用于土耳其市政供水的小水電開發(fā)

[土耳其]S.屈曲卡利

土耳其屬于發(fā)展中國家,其電力需求量的增長也很迅速。為了增加土耳其的發(fā)電量,減少對進(jìn)口能源的依賴,各級政府一直在嘗試加強(qiáng)自然能源的利用和促進(jìn)可再生能源的利用。據(jù)統(tǒng)計,世界總電能的22%來自水電,且其中有許多來自小水電站(SHP)。對于小水電的定義國際上并未達(dá)成共識,然而,將裝機(jī)總?cè)萘慷ㄔ?0MW以內(nèi)正在成為歐洲小水電協(xié)會(ESHA)普遍接受的準(zhǔn)則。無論是在歐盟還是在世界范圍內(nèi),小水電站都在電力生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用,而且在不久的將來這一應(yīng)用還會增強(qiáng)。考慮到其巨大的經(jīng)濟(jì)可行潛力,小水電站在土耳其理應(yīng)得到特別的關(guān)注。普尼斯(Punys)和伯利坎(Pelikan)指出,在歐盟(EU)成員國和申請加入歐盟的國家中,小水電站的利用已有超過100a的歷史。他們還指出,土耳其只利用了小水電潛力中非常小的一部分。根據(jù)世界能源委員會(WEC)的調(diào)查,2005年,土耳其共開發(fā)利用了其全部小水電潛力(8.7TW?h/a)的7.7%。

此外,也可以在其過去不是主要用來發(fā)電的一些水工建筑物上開發(fā)小水電,這些水工建筑物包括:供水水壩、灌溉水渠、污水處理廠、堰以及火電廠水冷卻系統(tǒng)等。瑞士國家市政供水系統(tǒng)就修建了 80座此類小型水電站。與河流型水電站相比,其優(yōu)點可歸納如下:

(1)所有土建工程都是現(xiàn)成的,不必重建,這無疑將使投資成本降低50%;

(2)它的設(shè)備容量利用系數(shù)約為 85%,這提供了比其具有相同裝機(jī)容量的河流型水電站高1倍的年發(fā)電量;

(3)生產(chǎn)的電能將用于水處理廠,多余的電能將依據(jù)第5784號法令可直接出售給政府;

(4)沒有土地購置和運(yùn)營成本。

在此背景下,本文旨在探討用于土耳其城市市政供水的小水電資源狀況。

1 可再生能源的政策

土耳其是歐洲第六大電力市場,也是全球增長最快的電力市場之一。土耳其是申請加入歐洲聯(lián)盟(歐盟)的國家之一,因此,預(yù)計土耳其的法律必須與歐盟的法律和政策保持一致。在2000年初,土耳其政府在其能源市場最重要的部分開始進(jìn)行一場雄心勃勃的改革計劃,以滿足日益增長的電力需求。這項改革計劃要求該行業(yè)必須私有化、自由化,并通過重組以提高競爭力。在土耳其,2001年 3月頒布的電力市場法(4628號法案)促使成立了電力市場監(jiān)督管理局,從而使私營業(yè)主必須獲得該管理局頒發(fā)的許可證才可以興建及經(jīng)營電廠。

此外,2005年5月頒布的土耳其《再生能源法》(第5346號法令),旨在使土耳其政府?dāng)U大利用可再生能源來進(jìn)行發(fā)電,以安全、經(jīng)濟(jì)和合理的方式從這些資源中獲益,減少溫室氣體排放,保護(hù)環(huán)境和發(fā)展實現(xiàn)這些目標(biāo)的相關(guān)制造業(yè)。在土耳其的可再生能源中,小水電被認(rèn)為是最穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)和清潔的可再生能源來源之一。因此,土耳其正在計劃通過建設(shè)更多的小型水電站來開發(fā)其全部的水電資源。此外,有關(guān)法令表明:利用可再生能源發(fā)電,其裝機(jī)容量小于500kW的合法實體無需申請許可,并且政府保證會以5.5歐分/kWh的價格收購多余的電量。預(yù)計該法案將吸引企業(yè)家來投資小型和微型水電站的建設(shè)。土耳其出臺的所有法律法規(guī),尤其是在過去10a中所頒布的,對其進(jìn)入歐盟內(nèi)部能源市場非常重要。

2 水電資源和小水電站狀況

土耳其擁有歐洲最大的水電潛能,其技術(shù)上可開發(fā)的水電資源高達(dá)216TW?h/a。2005年,土耳其僅開發(fā)利用了其技術(shù)上可開發(fā)的水電資源總量的18.3%(39.6TW?h)。然而,其他歐洲國家在經(jīng)濟(jì)上可行的水電資源的利用范圍卻高達(dá) 65%～100%。在過去的幾十年里,土耳其在經(jīng)濟(jì)上可行的水電資源有一個上升的趨勢。與1960年相比,土耳其2006年的經(jīng)濟(jì)上可行的水電資源增加了2倍。土耳其境內(nèi)有26個流域,但 97%的水電資源卻分布在位于山區(qū)的14個流域中。2006年,土耳其擁有的 36750MW的水電資源總量中,已有35%得到了利用,已有9%正在建設(shè)中。此外,總裝機(jī)容量為20765MW的573個水力發(fā)電廠已經(jīng)列入計劃。流淌在該國的幼發(fā)拉底河,其流域面積為127304km2,高程在500m至5000m范圍內(nèi),蘊(yùn)藏著該國 30%的水電資源。

土耳其為山區(qū)地形,平均高程達(dá)1132m,大約是歐洲平均高程的 3倍。這種地形有利于形成高梯度溪流,是小水電開發(fā)的合適地點。在土耳其,2006年有38座總裝機(jī)容量為51MW的小型水電站、31座總?cè)萘繛?79MW的微型水電站在運(yùn)行。可再生能源法已對土耳其水電站的發(fā)展起到明顯效果。與2006年相比,2007年在經(jīng)濟(jì)上可開發(fā)的水電資源增加了15%。此外,水電站的建設(shè)增加了 3倍,而且計劃修建的水電站數(shù)量大概多了一倍(表1)。新建項目大多是小水電站,因為與2006年相比,計劃裝機(jī)容量只增加了7%。據(jù)屈曲卡利(Kucukali)和巴里斯(Baris)報道,與其他可再生能源相比,修建小水電站是最廉價的選擇,而相對于其他歐洲國家,土耳其小水電站的投資成本也是很低的。

表1 土耳其水電站狀況(2006和2007年)

3 市政供水的小水電資源

2008年,土耳其人口為7050萬,按年平均增長率為1%計算,預(yù)計在2030年人口將達(dá)到 9100萬。因此,經(jīng)濟(jì)的增長和人口的增加將使電力和水的需求量更大。2007年,土耳其水資源的實際消費(fèi)量達(dá)401億 m3,相當(dāng)于水資源蘊(yùn)藏量總值的17%。從圖1可以看出,大部分的水被用于灌溉,這不僅是土耳其耗水量中的最大組成部分,而且是水資源最大的資金分配項目。預(yù)計生活用水需求量將由2007年的 62億 m3增至2030年的260億 m3。還應(yīng)當(dāng)注意,2006年生活用水中,36%由水庫提供,井水和泉水分別占27.1%和26.7%。

根據(jù)國際大壩委員會(ICOLD)的標(biāo)準(zhǔn),如果從基礎(chǔ)算起,壩高超過15m或者庫容等于或超過 3 hm3,則稱之為大壩。根據(jù)這一定義,2008年有45座用于城市供水的水庫大壩運(yùn)行。這些用于城市供水的大壩主要分布在23個城市,其中大部分位于像安卡拉(Ankara)、伊斯坦布爾(Istanbul)和伊茲密爾(Izmir)這樣的大城市。這些水壩大多是堆石壩。丘布克Ⅰ號壩(CubukIDam)是建于土耳其共和國時代的第1座壩,它是為首都安卡拉提供生活用水而修建的。20世紀(jì) 60年代以后,該國供水大壩建設(shè)規(guī)模更引人注目。

水電仍是最有效的發(fā)電方式。現(xiàn)代水輪機(jī)可將高達(dá) 90%的有效能量轉(zhuǎn)化為電能,相比之下,最好的化石燃料電廠也只有大約50%的效率。水電是可再生的,因為它從太陽,尤其是從水文循環(huán)中吸收基本能量。水電站裝機(jī)容量 P(kW)按照下式計算:

圖1 土耳其各行業(yè)需水量

式中 r是水的容重,Q是流量,m3/s;H是水頭,m;ΔH是水頭損失,m;η是水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的工作效率之和。一座水電站的年發(fā)電量 E(kW?h/a)由下式求出:

式中 t是1a的工作時間。水處理廠年運(yùn)行時間取為7300h,于是,電站流量(m3/s)計算方法是

將電廠的設(shè)計水頭選為水庫平均水位對應(yīng)的水頭。在2009年,土耳其的電價約為10歐分/kW。這個值可用于確定水電站的經(jīng)濟(jì)效益。

4 實例分析

烏盧坦(Ulutan)大壩位于土耳其西北部宗古爾達(dá)克地區(qū)(Zonguldak)。該壩于1986年開始運(yùn)行,其經(jīng)濟(jì)壽命將在2036年結(jié)束。大壩的水庫集水面積為22.4km2、年平均流量為20.6hm3/a、年輸沙率為17920m3。該壩壩高57.5m。烏盧坦大壩為宗古爾達(dá)克地區(qū)提供1800m3/h(0.5m3/s)的生活用水。當(dāng)?shù)厮瘑T會(DSI)負(fù)責(zé)大壩管理,而水處理廠的運(yùn)營由宗古爾達(dá)克市政聯(lián)盟負(fù)責(zé)。該水處理廠已于1993年開始運(yùn)行。水處理廠的功能是通過以下步驟使處理過的水可以按飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)接受:

(1)級聯(lián)曝氣;

(2)采用沉淀和過濾方法使固體分離;

(3)加入氯消毒。

處理后的水借助于 4個水泵提升到一個 62m水頭高的儲罐。每個泵的功率為160kW,水處理廠年用電量為5400GW?h。圖2為烏盧坦大壩總體布置方案;圖 3為烏盧坦水庫大壩高程示意;圖 4為烏盧坦小水電開發(fā)示意。

圖2 烏盧坦大壩總體布置方案

圖3 烏盧坦水庫水位 -庫容關(guān)系示意

水通過直徑為1m的鋼管從水庫輸送到水處理廠,取水口設(shè)置在大壩上游面的右側(cè)。水庫運(yùn)行水位在河谷底線以上14.5～56m之間的范圍內(nèi)變化。35m的平均水位作為設(shè)計水頭,設(shè)計流量選定為0.5m3/s。該水電站的設(shè)計特征參數(shù)見表2。水電站裝機(jī)容量按150kW計算,該系統(tǒng)預(yù)計每年將產(chǎn)生電能1089GW?h。建議的水力發(fā)電廠將削減水廠20%的用電,其回收期僅為1.8a。

圖4 烏盧坦水廠小水電開發(fā)示意

表2 用于烏盧坦水處理廠的小水電特征參數(shù)

5 結(jié) 語

根據(jù)政府政策和經(jīng)濟(jì)狀況,對土耳其目前小水電站的情況進(jìn)行了討論,對用于全國市政供水的小水電潛力進(jìn)行了評價。據(jù)估計,用于土耳其市政供水水壩的水電資源蘊(yùn)藏量大約為173GW?h/a,相當(dāng)于1700萬歐元/a的經(jīng)濟(jì)效益。從這些系統(tǒng)生產(chǎn)出的電力可以用于水處理廠,多余的電能將根據(jù)法律(第5784號法令)出售給政府而無需申請許可證。為了進(jìn)行實例研究,已對宗古爾達(dá)克省的烏盧坦壩及水處理廠進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查。結(jié)果表明,在上述系統(tǒng)中修建水電站經(jīng)濟(jì)上是可行的,并受到土耳其政府能源政策的支持。