可持續發展背景下的小型水電站運行評價

鄭 麗

（貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 550000）

1 引言

可持續發展的理念是當前社會發展的大勢所趨，化石燃料的全球資源，包括固態，液態和氣態儲量，正在逐漸枯竭，導致其價格上漲。一方面，為減少溫室氣體排放，另一方面，尋求替代化石燃料的能源，使得使用可再生能源變得越來越普遍，因此，水電在國內得到快速發展[1-3]。小型水電站（SHP）國內規定裝機容量（P）最高為25 MW。然而，小型水電站也對環境有一些負面影響，通常與動植物有關[4]。研究指出，在水電設施建設期間和建成后的兩年內，可以觀察到小水電對河岸植被水質和棲息地條件的最大負面影響。在這段時間之后，溫度和溶解在水中的氧氣含量都恢復到適合水生生物的正常發育條件，pH值也穩定在可接受的范圍內。

研究人員認為，優化現有水電基礎設施的利用將有利于能源，水和環境安全[5]。SHP的總體評估或優化是一個具有挑戰性的問題，因為通常SHP位于較小的水庫或河流上，存在與流量條件的不均勻性和季節性變化相關的問題[6]。

本文研究指出小水電系統最大的威脅是由于累積的植物殘渣導致入口通道流量的減少，導致流速或水頭下降。由于具有生物多樣性，因此根據其季節變化對植物殘體進行分析評估，殘渣主要形式為大型植物和落葉喬木。春天主要與水生植物有關，秋天葉子的成份很大，而冬天一年的植物殘渣為主。

2 研究區概況

本文對小型水電站在可持續發展條件下的工作評估是基于位于閩江支流上。水通過開放的入口通道供應到渦輪機室，河道長90 m，傾斜度為1∶2。由鋼筋混凝土板制成。水流通道入口的寬度從5.60 m逐漸變窄，最里端5.25 m。通道中的平均水深值為h = 0.66 m。通道的入口處裝有粗垃圾架，垃圾架的寬度為0.5 cm，間距為3 cm。該設施能夠阻擋較大樹枝及樹葉。

圖1 研究區的小型水電站基本概況

3 研究方法

3.1 SHP功率的確定

小型水電站的功率輸出取決于水頭（水輪機上下水位的差）、流量和渦輪機組效率。值得注意，隨著入口垃圾的堆積增多直接影響水口水流量，從而降低發電效率。為了表明由于流量和水頭降低而造成的確切經濟損失，作者對安裝的水輪機的功率輸出為60 kW，水頭為2.35 m，流量為3.3 m3/s的SHP利潤進行了分析。分析水頭分別減少至2.2 m和1.95 m以及流速最多降低10%的模擬。在每種分析的情況下，根據以下公式確定輸出值（假定SHP設備的效率η= 0.7），

其中：P-電廠功率；

Q-流量；

H-水頭；

η-渦輪機組的效率系數是渦輪機，傳動裝置和發電機效率的乘積。

對于小型水力發電廠，該值估計在0.5～0.7之間；對于更大的設施，它的起始價格是0.75～0.85 。通常，假定現代水力發電廠（汽輪機，發電機，驅動器，變壓器）的效率系數約為75%～85%，而舊水力發電站的翻新系數約為55%～70%。多年來，效率由于例如材料磨損而定期降低。

利潤（Z）定義為發電廠容量，發電廠工作時間和每千瓦時單價的乘積。

其中：P-發電廠的功率；

n-電力計劃的運行時間；

c-每千瓦時的單價。

假設SHP的工作時間為3 h，由于它低水位，流量較小。3 h的時間是發電廠的最小運行時間。

3.2 測量植物殘骸

為了這項研究，作者分解了在進水口通道的垃圾架上積累的植物殘渣的成分。考慮到植物殘渣的季節性變化，在兩年期間對其進行了分析。在生長季節期間和干枯季節，每4個樣品分別收集8次有機物。在現場測量過程中，將從SHP垃圾架收集的植物殘渣現場稱重，對樣品進行進一步的測試。在自然條件下干燥物料后，確定了殘渣中主要的植物成分。

4 結果與討論

4.1 與水位和/或流量減少相關的損失

表1列出了根據方程式（1）確定的SHP功率輸出，其中流速和水頭變化不同。

表1 SHP功率輸出取決于流量和水頭的變化

對于降低流量和水頭，SHP可以實現75%的功率輸出。對于最低的水頭和最低的流量，顯然獲得了最高的功率輸出。額定工況功率輸出下降到大約24.5%。結果，這可能導致最大的財務損失（表2）。

表2列出了按經驗計算的年度利潤的預計值（假設工廠每天僅運行3 h）

表2 小水電發電量的年度利潤估算，取決于流量和水頭的變化

4.2 用碎屑覆蓋橫截面

水電投資的經濟價值還包括清潔垃圾架和中和累積的植物殘渣的成本。堆積在垃圾架上的植物殘渣和其他固體必須經過適當的處理。各種植物殘骸包括：樹葉，苔蘚，草和樹枝（圖2）。據觀察，與冬季相比，在溫暖的季節里，河流攜帶的物質更多。實際上，在春季和夏季，河岸被各種類型的植被所淹沒，在植被期之后，這些植被與河流的水流一起流動并積聚在遇到的障礙物上。在秋天，植物殘渣主要由沿河岸生長的樹木的葉子組成。

圖2 從SHP攔污柵收集的植物碎片

如果植物碎片和其他漂浮雜物聚集在攔污柵上，造成降低入水口流量，表5給出了在0%～35%范圍內阻塞橫截面導致的恒定流量下的損失值。35%的容量損失導致水頭損失增加0.1 m。

表3 由于攔污柵流量減小而造成的并列損失

根據覆蓋范圍，對于橫截面覆蓋分別等于5%和35%的情況，范圍可以為0.05～0.1 m。解決影響水流損失的辦法是采用合適的攔污柵。經分析，除了攔污柵的影響外，影響小水電系統經濟性的關鍵因素是清除堆積在垃圾架上的碎屑。

5 總結

本文分析了與SHP液壓相關的參數變化對小型水電站水力和功率損失的影響。詳細分析了水流和功率的關系，還分析了植物殘渣對SHP工作的影響。對植物殘渣進行了重量和種類組成的全面分析。該分析可能有助于類似的小型水電站的設計和運行。對于小水電而言，最大的問題是入口通道容量的損失。保持恒定水位的最佳方法是注意欄污柵的正確設計和操作清潔。