阿图什市工业园区供水工程利用管道水压发电的可行性研究

张金承

(水利部新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

阿图什市工业园区供水工程，水源为乌瑞克河河水，供水方向为阿图什市工业园区。该工程从2009年开始进行可研分析，目前已进入招标阶段。工程分两期建设。该工程管道全长55.819km，一期工程年引水量725万m3/s，引水流量为0.7m3/s。在可研阶段经比较推荐单管供水，管道在46.437km处将水引入到麻扎尔塔格水库进口，然后再从水库放水涵下游引水至工业园区调节水池，水库下游段管道长9.382km。工程取水建筑物处乌瑞克河河道高程为2328.0m，末端调节池处地面高程为1603.0m，总落差725m。管道0+000～15+800段为倒虹吸地形，其下游段基本是上游高下游低的地形，从倒虹吸地形的下游端至末端调节水池地形落差为708m。从地形看沿线落差大，纵坡陡，具有利用地形落差进行水力发电的条件，为此可研阶段提出了利用管道沿线水压发电的设想，并进行了多种方案研究。

2 建电站的可行性分析

根据管道沿线消能方式比较结论，管道沿线共划分七段，采用分段末端设消能阀再辅以消能井的方案。管道沿线建电站从第二段开始，按以下三种方案分析研究:方案一，按管道推荐分段方案不变，从首先满足供水附带发电考虑;方案二，相对方案一，管道分段减至五段，管径不变;方案三，管线分段按方案二不变，充分考虑发电，扩大管道直径，减小管道沿程水损，增加管道分段末端发电水头，增加发电量。

2.1 方案一:从首先满足供水附带发电考虑

该方案一期工程设计引水流量为0.7m3/s，按照供水规范管道引水流速不宜大于3.0m/s的要求，可选的供水管径有三种:

当管径DN=600mm时，流速v=2.48m/s;

当管径DN=700mm时，流速v=1.82m/s;

当管径DN=800mm时，流速v=1.39m/s。

以上三种管径的设计流速均在经济流速范围之内，且均满足大于不淤流速0.6m/s的要求。根据工程比选，管材的工作压力一般选择中压较经济，通过经济比较后，在首先考虑供水、附带考虑发电情况下，选管道直径为DN600较经济，即在管道桩号15+800以下分为六段较经济，在该六段上建电站(一用一备)，该方案总装机容量1195kW，年发电量1519万kW·h。见表1。

表1 方案一电站特性

按表1在不建电站的情况下，仅建管道、构(建)筑物、交叉建筑物、防洪建筑物、取水建筑物及末端调节水池等，经计算管道工程投资为20661万元;仅电站 (不包括上网输电线路投资)投资5245万元，管道加电站的投资为25906万元。

2.2 方案二:管道分段合并，管径不变建电站

由于方案一中管道的分段高差最大122m，最小110m，而玻璃钢管的最大工作压力为2.5MPa，相比管道分段落差还可以提高，管道分为五段后最大落差233m，管材压力相对2.5MPa还有一定的压力余量，合并后管道从桩号15+800下游共有四段 (不包括上游倒虹吸段)，在管道直径不变情况下，前两个电站的装机水头增加了，电站数量仅剩四座，电站机组采用一用一备，同时也减少了电站及沿线构筑物的投资。

管道从15+800下游分为四段时，建电站四处，总装机容量1120kW，年发电量1496万kW·h。在不建电站的情况下管道、构 (建)筑物、交叉建筑物、防洪建筑物、取水建筑物及末端调节水池等工程总投资为21061万元;建电站后仅电站投资 (不包括上网输电线路投资)3664万元，管道投资加电站投资为24724万元。见表2。

表2 方案二电站特性

2.3 方案三:管道分段同方案二，加大管道直径，提高发电水头

该方案引水流量0.7m3/s不变，当管道直径变为800mm时，流速为1.39m/s，经水力计算后，仅管道工程总投资为23745万元，建电站后仅电站投资 (不包括上网输电线路投资)5243万元，管道投资加电站投资为28988万元。

方案三各分段电站额定水头、装机、年发电量及投资见表3。

表3 方案三建电站特性

2.4 经济比选

对以上建水电站的三个方案，采用经济净现值法

进行方案经济比选，对三个方案的计算结果见表4。

表4 经济评价结果

2.5 三个方案比较

方案一总投资25906万元，总装机容量2.39MW，总发电量1519万 kW·h，经济净现值7924万元;

方案二总投资24724万元，总装机容量2.24MW，总发电量1496万 kW·h，经济净现值8859万元;

方案三总投资28988万元，总装机容量3.66MW，总发电量2231万 kW·h，经济净现值7455万元。

三者相比，方案二工程投资较少，经济净现值较高，具有建电站的优势，因此推荐方案二建电站管线分段方案。根据比较结果仅对方案二进行财务分析评价。由于该工程投资主要为贷款修建，分析该工程的最大贷款比例，使得在还款期内资本金内部收益率不低于行业内部收益率，在工程运行期内使企业能正常运转并实现盈利是分析的目的，分析结果见表5。

表5 推荐建电站方案财务评价结果

3 综合分析

该工程建电站若按总投资的60%、70%、80%贷款，计算还本付息上网电价最低必须分别达到0.3938元/(kW·h)、0.4492元/(kW·h)、0.5052元/(kW·h)时，收益率才能大于行业收益率的8%的要求;按新发改能价 ［2011］54号《关于5万千瓦以下水电站上网电价问题的通知》:“自治区对小水电上网电价实行上限价格管理，上限价格水平暂定为0.235元/千瓦时 (含税)”进行计算时，收益率仅能达到2.66%，仍小于一般行业要求的8%要求。若按上网电价为0.235元/(kW·h)进行计算，最大贷款比达到31%时，资本金内部收益率仅能达到2.06%，投资效益仍较差。经分析，工程效益差的基本原因有三个:一是该工程年供水量较小，年供水量仅725万m3/s;二是工程输水距离较长，投资相对较大;三是水电上网电价偏低。

通过以上分析，按自治区实行的不大于5万kW的小水电上网电价0.235元/(k·Wh)上网，电站不亏损的最大贷款仅占投资的31%，贷款比例大于31%后建电站就没有效益，或者说自有资金必须不少于69%经济效益才可行。经分析该项目建电站盈利能力有限，近期不宜建水电站。但该电站若能增加年供水量，降低供电成本单价，并积极申请国家以电代燃投资，使电站财务可行，或自有资金充裕时，管道沿线电站的建设还是有希望的。

4 结语

重力式输水管道工程，常会遇到地形陡、落差大、管道分段末端有很大的剩余水头情况，如何利用好这些水压转化成电能，给我们提出了研究课题。特别是当前大气污染普遍严重的情况下，更应该注重开发绿色能源。从该工程三个方案分析结果可以看出，利用供水工程建水电站，一是要选单位水成本低的工程;二是上网电价占供电电价比重较小。若能适当提高小水电的上网电价占供电电价的比重，就会使更多小水电项目财务效益可行，造福于人类。