布隆迪小水电工程开发方案研究

［德国］C.泰弗纳兹 等

布隆迪拟从已确定的41处小水电开发坝址中预选出10处，旨在从技术、生态环境和经济的角度进行研究比较，以确定4处最佳坝址。经多次比选及可行性研究，对胜出的2个工程坝址进行详细勘测。而后，对这2项拟建工程进行总的可行性研究，并根据其最终研究成果，开展工程的招标设计及其标书的编制。

基于总体规划研究的已有设计，确定土木工程、金属结构和机电设备的费用。借助于软件工具——水电成本计算(HPC)，在研究早期即确定最佳容量范围:两处最佳坝址吉吉(Jiji)和穆伦布韦(Mulembwe)的装机容量分别为32.5 MW和17 MW。

这种由HPC软件支持的逐步筛选法(见图1)，可以确保从总体规划备选工程中选择最佳工程的过程省时省钱。目前，几项工程已到了开发后期，有可能会吸引政府和私人投资，说明这种方法在布隆迪的运用获得了成功，可作为其他小水电蕴藏量丰富的国家用以开发的模板。

1 能源现状

目前，布隆迪共和国的经济发展受限于发电量和装机容量。该国的电力需求量稳定增长，但能源部门却没有对新装机容量进行大规模投资，这使其电力供应严重不足，估计缺少25 MW左右，预计在不久的将来供电将更加不足。世界银行也承认这一事实，2011年6月，世行为此召开有该国各部门和大使馆参与的圆桌会议。

图1 开发小水电项目的逐步筛选法

为了满足电力需求，1995年，布隆迪建设并运行了一座装机为5.5 MW的柴油电站。然而，柴油需从肯尼亚蒙巴萨岛进口，高昂的油价导致柴油发电的单位成本高于0.33美元/kW·h。因此，电站不能持续使用，不是长期的解决办法。

目前，布隆迪的供电主要来自水力发电，其水电总装机容量约为33 MW，全国年发电量约为110GW·h。大多数电站为径流式，峰荷由装机18 MW的中型电站鲁韦古拉(Rwegura)发电，该电站由年调节水库供水。此外，每年从鲁济济(Ruzizi)河上的2座水电站进口约95 GW·h的电力，鲁济济河是卢旺达和刚果民主共和国之间的界河。第1座电站，即鲁济济1级电站，装机容量为28 MW，属于刚果民主共和国兴业国家电力公司(SNEL)所有;第2座电站，即鲁济济2级电站，装机容量为42 MW，属于由卢旺达、刚果和布隆迪3国组建的兴业国际电力公司(SINELAC)所有。

为了减少对石油的依赖，增加国内发电量，布隆迪国有企业雷吉德索(Regideso)采用逐步法对初步确定的一些潜在坝址进行了研究。在此基础上，拟对20世纪80年代国家总体规划中确定的10项水电工程进行开发。

本文对在该工作中采用的研究方法及其结果作了论述。从研究结果可以看出，该地区拥有巨大的水电蕴藏量。

2 水电蕴藏量

该国的大部分水电工程均位于西部，这里的自然地势优越，高原海拔可达2500m，而坦噶尼喀湖的海拔约为775 m，其间形成了相当高的水头。表1列出了水电总体规划研究中确定的10项工程名称及其主要初始技术－经济参数。

表1 10处坝址的主要技术－经济参数

10项入选工程的总装机容量将近55 MW，估计年发电量为289 GW·h。该工程初始总投资为3.42 亿美元。

工程项目包括径流式、日调节水库和蓄水式水电站。对于径流式工程，装机容量拟在Q95的基础上确定;对于日调节和蓄水式工程，选择2×Q95和Qm的倍数。大多数项目都设计有较长的水道，包括引水口、导水渠、导水管或隧洞和压力管道，以便将水引到电站下游。

3 逐步筛选初选坝址

3.1 收集数据及确认工程特性

首先，收集所有的相关资料。对入选的10处坝址进行现场勘侧，审查坝址条件、推荐的工程布局、各推荐工程与国家电网联网的可及性和可能性。

在工程开发早期，应特别注意工程区的环境和社会状况。因为该国的人口持续增长迫切需要耕地，而修建工程可能会淹没耕地。因此，取消了其中的2项工程。

首次现场勘测时，将对所有的主要技术特征值进行复核。最重要的是确认水工建筑物的总体布置和各工程的建议水头，以核实确切的装机容量和平均年发电量。由顾问对技术数据，比如推荐的建筑物尺寸，大坝或水道的长度进行评估。所有的数据在现场协议中搜集。之后，借助于HPC，将收集的信息资料直接用作输入数据，以修正工程成本。该软件还可用于计算功率输出以及工程的财务和经济参数。

3.2 修正工程成本

HPC软件用于在预可行性研究和可行性研究阶段估算工程布局的成本。用户必须详细说明水电站的各建筑物，比如大坝类型(堰、混凝土重力坝、堤坝)、水道(沉砂池、导水渠、隧道、压力管道、竖井等)的结构和各建筑物主要的基本几何尺寸。对水文数据，如河谷的宽度、斜度等以及地理条件，将分为5级，用于入选单价。

图2为确定工程成本的软件结构示意。

图2 HPC软件结构

根据输入的数据，软件进行初步水力设计，得出水工建筑物的所有相关几何尺寸、机电设备和水力金属结构的特征参数。在水力设计的计算过程中，软件也会对水道进行优化，以减少工程的总造价。作为水头和额定流量的函数，软件会推荐合适的水轮机型;最后，根据所有的尺寸，确定土木结构的工程量，并根据用户确定的单价，来确定土木结构的总成本。使用全球已建工程的统计数据库来计算机电和其他设备的费用。

工程总费用还包括意外开支和间接费用，如现场安装、综合服务、临时工房等。根据用户的要求，可采用间接费用。而且，运用软件进行功率计算，还可以确定每个替代方案的初步经济和财务指标。

3.3 前4项工程的筛选

根据社会－经济评估，以及技术和经济参数，可以做出首次选择。然而，在多因素矩阵中，还应额外考虑一些因素，如交通便利性、与国家电网联网的可能性以及水文数据的可靠性。

在调整矩阵的权衡结果时，应将重点放在各工程的水资源蕴藏量及特殊费用上。对于4处坝址，社会－环境标准是不可循的，因为其影响无法证明。整体评估允许选择4处最佳坝址，即003号吉吉、034号穆伦布韦、020号开特和007号鲁兹布。

在比较研究预选工程的过程中，可以明显地看出总体规划时没有利用工程的最终蕴藏量。这主要是为了布隆迪的电气化，研究选取的方法是确定高负荷时间长的工程。

然而，应用该方法，不是在更经济的情况下利用固有的水资源蕴藏量。从流量过程曲线可以清楚地看出，更经济的设计流量是Q15～Q30，在该范围内，会使发电成本更低。

4 优化工程

4.1 优化过程

工程第2阶段的目标是核实各预选坝址水资源的实际蕴藏量。20世纪80年代的总体规划是根据河流的永久流量Q95确定的水资源蕴藏量，Q95意味着在流量过程曲线上，流量有可能超过95%。既然总体规划中确定的修建水电工程的目标是为了实施农村电气化，那么这样做是很正确的。

在优化前，通过对坝址处的勘测和数据收集更新了基础数据。开展了详细的地形测绘工作，并对重要的现场水文工作进行了分析，以确定河流已有的流量特性曲线。此外，对整个工程区域的地质状况进行了测绘，用于评估地下厂房，为优化水文、地形和地质设计提供了新的基础条件。

为了进行优化，计算了各工程备选方案不同设计流量的造价。借助于软件，为每个设计流量确定了各类建筑物的大小尺寸，比如引水口、沉砂池、引水道、压力管道和厂房。应该注意的是，工程各备选方案的一些造价，比如输电线路、进场道路、开关站、导流工程等仍保持不变，且在每项水电枢纽工程的总造价中占了重要比重。

另外，运用软件确定了不同设计流量的发电量。发电量的计算是基于10d的平均流量。计算考虑了河流应一直保证的生态流量以及水道中由摩擦引起的水头损失和各水工建筑物的局部损失。

将单位发电价格(美元/kW·h)在某一(最优)设计流量时的最小作为选择评判优化的标准。

图3为吉吉水电项目获得的结果。

图3 单位成本作为设计流量的函数

在这一实例中，在第1阶段的初始设计时，设计流量为2.28 m3/s，可装机7.5 MW。进行优化后，新装机容量增加到32.5 MW，最优设计流量为9 m3/s。增加的装机容量使电站的发电量增加了3倍。

4.2 优化结果

优化结果表明，对大多数拟定坝址来说，新的工程装机容量更大，真实的水电蕴藏量比总体规划研究中确定的更高。以两项最优工程为例，水电蕴藏量分别从7.5 MW和5.4 MW增加到了32.5 MW和17 MW。这种结论是令人期待的。然而，通过优化获得的新装机容量和水电蕴藏量却令人惊讶，令工程有了新的希望和前景。

这两项工程，在研究中是运用HPC设计和优化，将使布隆迪的装机容量翻番。两项入选工程都位于布隆迪南部，这里以前发电量很少，因而它们的开发将为布隆迪共和国南部创建新的电力供应源。

表2列出了4项预选工程的初始和优化后的最终装机容量及其发电量。

表2 优化前后的参数对比

2011年10月，对布隆迪水资源开发前景开展了可行性研究。根据研究结果，确定对布隆迪南部的2处拟建坝址进行水资源开发，将进行精心设计。这2处拟建坝址属国家电力公司所有，相隔很近，这使工程的基础设施，如进场道路、输电设施等，可以相互共享。2项工程的总装机容量大约为50MW，发电量约为270GW·h。

5 结论和建议

本文所述的逐步筛选法适用于从水电工程群(如总体规划)中开发工程。它创造了不同分析等级的“工程供应”。在这种情况下，研究工作允许客户有2项工程进行至可行性研究阶段，因为这可以将潜在投资者的兴趣聚焦到不久将来的实施上。虽然是在布隆迪开展的水电实例研究，但是也可以将其用于其他水电蕴藏量还未开发的发展中国家，也可能会成功地应用于邻国的水电研究中，如卢旺达、刚果或坦桑尼亚。这些国家的水文和地形条件非常类似。

研究表明，布隆迪的水资源实际蕴藏量被低估了，其水电蕴藏量可能超过300MW。优化后，2处最优工程的装机容量总计可达50MW，而该容量是客户选择的10处拟建坝址的总装机容量。10处坝址的潜在发电量估计将近290GW·h，所需投资为3.42亿美元。2处入选和优化的工程的发电量为270GW·h，而投资额仅为180亿美元。表3总结了工程的初始和最终设计状况。

表3 工程初始及最终设计参数对比

研究结果表明，根据发电量，布隆迪经济可行的水电蕴藏量很可能比总体规划研究期间估计的蕴藏量高出2～3倍。为了证实这一推测，在考虑最小发电成本的前提下，很有必要对总体规划研究所确定的工程参数进行修正。