用于土耳其市政供水的小水电开发

[土耳其]S.屈曲卡利

土耳其属于发展中国家,其电力需求量的增长也很迅速。为了增加土耳其的发电量,减少对进口能源的依赖,各级政府一直在尝试加强自然能源的利用和促进可再生能源的利用。据统计,世界总电能的22%来自水电,且其中有许多来自小水电站(SHP)。对于小水电的定义国际上并未达成共识,然而,将装机总容量定在10MW以内正在成为欧洲小水电协会(ESHA)普遍接受的准则。无论是在欧盟还是在世界范围内,小水电站都在电力生产中得到了广泛的应用,而且在不久的将来这一应用还会增强。考虑到其巨大的经济可行潜力,小水电站在土耳其理应得到特别的关注。普尼斯(Punys)和伯利坎(Pelikan)指出,在欧盟(EU)成员国和申请加入欧盟的国家中,小水电站的利用已有超过100a的历史。他们还指出,土耳其只利用了小水电潜力中非常小的一部分。根据世界能源委员会(WEC)的调查,2005年,土耳其共开发利用了其全部小水电潜力(8.7TW◦h/a)的7.7%。

此外,也可以在其过去不是主要用来发电的一些水工建筑物上开发小水电,这些水工建筑物包括:供水水坝、灌溉水渠、污水处理厂、堰以及火电厂水冷却系统等。瑞士国家市政供水系统就修建了 80座此类小型水电站。与河流型水电站相比,其优点可归纳如下:

(1)所有土建工程都是现成的,不必重建,这无疑将使投资成本降低50%;

(2)它的设备容量利用系数约为 85%,这提供了比其具有相同装机容量的河流型水电站高1倍的年发电量;

(3)生产的电能将用于水处理厂,多余的电能将依据第5784号法令可直接出售给政府;

(4)没有土地购置和运营成本。

在此背景下,本文旨在探讨用于土耳其城市市政供水的小水电资源状况。

1 可再生能源的政策

土耳其是欧洲第六大电力市场,也是全球增长最快的电力市场之一。土耳其是申请加入欧洲联盟(欧盟)的国家之一,因此,预计土耳其的法律必须与欧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场最重要的部分开始进行一场雄心勃勃的改革计划,以满足日益增长的电力需求。这项改革计划要求该行业必须私有化、自由化,并通过重组以提高竞争力。在土耳其,2001年 3月颁布的电力市场法(4628号法案)促使成立了电力市场监督管理局,从而使私营业主必须获得该管理局颁发的许可证才可以兴建及经营电厂。

此外,2005年5月颁布的土耳其《再生能源法》(第5346号法令),旨在使土耳其政府扩大利用可再生能源来进行发电,以安全、经济和合理的方式从这些资源中获益,减少温室气体排放,保护环境和发展实现这些目标的相关制造业。在土耳其的可再生能源中,小水电被认为是最稳定、经济和清洁的可再生能源来源之一。因此,土耳其正在计划通过建设更多的小型水电站来开发其全部的水电资源。此外,有关法令表明:利用可再生能源发电,其装机容量小于500kW的合法实体无需申请许可,并且政府保证会以5.5欧分/kWh的价格收购多余的电量。预计该法案将吸引企业家来投资小型和微型水电站的建设。土耳其出台的所有法律法规,尤其是在过去10a中所颁布的,对其进入欧盟内部能源市场非常重要。

2 水电资源和小水电站状况

土耳其拥有欧洲最大的水电潜能,其技术上可开发的水电资源高达216TW◦h/a。2005年,土耳其仅开发利用了其技术上可开发的水电资源总量的18.3%(39.6TW◦h)。然而,其他欧洲国家在经济上可行的水电资源的利用范围却高达 65%～100%。在过去的几十年里,土耳其在经济上可行的水电资源有一个上升的趋势。与1960年相比,土耳其2006年的经济上可行的水电资源增加了2倍。土耳其境内有26个流域,但 97%的水电资源却分布在位于山区的14个流域中。2006年,土耳其拥有的 36750MW的水电资源总量中,已有35%得到了利用,已有9%正在建设中。此外,总装机容量为20765MW的573个水力发电厂已经列入计划。流淌在该国的幼发拉底河,其流域面积为127304km2,高程在500m至5000m范围内,蕴藏着该国 30%的水电资源。

土耳其为山区地形,平均高程达1132m,大约是欧洲平均高程的 3倍。这种地形有利于形成高梯度溪流,是小水电开发的合适地点。在土耳其,2006年有38座总装机容量为51MW的小型水电站、31座总容量为179MW的微型水电站在运行。可再生能源法已对土耳其水电站的发展起到明显效果。与2006年相比,2007年在经济上可开发的水电资源增加了15%。此外,水电站的建设增加了 3倍,而且计划修建的水电站数量大概多了一倍(表1)。新建项目大多是小水电站,因为与2006年相比,计划装机容量只增加了7%。据屈曲卡利(Kucukali)和巴里斯(Baris)报道,与其他可再生能源相比,修建小水电站是最廉价的选择,而相对于其他欧洲国家,土耳其小水电站的投资成本也是很低的。

表1 土耳其水电站状况(2006和2007年)

3 市政供水的小水电资源

2008年,土耳其人口为7050万,按年平均增长率为1%计算,预计在2030年人口将达到 9100万。因此,经济的增长和人口的增加将使电力和水的需求量更大。2007年,土耳其水资源的实际消费量达401亿 m3,相当于水资源蕴藏量总值的17%。从图1可以看出,大部分的水被用于灌溉,这不仅是土耳其耗水量中的最大组成部分,而且是水资源最大的资金分配项目。预计生活用水需求量将由2007年的 62亿 m3增至2030年的260亿 m3。还应当注意,2006年生活用水中,36%由水库提供,井水和泉水分别占27.1%和26.7%。

根据国际大坝委员会(ICOLD)的标准,如果从基础算起,坝高超过15m或者库容等于或超过 3 hm3,则称之为大坝。根据这一定义,2008年有45座用于城市供水的水库大坝运行。这些用于城市供水的大坝主要分布在23个城市,其中大部分位于像安卡拉(Ankara)、伊斯坦布尔(Istanbul)和伊兹密尔(Izmir)这样的大城市。这些水坝大多是堆石坝。丘布克Ⅰ号坝(CubukIDam)是建于土耳其共和国时代的第1座坝,它是为首都安卡拉提供生活用水而修建的。20世纪 60年代以后,该国供水大坝建设规模更引人注目。

水电仍是最有效的发电方式。现代水轮机可将高达 90%的有效能量转化为电能,相比之下,最好的化石燃料电厂也只有大约50%的效率。水电是可再生的,因为它从太阳,尤其是从水文循环中吸收基本能量。水电站装机容量 P(kW)按照下式计算:

图1 土耳其各行业需水量

式中 r是水的容重,Q是流量,m3/s;H是水头,m;ΔH是水头损失,m;η是水轮机和发电机的工作效率之和。一座水电站的年发电量 E(kW◦h/a)由下式求出:

式中 t是1a的工作时间。水处理厂年运行时间取为7300h,于是,电站流量(m3/s)计算方法是

将电厂的设计水头选为水库平均水位对应的水头。在2009年,土耳其的电价约为10欧分/kW。这个值可用于确定水电站的经济效益。

4 实例分析

乌卢坦(Ulutan)大坝位于土耳其西北部宗古尔达克地区(Zonguldak)。该坝于1986年开始运行,其经济寿命将在2036年结束。大坝的水库集水面积为22.4km2、年平均流量为20.6hm3/a、年输沙率为17920m3。该坝坝高57.5m。乌卢坦大坝为宗古尔达克地区提供1800m3/h(0.5m3/s)的生活用水。当地水利委员会(DSI)负责大坝管理,而水处理厂的运营由宗古尔达克市政联盟负责。该水处理厂已于1993年开始运行。水处理厂的功能是通过以下步骤使处理过的水可以按饮用水水质标准接受:

(1)级联曝气;

(2)采用沉淀和过滤方法使固体分离;

(3)加入氯消毒。

处理后的水借助于 4个水泵提升到一个 62m水头高的储罐。每个泵的功率为160kW,水处理厂年用电量为5400GW◦h。图2为乌卢坦大坝总体布置方案;图 3为乌卢坦水库大坝高程示意;图 4为乌卢坦小水电开发示意。

图2 乌卢坦大坝总体布置方案

图3 乌卢坦水库水位 -库容关系示意

水通过直径为1m的钢管从水库输送到水处理厂,取水口设置在大坝上游面的右侧。水库运行水位在河谷底线以上14.5～56m之间的范围内变化。35m的平均水位作为设计水头,设计流量选定为0.5m3/s。该水电站的设计特征参数见表2。水电站装机容量按150kW计算,该系统预计每年将产生电能1089GW◦h。建议的水力发电厂将削减水厂20%的用电,其回收期仅为1.8a。

图4 乌卢坦水厂小水电开发示意

表2 用于乌卢坦水处理厂的小水电特征参数

5 结 语

根据政府政策和经济状况,对土耳其目前小水电站的情况进行了讨论,对用于全国市政供水的小水电潜力进行了评价。据估计,用于土耳其市政供水水坝的水电资源蕴藏量大约为173GW◦h/a,相当于1700万欧元/a的经济效益。从这些系统生产出的电力可以用于水处理厂,多余的电能将根据法律(第5784号法令)出售给政府而无需申请许可证。为了进行实例研究,已对宗古尔达克省的乌卢坦坝及水处理厂进行了详细调查。结果表明,在上述系统中修建水电站经济上是可行的,并受到土耳其政府能源政策的支持。