布隆迪小水電工程開發(fā)方案研究

［德國(guó)］C.泰弗納茲 等

布隆迪擬從已確定的41處小水電開發(fā)壩址中預(yù)選出10處，旨在從技術(shù)、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的角度進(jìn)行研究比較，以確定4處最佳壩址。經(jīng)多次比選及可行性研究，對(duì)勝出的2個(gè)工程壩址進(jìn)行詳細(xì)勘測(cè)。而后，對(duì)這2項(xiàng)擬建工程進(jìn)行總的可行性研究，并根據(jù)其最終研究成果，開展工程的招標(biāo)設(shè)計(jì)及其標(biāo)書的編制。

基于總體規(guī)劃研究的已有設(shè)計(jì)，確定土木工程、金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備的費(fèi)用。借助于軟件工具——水電成本計(jì)算(HPC)，在研究早期即確定最佳容量范圍:兩處最佳壩址吉吉(Jiji)和穆倫布韋(Mulembwe)的裝機(jī)容量分別為32.5 MW和17 MW。

這種由HPC軟件支持的逐步篩選法(見圖1)，可以確保從總體規(guī)劃備選工程中選擇最佳工程的過程省時(shí)省錢。目前，幾項(xiàng)工程已到了開發(fā)后期，有可能會(huì)吸引政府和私人投資，說明這種方法在布隆迪的運(yùn)用獲得了成功，可作為其他小水電蘊(yùn)藏量豐富的國(guó)家用以開發(fā)的模板。

1 能源現(xiàn)狀

目前，布隆迪共和國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展受限于發(fā)電量和裝機(jī)容量。該國(guó)的電力需求量穩(wěn)定增長(zhǎng)，但能源部門卻沒有對(duì)新裝機(jī)容量進(jìn)行大規(guī)模投資，這使其電力供應(yīng)嚴(yán)重不足，估計(jì)缺少25 MW左右，預(yù)計(jì)在不久的將來供電將更加不足。世界銀行也承認(rèn)這一事實(shí)，2011年6月，世行為此召開有該國(guó)各部門和大使館參與的圓桌會(huì)議。

圖1 開發(fā)小水電項(xiàng)目的逐步篩選法

為了滿足電力需求，1995年，布隆迪建設(shè)并運(yùn)行了一座裝機(jī)為5.5 MW的柴油電站。然而，柴油需從肯尼亞蒙巴薩島進(jìn)口，高昂的油價(jià)導(dǎo)致柴油發(fā)電的單位成本高于0.33美元/kW·h。因此，電站不能持續(xù)使用，不是長(zhǎng)期的解決辦法。

目前，布隆迪的供電主要來自水力發(fā)電，其水電總裝機(jī)容量約為33 MW，全國(guó)年發(fā)電量約為110GW·h。大多數(shù)電站為徑流式，峰荷由裝機(jī)18 MW的中型電站魯韋古拉(Rwegura)發(fā)電，該電站由年調(diào)節(jié)水庫(kù)供水。此外，每年從魯濟(jì)濟(jì)(Ruzizi)河上的2座水電站進(jìn)口約95 GW·h的電力，魯濟(jì)濟(jì)河是盧旺達(dá)和剛果民主共和國(guó)之間的界河。第1座電站，即魯濟(jì)濟(jì)1級(jí)電站，裝機(jī)容量為28 MW，屬于剛果民主共和國(guó)興業(yè)國(guó)家電力公司(SNEL)所有;第2座電站，即魯濟(jì)濟(jì)2級(jí)電站，裝機(jī)容量為42 MW，屬于由盧旺達(dá)、剛果和布隆迪3國(guó)組建的興業(yè)國(guó)際電力公司(SINELAC)所有。

為了減少對(duì)石油的依賴，增加國(guó)內(nèi)發(fā)電量，布隆迪國(guó)有企業(yè)雷吉德索(Regideso)采用逐步法對(duì)初步確定的一些潛在壩址進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，擬對(duì)20世紀(jì)80年代國(guó)家總體規(guī)劃中確定的10項(xiàng)水電工程進(jìn)行開發(fā)。

本文對(duì)在該工作中采用的研究方法及其結(jié)果作了論述。從研究結(jié)果可以看出，該地區(qū)擁有巨大的水電蘊(yùn)藏量。

2 水電蘊(yùn)藏量

該國(guó)的大部分水電工程均位于西部，這里的自然地勢(shì)優(yōu)越，高原海拔可達(dá)2500m，而坦噶尼喀湖的海拔約為775 m，其間形成了相當(dāng)高的水頭。表1列出了水電總體規(guī)劃研究中確定的10項(xiàng)工程名稱及其主要初始技術(shù)－經(jīng)濟(jì)參數(shù)。

表1 10處壩址的主要技術(shù)－經(jīng)濟(jì)參數(shù)

10項(xiàng)入選工程的總裝機(jī)容量將近55 MW，估計(jì)年發(fā)電量為289 GW·h。該工程初始總投資為3.42 億美元。

工程項(xiàng)目包括徑流式、日調(diào)節(jié)水庫(kù)和蓄水式水電站。對(duì)于徑流式工程，裝機(jī)容量擬在Q95的基礎(chǔ)上確定;對(duì)于日調(diào)節(jié)和蓄水式工程，選擇2×Q95和Qm的倍數(shù)。大多數(shù)項(xiàng)目都設(shè)計(jì)有較長(zhǎng)的水道，包括引水口、導(dǎo)水渠、導(dǎo)水管或隧洞和壓力管道，以便將水引到電站下游。

3 逐步篩選初選壩址

3.1 收集數(shù)據(jù)及確認(rèn)工程特性

首先，收集所有的相關(guān)資料。對(duì)入選的10處壩址進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘側(cè)，審查壩址條件、推薦的工程布局、各推薦工程與國(guó)家電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的可及性和可能性。

在工程開發(fā)早期，應(yīng)特別注意工程區(qū)的環(huán)境和社會(huì)狀況。因?yàn)樵搰?guó)的人口持續(xù)增長(zhǎng)迫切需要耕地，而修建工程可能會(huì)淹沒耕地。因此，取消了其中的2項(xiàng)工程。

首次現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)時(shí)，將對(duì)所有的主要技術(shù)特征值進(jìn)行復(fù)核。最重要的是確認(rèn)水工建筑物的總體布置和各工程的建議水頭，以核實(shí)確切的裝機(jī)容量和平均年發(fā)電量。由顧問對(duì)技術(shù)數(shù)據(jù)，比如推薦的建筑物尺寸，大壩或水道的長(zhǎng)度進(jìn)行評(píng)估。所有的數(shù)據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)協(xié)議中搜集。之后，借助于HPC，將收集的信息資料直接用作輸入數(shù)據(jù)，以修正工程成本。該軟件還可用于計(jì)算功率輸出以及工程的財(cái)務(wù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)。

3.2 修正工程成本

HPC軟件用于在預(yù)可行性研究和可行性研究階段估算工程布局的成本。用戶必須詳細(xì)說明水電站的各建筑物，比如大壩類型(堰、混凝土重力壩、堤壩)、水道(沉砂池、導(dǎo)水渠、隧道、壓力管道、豎井等)的結(jié)構(gòu)和各建筑物主要的基本幾何尺寸。對(duì)水文數(shù)據(jù)，如河谷的寬度、斜度等以及地理?xiàng)l件，將分為5級(jí)，用于入選單價(jià)。

圖2為確定工程成本的軟件結(jié)構(gòu)示意。

圖2 HPC軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)，軟件進(jìn)行初步水力設(shè)計(jì)，得出水工建筑物的所有相關(guān)幾何尺寸、機(jī)電設(shè)備和水力金屬結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)。在水力設(shè)計(jì)的計(jì)算過程中，軟件也會(huì)對(duì)水道進(jìn)行優(yōu)化，以減少工程的總造價(jià)。作為水頭和額定流量的函數(shù)，軟件會(huì)推薦合適的水輪機(jī)型;最后，根據(jù)所有的尺寸，確定土木結(jié)構(gòu)的工程量，并根據(jù)用戶確定的單價(jià)，來確定土木結(jié)構(gòu)的總成本。使用全球已建工程的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)來計(jì)算機(jī)電和其他設(shè)備的費(fèi)用。

工程總費(fèi)用還包括意外開支和間接費(fèi)用，如現(xiàn)場(chǎng)安裝、綜合服務(wù)、臨時(shí)工房等。根據(jù)用戶的要求，可采用間接費(fèi)用。而且，運(yùn)用軟件進(jìn)行功率計(jì)算，還可以確定每個(gè)替代方案的初步經(jīng)濟(jì)和財(cái)務(wù)指標(biāo)。

3.3 前4項(xiàng)工程的篩選

根據(jù)社會(huì)－經(jīng)濟(jì)評(píng)估，以及技術(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)，可以做出首次選擇。然而，在多因素矩陣中，還應(yīng)額外考慮一些因素，如交通便利性、與國(guó)家電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的可能性以及水文數(shù)據(jù)的可靠性。

在調(diào)整矩陣的權(quán)衡結(jié)果時(shí)，應(yīng)將重點(diǎn)放在各工程的水資源蘊(yùn)藏量及特殊費(fèi)用上。對(duì)于4處壩址，社會(huì)－環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)是不可循的，因?yàn)槠溆绊憻o法證明。整體評(píng)估允許選擇4處最佳壩址，即003號(hào)吉吉、034號(hào)穆倫布韋、020號(hào)開特和007號(hào)魯茲布。

在比較研究預(yù)選工程的過程中，可以明顯地看出總體規(guī)劃時(shí)沒有利用工程的最終蘊(yùn)藏量。這主要是為了布隆迪的電氣化，研究選取的方法是確定高負(fù)荷時(shí)間長(zhǎng)的工程。

然而，應(yīng)用該方法，不是在更經(jīng)濟(jì)的情況下利用固有的水資源蘊(yùn)藏量。從流量過程曲線可以清楚地看出，更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)流量是Q15～Q30，在該范圍內(nèi)，會(huì)使發(fā)電成本更低。

4 優(yōu)化工程

4.1 優(yōu)化過程

工程第2階段的目標(biāo)是核實(shí)各預(yù)選壩址水資源的實(shí)際蘊(yùn)藏量。20世紀(jì)80年代的總體規(guī)劃是根據(jù)河流的永久流量Q95確定的水資源蘊(yùn)藏量，Q95意味著在流量過程曲線上，流量有可能超過95%。既然總體規(guī)劃中確定的修建水電工程的目標(biāo)是為了實(shí)施農(nóng)村電氣化，那么這樣做是很正確的。

在優(yōu)化前，通過對(duì)壩址處的勘測(cè)和數(shù)據(jù)收集更新了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。開展了詳細(xì)的地形測(cè)繪工作，并對(duì)重要的現(xiàn)場(chǎng)水文工作進(jìn)行了分析，以確定河流已有的流量特性曲線。此外，對(duì)整個(gè)工程區(qū)域的地質(zhì)狀況進(jìn)行了測(cè)繪，用于評(píng)估地下廠房，為優(yōu)化水文、地形和地質(zhì)設(shè)計(jì)提供了新的基礎(chǔ)條件。

為了進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算了各工程備選方案不同設(shè)計(jì)流量的造價(jià)。借助于軟件，為每個(gè)設(shè)計(jì)流量確定了各類建筑物的大小尺寸，比如引水口、沉砂池、引水道、壓力管道和廠房。應(yīng)該注意的是，工程各備選方案的一些造價(jià)，比如輸電線路、進(jìn)場(chǎng)道路、開關(guān)站、導(dǎo)流工程等仍保持不變，且在每項(xiàng)水電樞紐工程的總造價(jià)中占了重要比重。

另外，運(yùn)用軟件確定了不同設(shè)計(jì)流量的發(fā)電量。發(fā)電量的計(jì)算是基于10d的平均流量。計(jì)算考慮了河流應(yīng)一直保證的生態(tài)流量以及水道中由摩擦引起的水頭損失和各水工建筑物的局部損失。

將單位發(fā)電價(jià)格(美元/kW·h)在某一(最優(yōu))設(shè)計(jì)流量時(shí)的最小作為選擇評(píng)判優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)。

圖3為吉吉水電項(xiàng)目獲得的結(jié)果。

圖3 單位成本作為設(shè)計(jì)流量的函數(shù)

在這一實(shí)例中，在第1階段的初始設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)流量為2.28 m3/s，可裝機(jī)7.5 MW。進(jìn)行優(yōu)化后，新裝機(jī)容量增加到32.5 MW，最優(yōu)設(shè)計(jì)流量為9 m3/s。增加的裝機(jī)容量使電站的發(fā)電量增加了3倍。

4.2 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果表明，對(duì)大多數(shù)擬定壩址來說，新的工程裝機(jī)容量更大，真實(shí)的水電蘊(yùn)藏量比總體規(guī)劃研究中確定的更高。以兩項(xiàng)最優(yōu)工程為例，水電蘊(yùn)藏量分別從7.5 MW和5.4 MW增加到了32.5 MW和17 MW。這種結(jié)論是令人期待的。然而，通過優(yōu)化獲得的新裝機(jī)容量和水電蘊(yùn)藏量卻令人驚訝，令工程有了新的希望和前景。

這兩項(xiàng)工程，在研究中是運(yùn)用HPC設(shè)計(jì)和優(yōu)化，將使布隆迪的裝機(jī)容量翻番。兩項(xiàng)入選工程都位于布隆迪南部，這里以前發(fā)電量很少，因而它們的開發(fā)將為布隆迪共和國(guó)南部創(chuàng)建新的電力供應(yīng)源。

表2列出了4項(xiàng)預(yù)選工程的初始和優(yōu)化后的最終裝機(jī)容量及其發(fā)電量。

表2 優(yōu)化前后的參數(shù)對(duì)比

2011年10月，對(duì)布隆迪水資源開發(fā)前景開展了可行性研究。根據(jù)研究結(jié)果，確定對(duì)布隆迪南部的2處擬建壩址進(jìn)行水資源開發(fā)，將進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。這2處擬建壩址屬國(guó)家電力公司所有，相隔很近，這使工程的基礎(chǔ)設(shè)施，如進(jìn)場(chǎng)道路、輸電設(shè)施等，可以相互共享。2項(xiàng)工程的總裝機(jī)容量大約為50MW，發(fā)電量約為270GW·h。

5 結(jié)論和建議

本文所述的逐步篩選法適用于從水電工程群(如總體規(guī)劃)中開發(fā)工程。它創(chuàng)造了不同分析等級(jí)的“工程供應(yīng)”。在這種情況下，研究工作允許客戶有2項(xiàng)工程進(jìn)行至可行性研究階段，因?yàn)檫@可以將潛在投資者的興趣聚焦到不久將來的實(shí)施上。雖然是在布隆迪開展的水電實(shí)例研究，但是也可以將其用于其他水電蘊(yùn)藏量還未開發(fā)的發(fā)展中國(guó)家，也可能會(huì)成功地應(yīng)用于鄰國(guó)的水電研究中，如盧旺達(dá)、剛果或坦桑尼亞。這些國(guó)家的水文和地形條件非常類似。

研究表明，布隆迪的水資源實(shí)際蘊(yùn)藏量被低估了，其水電蘊(yùn)藏量可能超過300MW。優(yōu)化后，2處最優(yōu)工程的裝機(jī)容量總計(jì)可達(dá)50MW，而該容量是客戶選擇的10處擬建壩址的總裝機(jī)容量。10處壩址的潛在發(fā)電量估計(jì)將近290GW·h，所需投資為3.42億美元。2處入選和優(yōu)化的工程的發(fā)電量為270GW·h，而投資額僅為180億美元。表3總結(jié)了工程的初始和最終設(shè)計(jì)狀況。

表3 工程初始及最終設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

研究結(jié)果表明，根據(jù)發(fā)電量，布隆迪經(jīng)濟(jì)可行的水電蘊(yùn)藏量很可能比總體規(guī)劃研究期間估計(jì)的蘊(yùn)藏量高出2～3倍。為了證實(shí)這一推測(cè)，在考慮最小發(fā)電成本的前提下，很有必要對(duì)總體規(guī)劃研究所確定的工程參數(shù)進(jìn)行修正。