可持续发展背景下的小型水电站运行评价

郑 丽

（贵州新中水工程有限公司，贵州 贵阳 550000）

1 引言

可持续发展的理念是当前社会发展的大势所趋，化石燃料的全球资源，包括固态，液态和气态储量，正在逐渐枯竭，导致其价格上涨。一方面，为减少温室气体排放，另一方面，寻求替代化石燃料的能源，使得使用可再生能源变得越来越普遍，因此，水电在国内得到快速发展[1-3]。小型水电站（SHP）国内规定装机容量（P）最高为25 MW。然而，小型水电站也对环境有一些负面影响，通常与动植物有关[4]。研究指出，在水电设施建设期间和建成后的两年内，可以观察到小水电对河岸植被水质和栖息地条件的最大负面影响。在这段时间之后，温度和溶解在水中的氧气含量都恢复到适合水生生物的正常发育条件，pH值也稳定在可接受的范围内。

研究人员认为，优化现有水电基础设施的利用将有利于能源，水和环境安全[5]。SHP的总体评估或优化是一个具有挑战性的问题，因为通常SHP位于较小的水库或河流上，存在与流量条件的不均匀性和季节性变化相关的问题[6]。

本文研究指出小水电系统最大的威胁是由于累积的植物残渣导致入口通道流量的减少，导致流速或水头下降。由于具有生物多样性，因此根据其季节变化对植物残体进行分析评估，残渣主要形式为大型植物和落叶乔木。春天主要与水生植物有关，秋天叶子的成份很大，而冬天一年的植物残渣为主。

2 研究区概况

本文对小型水电站在可持续发展条件下的工作评估是基于位于闽江支流上。水通过开放的入口通道供应到涡轮机室，河道长90 m，倾斜度为1∶2。由钢筋混凝土板制成。水流通道入口的宽度从5.60 m逐渐变窄，最里端5.25 m。通道中的平均水深值为h = 0.66 m。通道的入口处装有粗垃圾架，垃圾架的宽度为0.5 cm，间距为3 cm。该设施能够阻挡较大树枝及树叶。

图1 研究区的小型水电站基本概况

3 研究方法

3.1 SHP功率的确定

小型水电站的功率输出取决于水头（水轮机上下水位的差）、流量和涡轮机组效率。值得注意，随着入口垃圾的堆积增多直接影响水口水流量，从而降低发电效率。为了表明由于流量和水头降低而造成的确切经济损失，作者对安装的水轮机的功率输出为60 kW，水头为2.35 m，流量为3.3 m3/s的SHP利润进行了分析。分析水头分别减少至2.2 m和1.95 m以及流速最多降低10%的模拟。在每种分析的情况下，根据以下公式确定输出值（假定SHP设备的效率η= 0.7），

其中：P-电厂功率；

Q-流量；

H-水头；

η-涡轮机组的效率系数是涡轮机，传动装置和发电机效率的乘积。

对于小型水力发电厂，该值估计在0.5～0.7之间；对于更大的设施，它的起始价格是0.75～0.85 。通常，假定现代水力发电厂（汽轮机，发电机，驱动器，变压器）的效率系数约为75%～85%，而旧水力发电站的翻新系数约为55%～70%。多年来，效率由于例如材料磨损而定期降低。

利润（Z）定义为发电厂容量，发电厂工作时间和每千瓦时单价的乘积。

其中：P-发电厂的功率；

n-电力计划的运行时间；

c-每千瓦时的单价。

假设SHP的工作时间为3 h，由于它低水位，流量较小。3 h的时间是发电厂的最小运行时间。

3.2 测量植物残骸

为了这项研究，作者分解了在进水口通道的垃圾架上积累的植物残渣的成分。考虑到植物残渣的季节性变化，在两年期间对其进行了分析。在生长季节期间和干枯季节，每4个样品分别收集8次有机物。在现场测量过程中，将从SHP垃圾架收集的植物残渣现场称重，对样品进行进一步的测试。在自然条件下干燥物料后，确定了残渣中主要的植物成分。

4 结果与讨论

4.1 与水位和/或流量减少相关的损失

表1列出了根据方程式（1）确定的SHP功率输出，其中流速和水头变化不同。

表1 SHP功率输出取决于流量和水头的变化

对于降低流量和水头，SHP可以实现75%的功率输出。对于最低的水头和最低的流量，显然获得了最高的功率输出。额定工况功率输出下降到大约24.5%。结果，这可能导致最大的财务损失（表2）。

表2列出了按经验计算的年度利润的预计值（假设工厂每天仅运行3 h）

表2 小水电发电量的年度利润估算，取决于流量和水头的变化

4.2 用碎屑覆盖横截面

水电投资的经济价值还包括清洁垃圾架和中和累积的植物残渣的成本。堆积在垃圾架上的植物残渣和其他固体必须经过适当的处理。各种植物残骸包括：树叶，苔藓，草和树枝（图2）。据观察，与冬季相比，在温暖的季节里，河流携带的物质更多。实际上，在春季和夏季，河岸被各种类型的植被所淹没，在植被期之后，这些植被与河流的水流一起流动并积聚在遇到的障碍物上。在秋天，植物残渣主要由沿河岸生长的树木的叶子组成。

图2 从SHP拦污栅收集的植物碎片

如果植物碎片和其他漂浮杂物聚集在拦污栅上，造成降低入水口流量，表5给出了在0%～35%范围内阻塞横截面导致的恒定流量下的损失值。35%的容量损失导致水头损失增加0.1 m。

表3 由于拦污栅流量减小而造成的并列损失

根据覆盖范围，对于横截面覆盖分别等于5%和35%的情况，范围可以为0.05～0.1 m。解决影响水流损失的办法是采用合适的拦污栅。经分析，除了拦污栅的影响外，影响小水电系统经济性的关键因素是清除堆积在垃圾架上的碎屑。

5 总结

本文分析了与SHP液压相关的参数变化对小型水电站水力和功率损失的影响。详细分析了水流和功率的关系，还分析了植物残渣对SHP工作的影响。对植物残渣进行了重量和种类组成的全面分析。该分析可能有助于类似的小型水电站的设计和运行。对于小水电而言，最大的问题是入口通道容量的损失。保持恒定水位的最佳方法是注意栏污栅的正确设计和操作清洁。