(最高),通過2套傳動裝置用數(shù)字方式控制,以優(yōu)化電力輸出,同時保持同步轉速。

水輪機驅動 Brook Crompton公司的三相感應發(fā)電機發(fā)電。該發(fā)電機為 4極,50Hz,最大轉速1500r/min,額定容量15 kW,對上述參數(shù)進行了修改,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)的勵磁和電網(wǎng)連接單元提供。

該全自動系統(tǒng)全天24 h無人值守,有一個自動切除與重新起動設施,以應對水力系統(tǒng)本身和國家電網(wǎng)發(fā)生的任何不正常情況。

雖然該系統(tǒng)的設計力圖避免對磨坊鎮(zhèn)建筑物的改變,但是仍要求在選定的老的水輪機坑的區(qū)域內(nèi)開展工作,在2006年下半年,對該系統(tǒng)提出以下 3項要求:

(1)在尾水渠中修建一個安裝尾水管的坑。

(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?shù)奈恢谩?/p>

(3)在露天人工水渠端墻上開孔向水槽供水。

2006年11月,開始安裝水槽。其設計包括一個間隔為12.5mm的金屬柵網(wǎng),防止河中漂浮物和魚進入該系統(tǒng)。

然后,將水輪機安裝到其支撐的鋼架上,再連接壓力鋼管。2007年2月,在水輪機后側安裝感應發(fā)電機,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,開始系統(tǒng)試驗。2007年2月14日,首次向水輪機供水。

接著進行整個系統(tǒng)的調試和試運行,直到2007年 3月1日,正式啟動了系統(tǒng)。

雖然該工程的主要目的是發(fā)電,另一個重要目的則是保證該系統(tǒng)作為對磨坊鎮(zhèn)參觀者進行教育的工具,以證明現(xiàn)代技術和可再生能源發(fā)電可很好結合。在工程現(xiàn)場由有經(jīng)驗的磨坊志愿者提供導游服務。