奥尔登鱼类友好型水轮机的经济评估

[美国] N.帕金斯 等

奥尔登鱼类友好型水轮机的经济评估

[美国] N.帕金斯 等

奥尔登水轮机被设计成可以使鱼类从水轮机顺流洄游的安全通道，且无需装设昂贵的栅网，自20世纪90年代末期以来，其技术已得到了各类文献的充分论述。美国电力研究所(EPRI)最近开展了一项工程研究，着重于通过商业竞争设计来提高该项技术的经济性。介绍了项目的背景，对该鱼类友好型水轮机的效益进行了评估，利用各种计算方法及模型试验对年发电量进行了预估。

水轮机设计;新机型;鱼类保护;经济评估;美国

随着全世界对可再生能源需求的日益增长，水力发电所具有的对环境产生的影响最小这一特性,成为其可持续发展的驱动力。奥尔登水轮机，具有对鱼类顺流洄游影响最小的优势，在美国能源部(DOE)的前“促进水轮机计划”研发的基础上，最近EPRI对其开展了进一步的开发研究工作。基于这些大量的工作，将奥尔登水轮机设计为鱼类通过水轮机时的顺流洄游的安全通道，无需昂贵的栅网和旁道，同时又减少了鱼道溢流的发电损失。

最新完成的工程研究，旨在提供具有商业竞争力的水轮机设计，使过鱼生存率与通过旁道或溢流的情形类似甚至更佳。已完成的水轮机机械和电气方面的设计，可以毫无困难地适应现场的特殊工况，其成本与常规水轮机设计相差不大。

为了完善2011年的研究成果，2012年完成了测试，对奥尔登水轮机与常规水轮机的设计费用进行了比较和审查,估算的全部工程费用中，包括了2011年研究中未计算在内的土木工程相关费用。测试结果证明，安装奥尔登水轮机的全部工程费用与安装常规水轮机的相当，而且，如果只比较水轮机和附属设备成本，并无明显差异。

1 背 景

多年来，针对奥尔登水轮机开展了大量的研究工作，在此不再赘述2011年以前已完成的研究成果。2011年，EPRI、DOE和行业开展的合作研究，使奥尔登水轮机的性能特性得到了进一步地提高，同时维持着对鱼类友好的特性。这一研究结果表明了对水轮机的初步设计实施商业化运行的可行性。

最初的工程研究目标是为了提供一个具有价格竞争力的水轮机，使过鱼生存率相当于或优于旁道或溢流过鱼的生存率。通过研究，水轮机部件的设计修改显示，在选定的设计点上，水轮机效率几乎提高到了94%，同时也提供了相同或稍许改善的鱼类生存特性。预计长为200 mm的鱼通过原型水轮机的生存率会超过98%。水轮机的这些改造措施还被选中用于降低制造和供货的成本，这样就使设计的竞争力比早期预计的有明显的增强。

研究工作完成后，确定了商业应用的供货范围和价格，价格约1 450美元/kW，供货周期为28个月;该价格包括了水轮机、发电机、控制设备、电站设备的极限平衡、现场安装和试运行的所有费用。不出所料，奥尔登水轮机的价格高出了常规的水轮机，因为其尺寸较大，转速也低了40%。然而，关于节省的溢流或旁通流量的潜在发电收益与投资相比的问题,仍然没有得到解答。

2 特定现场的发电量分析

一家美国公共事业公司正在考虑对一座电站扩建,拟将水轮机替换成鱼类友好型水轮机，以提高鱼类洄游生存率。奥尔登水轮机将作为一个几乎全深度的顺流鱼道，且可产生比现有鱼道大得多的诱导水流(相对于9.4 m3/s,为42.5 m3/s)。

目前，在这座电站里有5台混流式机组，如果要安装奥尔登水轮机，则由于其尺寸较大可能需对现有厂房进行扩建。借助于20世纪90年代早期获得的现场试验数据以及被推荐的奥尔登机组的厂家模型,来研制调度表和预测不同流量工况下的发电量。根据USGS水文测站获取的日流量数据，利用调度表预测了平均年发电量,数据包括1950年9月25日到2010年9月25日的平均日流量。

河流的历史流量数据表明，扩建的第6台机组(13.6 kW)，不管水轮机是什么类型，只需要所有6台机组在满负荷条件下运行时间的20%。在有据可查的流量工况下，本文简要说明了对扩建或不扩建奥尔登水轮机所估算的预期年均发电量。

2.1 工程概述

目前的工程由以下设施构成。

(1) 1座长390.1 m、高4.8 m的混凝土大坝；

(2) 1条长97.5 m的钢筋混凝土抗冰碰垫；

(3) 1间上游船闸室；

(4) 1条长1 341 m的发电廊道；

(5) 1间下游船闸室；

(6) 1条下游鱼道；

(7) 5条压力钢管；

(8) 1间容纳5台发电机组的发电厂房；

(9) 1座变电站。

2.2 研究条件

电站为径流式，其坝顶下的前池水位正常波动范围为0.15 m。作为最近更新的美国联邦能源管理委员会(FERC)许可证调解协议的一部分，假设机组一次性全部启动，那么停机时先停1号机，接着是2号，以此类推。这种发电程序可以将鱼类吸引到隧道南侧的导鱼建筑物内。借助于发电模型,对当前和未来的流量作如下分配。

(1) 基准工况。根据最近更新的FERC许可证，此次研究使用表1中列出的约束条件。

注：*日均跌水的美学流量为8.176 m3/s,由于仿真使用的时间步长是1 d，研究使用加权平均流量,加权平均包括夏季月份24 h周期内白天与夜晚的比率;14 m3/s是白天的流量需求。**根据已建顺流鱼道的现场测试效率确定的最终数值。

(2) 增加鱼类友好型水轮机。与基准工况相同的流量约束条件，且由于奥尔登水轮机成为鱼道，预计无需过鱼流量。

2.3 模 型

利用最小平方方法和其他鲁棒技术，以使水轮机性能特性曲线用于适配3 000多个函数与数据集。曲线适配软件可提供评审模型不确定性的统计指标。除了R2值(确定系数)外，残差、曲线的标准误差和F统计量(固定指数),均被用于对每个函数进行排序。

一旦确定了特性曲线，就可以开发出最优解决方案的数据库。将该实例的最优方案定义为给定流量下电站的发电量最大。根据最优方案制定调度表，可以量化电站每下泄2.8 m3/s时的流量以及最佳机组负荷。开发了2个电站模型，第1个模型只是基于“基准”的已建机组，第2个模型是在基准机组之外增加了奥尔登机组。

2.4 年发电量计算

根据所计算的已建机组的基准发电量，即可以确定现有机组的年均发电量为188 848 MW·h。在对基准发电量与预期发电量进行比较时，模型预测的奥尔登水轮机机组的年发电量为35 905 MW·h。60 a的来水量数据表明,年来水量的变化在减小，可以较好地预测长期发电量。

3 岩土工程成本分析

与常规水轮机相比，在设计方面,奥尔登水轮机的一个显著特点是电站尾水管的布置。根据迄今完成的工程设计结果，在该项工程中,奥尔登水轮机的布置将高于尾水管1.5 m，而转桨式水轮机将会低5 m，常规混流式水轮机布置高为0.5 m。奥尔登水轮机布置高程高于尾水管，意味着安装所需的开挖量的显著下降。在此次研究中，对奥尔登水轮机与转桨式和混流式水轮机有关开挖的土建工程费用进行了比较,并对比较结果进行了详细的分析。

虽然奥尔登水轮机的转轮布置比混流式转轮高(1 m)，但混流式机组的尺寸小，弥补了高度的变化。预计的岩石开挖量及费用对比见表2。

4 方案设计和全部费用

已对工程开展了初步设计，在设计过程中,需要对奥尔登、转桨式和混流式水轮机以及相关土建工程和费用进行对比。通过对已有信息的复审,完成了初步设计工作，在考虑土建工程、施工技术及进度安排、材料和利用预装配部件的能力的基础上，确定了最可行的设计方案。在初步设计过程中，还提出了相关的运行和维护方案。在复审时，考虑了福伊特水电公司的投入，公司提出了各种有效的建议,以最大程度地减少维护和运行成本。

5 成本分析及投资回报

除了上述讨论的岩土开挖费用之外，还对相关设备安装和建筑施工的其他一些土建工程费用进行了估算。全部费用见表3。

为便于做对比，还完成了投资回报分析。对通过计算上述发电量所获得的数据信息以及对电价进行假设(0.05美元/kW·h)后的情况开展了分析，

注：*整套机械装置包括水轮机、发电机以及配件结构。

投资回报分析结果如下。

(1) 13.6 MW的奥尔登水轮机为19 a；

(2) 13.6 MW的转桨式水轮机为18 a；

(3) 13.6 MW的混流式水轮机为16 a。

6 结 论

平均来说，基于计算已建机组的基准发电量，确定的现有机组的年发电量为188 848 MW·h。在研制调度表时，使用了优化算法，因为历史数据和模型预测结果存在着很大的不同。在对基准情况与预期发电结果进行比较时，模型预测的奥尔登水轮机的年发电量为35 905 MW·h。

概念性的现场作业、土建工程设计和费用分析的关键点如下：

(1) 安装奥尔登水轮机比安装转桨式水轮机所需的岩土开挖量小(17%)，稍大于安装混流式水轮机(9%)。

(2) 安装奥尔登水轮机的全部土建工程费用要低于安置转桨式水轮机(12%)，稍高于混流式水轮机(3%)。

(3) 包括整套机械装置在内的全部费用，安装奥尔登水轮机比安装转桨式和混流式水轮机的都要高，分别高10%和20%。

然而，只对比机械装置(与转桨式相比是35%，与混流式相比是40%)时，土建工程所需费用的差异明显减少， 对于该工程,安装任何类型的水轮机,其投资回报都至少需要16 a。

(4) 除了缓解鱼类顺流而下的保护需求外，该水轮机的最大价值在于可以提高洄游鱼类顺流而下的生存率。

(刘 明 谭丽华 编译)

2014-12-27

运行与管理

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