世界最佳小水电工程(下)

马元珽 译自英刊《水力发电与坝工建设》2009年第7期

1 南非伯利恒水电工程

总部设在南非的 NuPlanet能源公司是装机7 MW的伯利恒工程的开发商,负责电站的施工和将来的运行。工程位于南非伯利恒镇附近,由伯利恒水电公司拥有。该工程包括阿斯(As)河上2个独立电站,即梅里诺(Merino)电站和索普拉吉(Sol Plaatje)电站。

索普拉吉电站的发电水头约为11m,在最大流量时,出力 3 MW。电站位于索普拉吉坝右岸。进水口位于非溢洪侧,电站位于进水口紧下游。发电后,水返回大坝下游的利本贝赫斯弗莱(Liebenbergsvlei)河。发电厂房安装一台转桨式水轮机,直接与发电机相连。

梅里诺工程包括一座阿斯河引水堰、一个半圆形溢洪道、一条将水输送至发电厂房700m长的引水渠(该引水渠将水输送至发电厂房),以及一座前池和一座位于砂岩河岸中的电站。发电后的水返回阿斯河。

发电水头约为14m,最大流量时,出力约为 4 MW。发电厂房也安装了一台转桨式水轮机。

伯利恒水电公司根据长期购电合同(PPA)售电,并通过出售有减排证书(CER)证明的温室气体减排产品获取收入。平均基荷年发电量为 38 GW◦ h。

2002年,在可行性研究基础上,伯利恒水电公司与 Ninham Shand公司签约,让后者承担工程初期的技术可行性研究,并为工程所要求的环境审批提供服务。可行性评价不仅必须考虑技术和商务方面,而且还要考虑环境影响和用水限制、土地租借协定、发电许可证和电力购买协议。

环境影响评价的审批工作花了 9个月时间。在3 a后,才签发了用水许可证。

在工程实施初期,伯利恒水电公司对可行性研究建议的工程布置进行了详细评价,在此基础上对布置方案作了重大改进,尤其是对索普拉多电站,将电站从大坝左岸移到了右岸。由于资金紧张,要求实施成本最低的方案,后来由于电价上涨,财务状况得到明显改善。

考虑了 3个合同,即土建工程施工合同,水轮机和发电机的制造、供货、运输和安装合同,以及输电线路安装合同。土建合同与输电线路合同授予了当地承包商,而水轮机和发电机的合同授予国际承包商。

最终经各方通力合作,克服困难,工程取得了圆满成功。

2 加拿大麦克劳德绿色能源工程

加拿大麦克劳德绿色能源工程位于加拿大安大略省贝尔维尔(Belleville)的莫伊拉(Moira)河上。它于2007～2008年在防洪大坝的基础上修建,由昆特(Quinte)保护公司拥有与运营,装机容量为 950kW。建坝形成的前池在河道中形成狭窄的蓄水区域,最大水头为5.2m。该径流电站由昆特保护公司开发,由 Hatch能源公司帮助设计。

昆特保护公司是一家保护机构,由18个市政成员组成的董事会管理。它是一家非赢利机构,为公众提供环境规划,运营 40座大坝。根据设想,该工程为当地示范绿色能源工程,以降低温室气体排放。

昆特保护公司要求该工程在几个方面取得环境净效益。预期水头调整,提供稳定的水位,使鱼类栖息地受益。作为绿色能源工程,工程取得了明显的减排效果。与配电系统连接可向当地供电,并降低已接近额定容量的输电线路的损耗。因为昆特保护公司是一家环境机构,它从该工程获得的收益应投入到当地的环境计划,以获取附加效益。

大坝为钢板桩心墙结构。2个 3m×3 m带闸门的混凝土涵洞便于小流量过坝。在西侧,一座宽36 m的泄水道可通过大流量泄水。对大坝作了修整,以便在泄水道中安装高 3.25 m的欧博迈亚(Obermeyer)闸门,以控制前池水位。在该小流量建筑物上增加了2台双调节转桨式水轮机,并在坝内修建了一个控制室。水轮机由加拿大水电设备部件公司建造,并与 475 kW的同步发电机配套。

在施工中,安装水轮机最为困难,提出了最大的技术挑战。它涉及修建一座小型围堰,以便抽干涵洞周围的工作区,将底部下挖2 m,优化水轮机布置。河床为页岩状石灰岩,大量漏水进入工作区。需用大型柴油排水泵抽干工作区。因为冬季仍需施工,天寒地冻,加上水泵故障,导致施工更加困难。

选定安大略省的 H.R.Doornekamp施工有限公司作为该工程的总承包商。该公司具有水下与水面浇筑混凝土的丰富经验,但未涉足过水电领域。经过1 a多的施工,在设计人员、供货商、业主和承包商之间的大力协作下,工程于2008年秋季顺利完工,使其成为15 a以来加拿大安大略省第1批新建水电工程之一。

3 葡萄牙卡内多水电工程

卡内多电站位于葡萄牙北部山后(Tras-os-Montes)地区。从杜罗(Douro)流域中的贝卡(Beca)河引水。

该工程由一座大坝、低压回路、调压塔、压力钢管和发电厂房组成,于2008年12月开始运行。装机容量10MW,在净水头226 m下,水轮机流量为5.4m3/s。

坝高14.8 m,坝顶长 92m,包括溢洪道上的一座桥梁。进水口与底孔位于左岸。长 80m的鱼道和预留出水口位于右岸。大坝形成水库的淹没面积为 4万 m2。

水力回路第1部分为直径1800/1600mm的玻璃纤维增强塑料管,一座高24m的调压塔和一条直径为1500/1400mm的压力钢管。所有管道均埋设在沟内。

电站厂房位于紧靠卡内多村的河滩附近,厂房内安装有一台卧轴混流式机组。在建筑上,强调厂房与周围的秀丽景观融为一体。厂房建于河边,呈立方体状,参观路线接近厂房,透过窗口,厂房内的情况一览无遗。建筑学院为该建筑物的设计研究进行了专门的设计竞赛。

该地区世代相传一种称为 Regade lima的冬季灌溉方法,可防止霜冻,通过一条称为 levadas的很长的明渠输水。大坝可自动控制下泄必要的灌溉流量,以调节用水。

上坝道路和桥梁使维拉尔(Vilar)和科代科索(Codecoso)两个村庄相连接,大大改善了当地居民的交通状况。

在工程初期和设计完成之后,工程受到2次不同的影响评价,并且都有公众参与。

该影响评价研究认可了工程现场的环境特点,及其有关的保护状态——重要鱼类(鲑鱼)、鸟类(河乌)、哺乳动物(比利牛斯麝香鼠),沿河与周围植被丰富且品种多样,葡萄牙北部(大西洋)有典型的橡树林。水质非常好。

工地采取了几项环境改良措施。这些措施是结合生态流量研究进行的,以保护下游的物种及其栖息地。该工程的重要特点是关注补偿沿河栖息地,即栽种黑桤木、灰毛柳和白桦,并保护和栽种橡树。

制订了一项监测计划,重点是监测水质、植物群落和植被、鱼类和沿河动物群落。

4 美国黑斯廷斯工程

在美国明尼苏达州,水电绿色能源公司与黑斯廷斯市合作,在密西西比河上美国陆军工程师团(USACE)所属的2号船闸与大坝处、该市装机容量为4.4MW的径流电站的下游,修建一座装有2台水轮机的电站。2008年12月 3日,联邦能源管理委员会(FERC)以5∶0投票结果批准了该工程。黑斯廷斯工程是美国获得联邦政府许可、向美国电网出售电力的唯一一座水电站。

电站完全处于 USACE的地界内,在公众不许进入的区域内,安装2台水轮机,每台装机容量为100kW。2008年12月和2009年初,安装了首台机组。在2009年夏季或初秋安装了第2台水轮机,第2台机组为另一种型号,这样可以增加机组的出力和效率。

一旦2台机组全部建成投运,水电绿色能源公司将进行全面的鱼类生存试验,以监测水质,研究鸟类相互作用,实施斑马贻贝控制计划。

公司同时还负责水轮发电机组的运行维护。电厂输送到 Xcel能源公司的电力收入将由黑斯廷斯市和水电绿色能源公司分享。

工程涉及的部分重要事件如下。

(1)水电绿色能源公司的设备投入后,装机容量将高达250kW,可使现有电站可再生电力增加5.7%。

(2)经过与预先登记的利益相关者长达1 a的协商后,黑斯廷斯市于2008年 4月向 FERC提交了一份修正案(改造原有工程/新建发电设备)。

(3)在 P.希克斯(Paul Hicks)市长牵头下,黑斯廷斯市政委员会一致批准了该工程,充分肯定了这项突破性的工程所具有的独特和创造性的公私合作关系。USACE的合作对工程成功也很重要。

(4)水电绿色能源公司完全遵守了 FERC关于扩大利益相关者的范围和机构咨询的要求,并且列出了所有费用,以及与 NCA有关的技术工作。因此,2009年2月,FERC再次充分肯定了为工程提供许可的决定。

(5)在过去2 a中,工程为7个州提供了 61个就业岗位。

(6)2009年5月,水电绿色能源公司赢得了国家水电协会(NHA)颁发的总统奖。奖项被授予一家 NHA成员公司,它为“加强和鼓励水电业开辟了新的道路”。NHA的执行主任为此发表感言,称黑斯廷斯工程“为多种新技术在水电部门中的应用打开了大门。它标志着水电绿色能源公司跨出了一大步,是水电行业的一个重要里程碑。”他认为,该工程证明,规模不同的所有水电设施都可提供重要的经济、能源和环境效益。

5 英国磨坊镇微型水电工程

2007年,在多塞特 (Dorset)郡莱姆里吉斯(Lyme Regis)地区利姆(Lim)河畔的历史名镇小磨坊镇完成一项主要工程,即安装了一个微型水电系统。工程装机7 kW,其电力用于磨坊镇本身,剩余的卖给国家电网。

2004年,响应政府关于鼓励用可再生能源发电的能源政策,磨坊镇托管委员会理事开始调查用利姆河水发电,同时保留传统水力磨坊。2005年进行的可行性研究表明,微型水电系统是可行的,不影响水车和磨面粉。

到2005年底,磨坊镇水电工程队从清洁天空(Clearskies)可再生能源捐款、能源绿色基金和磨坊镇托管委员会取得资金,并指定水电(HydroGeneration)有限公司(现在是 Segen.co.uk的一部分)作为该总承包工程的咨询工程师。

2005年,该公司承担了工程的可行性研究,2006～2007年,安装了该系统,一个磨坊志愿者小组代表磨坊镇理事对工程进行监督。

利姆河在磨坊处的流量数据表明,年平均流量为0.24m3/s,结合现代水电技术和4.03m的水头,建议修建一个微型水电系统,每年可发电约 32000kW◦h,减排 CO2约13 t。2005年的可行性研究也得出结论,系统运行不会干扰该磨坊原有的水力磨粉功能。

因此,针对磨坊北墙外侧废弃的水轮坑(它是一座正式列入文物保护范围的建筑物)设计了水电系统。在设计中,不可对受保护建筑物有任何改变。该位置也便于从露天人工水渠(磨坊小溪)取得水源和将水排入现有的水轮使用的尾水渠。

早在20世纪 30年代,该磨坊镇即利用河水生产直流电,但是,必须将水轮取出为水电系统腾出空间。1948年,当国家电网开始以交流电运行时,拆除了该直流系统。

现在,该新系统的核心是 Ossberger公司生产的双击式水轮机,它是专门为该场地设计的,最大电力输出为7.07 kVA。其分流型转子直径 300mm,运行转速为245 r/min(最高),通过2套传动装置用数字方式控制,以优化电力输出,同时保持同步转速。

水轮机驱动 Brook Crompton公司的三相感应发电机发电。该发电机为 4极,50Hz,最大转速1500r/min,额定容量15 kW,对上述参数进行了修改,以与数字式电网连接单元匹配。数字式控制由可持续控制系统有限公司生产的励磁和电网连接单元提供。

该全自动系统全天24 h无人值守,有一个自动切除与重新起动设施,以应对水力系统本身和国家电网发生的任何不正常情况。

虽然该系统的设计力图避免对磨坊镇建筑物的改变,但是仍要求在选定的老的水轮机坑的区域内开展工作,在2006年下半年,对该系统提出以下 3项要求:

(1)在尾水渠中修建一个安装尾水管的坑。

(2)在露天人工水渠的末端和在尾水渠中安装钢支撑,使系统部件固定在适当的位置。

(3)在露天人工水渠端墙上开孔向水槽供水。

2006年11月,开始安装水槽。其设计包括一个间隔为12.5mm的金属栅网,防止河中漂浮物和鱼进入该系统。

然后,将水轮机安装到其支撑的钢架上,再连接压力钢管。2007年2月,在水轮机后侧安装感应发电机,用滑轮和皮带连接。最后安装数字控制系统、连接最终电路和仪表系统。

2007年2月12日,开始系统试验。2007年2月14日,首次向水轮机供水。

接着进行整个系统的调试和试运行,直到2007年 3月1日,正式启动了系统。

虽然该工程的主要目的是发电,另一个重要目的则是保证该系统作为对磨坊镇参观者进行教育的工具,以证明现代技术和可再生能源发电可很好结合。在工程现场由有经验的磨坊志愿者提供导游服务。