小水電站改造研究論文
時間：2022-12-04 09:41:00
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上世紀70年代以來，由于石油價格飛漲、礦石燃料儲蓄量的有限性及其嚴重的溫室效應(yīng)，世界對可再生能源的興趣持續(xù)升溫，技術(shù)最成熟、經(jīng)濟最可行的小水電尤其受到青睞。上世紀早期就積極開發(fā)小水電的西方發(fā)達國家，到70年代已經(jīng)停止發(fā)展并廢棄了大量小水電站，這時又開始重新發(fā)展，包括新開發(fā)和恢復(fù)更新、改造舊電站。一批發(fā)展中國家，也紛紛制訂了宏偉的計劃，興建了一批小水電站。經(jīng)過幾十年的運行，許多電站陸續(xù)開始老化。最近有一家“水電設(shè)備協(xié)會”（HEA）從在該協(xié)會登記的世界范圍小水電站機電設(shè)備訂貨清單中發(fā)現(xiàn)近10年來世界性水電站更新改造的潛力有了很大增長。特別是北美洲與歐洲一些國家的小水電站大多是在50年代至80年代建造的，它們所屬更新設(shè)備的份額在今后10年內(nèi)估計將保持70％左右（見表1）。
從表1可看出，2004年的估計，北美和歐洲需要更新改造的小水電總?cè)萘窟_到680萬kW，這是個不小的數(shù)目。加上中、南美洲，中東及非洲，全球估計接近1000萬kW。他們對更新改造設(shè)備的投入按每千瓦100美元估計，共需10億美元。事實上，許多改造項目，每千瓦100美元是不夠的。
以上統(tǒng)計數(shù)字均未包括中國的。
中國小水電大規(guī)模建設(shè)始于70年代，許多電站迄今已運行10～30年以上不等。據(jù)前幾年不完全統(tǒng)計，大致情況如下（見表2）：
經(jīng)初步了解，有更新改造、擴容需求的小水電站約為8000MW，這些電站普遍技術(shù)性能差，不同程度存在許多技術(shù)問題：如運行不穩(wěn)定，長期在非優(yōu)工況下運行，出力不足；或泥砂磨損與汽蝕嚴重，轉(zhuǎn)輪亟待更換；有的原設(shè)計、水文資料不足，使機組選型不當?shù)鹊取?/p>
受世界銀行委托，亞太地區(qū)小水電研究培訓(xùn)中心于2004年對新疆小水電改造規(guī)劃作了專題考察，提出了報告。詳情見本文實例研究之二。
2改造擴容工作需要有序進行
對舊電站的更新、改造、擴容和開發(fā)新電站一樣，也應(yīng)當有序進行，而不能隨意、一轟而上。面對全球現(xiàn)有水電站需要更新、改造與擴容的巨大潛力，眾多的國際機構(gòu)，包括世界銀行、國際能源署以及國際水電協(xié)會等等都紛紛看好這個市場，給予了充分重視。他們注意到，更新改造對現(xiàn)有電站運行性能的改善、效益的提高、壽命的延長都能起到顯著作用。為此，世界銀行于2004年就委托法國電力公司水電工程中心研發(fā)、編制一套舊電站更新、擴容的規(guī)劃、決策大綱，用以促進現(xiàn)有電站的業(yè)主們對舊電站重新投資，予以更新。該大綱于2004年12月編制完成，其目的是幫助決策人員對水電站的更新擴容工作制訂出合理的規(guī)劃以及最佳的實施時間表。
這個大綱全名“大壩與水電站更新改造擴容的規(guī)劃與決策大綱”，可用以指導(dǎo)大壩與水電站改造擴容過程中的選站、審批、投資及實施等各個環(huán)節(jié)，使之有序順利開展并獲得較高的內(nèi)部收益率（IBR）。大綱里所指的更新改造還包括大壩安全與水資源的優(yōu)化利用。
如前節(jié)所說，全球水電站更新改造與擴容的潛力約為1000萬kW（不包括中國），水電設(shè)備協(xié)會（HEA）估計，總需投資至少10億美元。這么大的投資規(guī)模必須在合理規(guī)劃指導(dǎo)下，有序進行。
水電站是一項長期投資、運行費用極低的工程，可以惠及幾代人。項目的初期投資一經(jīng)歸還（如10年左右），這項水電資源所提供的財務(wù)、經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益幾乎可延續(xù)上百年，作為水與能源交換的一種主要方式，它可以成為全社會持續(xù)發(fā)展的一個重要工具。
雖然改造擴容工作可以使現(xiàn)有舊電站發(fā)揮最大效益，從而對水資源的可持續(xù)利用作出貢獻，但是電站的性能在運行年限內(nèi)還受其他一些因素的影響，例如設(shè)計、施工和維修的質(zhì)量。因此，有必要深入研究并明確改造、擴容的具體內(nèi)容及其定位。
一般說，正確的維護、修理對保證水工結(jié)構(gòu)和機電設(shè)備的正常運行是十分重要的，但維修不能完全消除設(shè)施的老化過程，因此到了一定時段，為了避免電站收入減少，以及運行維修費用的增加，更新改造仍是必須的。國外有專家把維修和更新改造對電站性能的影響定性地畫出一幅曲線圖，形象地表示更新、改造的時間。如圖1所示，當電站性能降低到加速惡化前，就必須利用更新改造將其恢復(fù)到原設(shè)計水平；還可通過擴容等手段，進一步提高性能。如何確定這個點，就是我們所要研究的問題。
更新改造與維修和新建項目都有很大不同。并有可能陷于二者之間而被忽視，使決策人不能正確估計改造擴容的方案在滿足水與能源增長的需求中的作用。這也是世界銀行要求開發(fā)這種決策方法的原因，使決策人能夠正確評估改造擴容的效益。
3改造擴容規(guī)劃決策大綱的框架
法國電力公司編制的這個決策大綱為改造擴容項目提供了一個實用的決策方法，用以選擇易于吸引投資、便于實施的優(yōu)化項目。大綱的實施按下列6個步驟進行（見圖2）：
1）先對大壩和水電站作一個基本情況評估，包括擴容和性能優(yōu)化方案的鑒定；
2）對已明確的水量和電力供應(yīng)、以及安全、環(huán)保與社會發(fā)展的需求進行審查；
3）根據(jù)上述2個步驟所取得的資料，明確可能改造擴容項目的規(guī)模；
4）以多條件定性分析的方法對一批可能的項目進行篩選，選出一批數(shù)目適當?shù)捻椖抗┭芯浚?/p>
5）以多條件定量的方法對選出的項目進行排隊，包括深入的經(jīng)濟分析以及確定風(fēng)險等級、社會與環(huán)境性能、融資的可能情況和實施的時間進度等等；
6）對首選的幾個項目編制一份實施計劃，包括時間進度、預(yù)期的融資安排、設(shè)備采購措施、初步工作計劃以及對可行性研究的任務(wù)要求。
上述大綱框架的最主要部分是各種需求的系統(tǒng)分析以及能否及時引入資金的情況，這二者影響最終結(jié)果。此外，這個大綱的方法也是為了將可比的項目數(shù)限制在合理的范圍內(nèi)，從而盡可能精簡方案評估過程。
當然，這種方法并不能到處生搬硬套，而仍需要因地、因項目制宜，從明確主要目的開始，并對有些已經(jīng)具備開工條件的項目多加考慮。
4改造、擴容的決策人與投資人需考慮的重點
除了上述決策方法外，法國電力公司還研究提出了一些建議供決策人和融、投資方考慮：
1）為便于舊電站基本情況評估，業(yè)主應(yīng)建立并保存正確的運行、維修記錄；
2）在決策過程中，應(yīng)明確界定業(yè)主和運行單位各自應(yīng)負的責(zé)任，以保證繼續(xù)維護與改造擴容工作的順利轉(zhuǎn)換；
3）非結(jié)構(gòu)性措施如水管理優(yōu)化等應(yīng)予充分挖掘；
4）改造、擴容實施（施工期）的“機會之窗”應(yīng)充分論證、確定（如影響和費用損失最小的停機時間）；
5）在充分利用設(shè)備供應(yīng)商的現(xiàn)代新技術(shù)的同時，獨立專家在決策過程中的重要作用也應(yīng)予以重視；
6）采取與決策過程中不同階段相適應(yīng)的創(chuàng)新、靈活的設(shè)備訂購方式；
7）為保證改造、擴容效益的持續(xù)性，還應(yīng)建立一套新的健全的電站維護方案；
8）決策人在考慮新設(shè)施的方案時，還應(yīng)同時研究現(xiàn)有設(shè)施擴容的方案；
9）對改造擴容的項目應(yīng)考慮其現(xiàn)有環(huán)境與社會情況的處置，適當分配合作伙伴之間的利益、成本和責(zé)任；
10）應(yīng)采用適當?shù)囊?guī)程以保證改造擴容項目的合理開發(fā)與實施；
11）對有些不能產(chǎn)生直接效益的改造擴容項目，如大壩安全項目，則需要多邊投資機構(gòu)的支持；
12）必須提高各類決策人（如電力公司，有關(guān)部門和投融資商等等）對改造擴容的特殊效益的認識。
5資金籌集問題
改造擴容項目的內(nèi)部收益率IBR是很有吸引力的，常可達到20％以上，可以說是典型的高收益項目。但是，水電站的改、擴工程在頭幾年內(nèi)的資金流還是要比火電站等項目差，所以仍可能面臨資金不足的挑戰(zhàn)。從圖2的進程中看，選擇對投資人具有吸引力的項目是第4步（即項目篩選）所需注意的重要條件。
在水電站的改造、擴建項目中，采用公、私合作多渠道融資及分期投入的方式是可行的。對多機組的水電站，改造、擴建期較長，但只要在第一臺機改、擴完工后，即可先行投產(chǎn)，資金收入情況就會好轉(zhuǎn)。這種分期投產(chǎn)的方式可以減少對投資的需求，還可以降低工程成本。因此，項目業(yè)主應(yīng)當充分利用改擴項目的這種分期投入的創(chuàng)新的方法。當然，在項目實施的初期，還是需要多邊投資機構(gòu)（這是從國際上說。但從國內(nèi)說還是要政府機構(gòu)）的支持，而在部分機組投產(chǎn)后，就可由私營企業(yè)接管，繼續(xù)投資。對于一些資本金不足的私營企業(yè)，政府仍是重要的推動者和靠山。
6實例研究
實例研究之一：土耳其
土耳其具有世界水電資源的1％左右，土耳其電力總局（EUAS）和其他一些主管部門研究的成果表明，土耳其的技術(shù)經(jīng)濟可開發(fā)的水電資源為3500萬kW，其中有340萬kW正在開發(fā)施工中。
土耳其電力總局擁有100多座水電站，總裝機容量1160萬kW，其發(fā)電量為全國電力的113。這些電站中，有的是早在1902年投產(chǎn)的，容量從0．2～240萬kW。直至2004年以前，還沒有進行過改造工作。2004年，土耳其電力總局委托法國電力公司水電工程中心（EDF-CIH）制訂一個規(guī)劃大綱并對優(yōu)選的項目提出一份可行性研究報告。該任務(wù)從2004年7月開始，2005年3月完成，并另由法國電力公司未參與該規(guī)劃開發(fā)工作的幾位工程師對規(guī)劃大綱進行評估，以保證大綱為水電專家所理解，并有現(xiàn)實意義。
這個實例研究了在土耳其如何應(yīng)用這個大綱，對決策有什么予期，大綱又怎樣指導(dǎo)具體改造擴建項目的實施。在完成需求審查和原有設(shè)施基本情況的評估等過程后，確定了5個規(guī)模不同的項目，從一項設(shè)備的改造到整個電網(wǎng)全部設(shè)施的更新。該5個項目為：
1）更新135萬kW的柯班電站；
2）對幼發(fā)拉底河流域所有水電站全面運行情況的更新；
3）對薩卡耶河流域主要水電站的改造；
4）提高少數(shù)幾個主要水電站的水輪機效率；
5）改進少數(shù)幾個主要（有戰(zhàn)略意義的）水電站的服務(wù)設(shè)施，如擔(dān)任旋轉(zhuǎn)備用和全停電后的起動能力等等。
按照大綱工作步驟進行，柯班水電站被選為在土耳其進行改造、擴容的最佳項目。建在幼發(fā)拉底河上的柯班電站是土耳其第三大水電站，分兩階段建成的：柯班1站為4臺15．75萬kW，于1974年投產(chǎn)；柯班2站為4臺18萬kW，于1985年投產(chǎn)。
然后對柯班改造項目進行可行性研究，以確定項目的具體細節(jié)，包括所需成本與收益。該項目的改造任務(wù)為：
1）更新水輪機導(dǎo)葉以減少滲漏；
2）將柯班1站的發(fā)電機定子線圈更換為F級絕緣以增加機組出力；
3）將柯班2站的發(fā)電機定子接線恢復(fù)到原來的性能與效率；
4）改造頻率與電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)；
5）改造機組控制系統(tǒng)；
6）實施一套全自動控制系統(tǒng)。
根據(jù)評估結(jié)果，業(yè)主決定實施改造計劃，于2006年開工，2011年完工。編制工程設(shè)計與設(shè)備訂貨任務(wù)的咨詢單位已經(jīng)選定。主要招標工作計劃于2006年底起動。目前，業(yè)主正在為此籌資。
“大綱”在土耳其改、擴項目中的成功應(yīng)用，說明其實用性，可作為決策者的有力工具，并適應(yīng)國家在時間和任務(wù)范圍方面的限制。該大綱可使改擴項目的決策和實施過程更為有效，并保證所選項目在水電對持續(xù)發(fā)展的一般貢獻范疇內(nèi)發(fā)揮全面效益。
實例研究之二：中國新疆
受世界銀行委托，亞太地區(qū)小水電研究培訓(xùn)中心于2004年派專家組對新疆小水電作了系統(tǒng)調(diào)查，并對20余座電站作了深入的考察。考察報告認為新疆現(xiàn)有119萬kW小水電站運行時間都已有20～40年，存在問題很多。經(jīng)分析和初步規(guī)劃、篩選，提出了有必要改造、技術(shù)上可行、且今后有能力歸還貸款的15座小水電站，作為第一批改造項目，這批項目原有裝機總?cè)萘?0．4萬千瓦，改造、擴容后可增容2．98萬kW，約為原有裝機容量的29％，需要投入資金約1億元，平均每千瓦投資3600元，遠低于當?shù)匦陆娬就顿Y6000～8000元／kW。說明更新改造的經(jīng)濟效益是十分明顯的。
考察報告指出，現(xiàn)有小水電存在的問題為：機組性能落后，制造質(zhì)量差；控制、保護設(shè)備陳舊，自動化程度低；機組部件磨損與汽蝕嚴重；有的設(shè)備嚴重老化，絕緣下降等等。并提出技術(shù)改造的規(guī)劃方案與原則。對需要改造的電站進行分類，采取不同改造方式。針對電站具體情況，因地制宜、進行優(yōu)化設(shè)計，緊密結(jié)合和妥善處理各個電站的不可變或不宜改變的制約條件，在有限的投資情況下，盡量增加年發(fā)電量、提高電站經(jīng)濟效益。不同電站大體分類如下：
1）需要對設(shè)備進行整體更換的；
2）主設(shè)備局部改造，輔機及電氣控制、保護設(shè)備整體更換；
3）對現(xiàn)在的實際水頭或流量比原設(shè)計大的或小的電站，可增容改造或減容改造。
改造規(guī)劃除對上述各類改造提出了詳細技術(shù)方案和措施，還對增容改造的電站提出了一些關(guān)鍵性技術(shù)環(huán)節(jié)。
從規(guī)劃的原則、實施細則及其可操作性來看，和法國電力公司編制的“大綱”，有許多相似之處，又有一些不同之處，可以互為補充。利用二者結(jié)合的方法，可作為今后一個國家或一個地區(qū)小水電改造規(guī)劃的指導(dǎo)，可能產(chǎn)生理想的效果。
參考文獻：
[1]FrameworkforDecidingtoRehabilitateandUprateHydroFacilities[J]．《HRW》，2006，（7）．
[2]呂建平．新疆小水電考察與改造可行性研究（向世界銀行的報告）[R]．2004，10．