可持續(xù)發(fā)展背景下的小型水電站運(yùn)行評價(jià)

鄭 麗

（貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 550000）

1 引言

可持續(xù)發(fā)展的理念是當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的大勢所趨，化石燃料的全球資源，包括固態(tài)，液態(tài)和氣態(tài)儲(chǔ)量，正在逐漸枯竭，導(dǎo)致其價(jià)格上漲。一方面，為減少溫室氣體排放，另一方面，尋求替代化石燃料的能源，使得使用可再生能源變得越來越普遍，因此，水電在國內(nèi)得到快速發(fā)展[1-3]。小型水電站（SHP）國內(nèi)規(guī)定裝機(jī)容量（P）最高為25 MW。然而，小型水電站也對環(huán)境有一些負(fù)面影響，通常與動(dòng)植物有關(guān)[4]。研究指出，在水電設(shè)施建設(shè)期間和建成后的兩年內(nèi)，可以觀察到小水電對河岸植被水質(zhì)和棲息地條件的最大負(fù)面影響。在這段時(shí)間之后，溫度和溶解在水中的氧氣含量都恢復(fù)到適合水生生物的正常發(fā)育條件，pH值也穩(wěn)定在可接受的范圍內(nèi)。

研究人員認(rèn)為，優(yōu)化現(xiàn)有水電基礎(chǔ)設(shè)施的利用將有利于能源，水和環(huán)境安全[5]。SHP的總體評估或優(yōu)化是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題，因?yàn)橥ǔHP位于較小的水庫或河流上，存在與流量條件的不均勻性和季節(jié)性變化相關(guān)的問題[6]。

本文研究指出小水電系統(tǒng)最大的威脅是由于累積的植物殘?jiān)鼘?dǎo)致入口通道流量的減少，導(dǎo)致流速或水頭下降。由于具有生物多樣性，因此根據(jù)其季節(jié)變化對植物殘?bào)w進(jìn)行分析評估，殘?jiān)饕问綖榇笮椭参锖吐淙~喬木。春天主要與水生植物有關(guān)，秋天葉子的成份很大，而冬天一年的植物殘?jiān)鼮橹鳌?/p>

2 研究區(qū)概況

本文對小型水電站在可持續(xù)發(fā)展條件下的工作評估是基于位于閩江支流上。水通過開放的入口通道供應(yīng)到渦輪機(jī)室，河道長90 m，傾斜度為1∶2。由鋼筋混凝土板制成。水流通道入口的寬度從5.60 m逐漸變窄，最里端5.25 m。通道中的平均水深值為h = 0.66 m。通道的入口處裝有粗垃圾架，垃圾架的寬度為0.5 cm，間距為3 cm。該設(shè)施能夠阻擋較大樹枝及樹葉。

圖1 研究區(qū)的小型水電站基本概況

3 研究方法

3.1 SHP功率的確定

小型水電站的功率輸出取決于水頭（水輪機(jī)上下水位的差）、流量和渦輪機(jī)組效率。值得注意，隨著入口垃圾的堆積增多直接影響水口水流量，從而降低發(fā)電效率。為了表明由于流量和水頭降低而造成的確切經(jīng)濟(jì)損失，作者對安裝的水輪機(jī)的功率輸出為60 kW，水頭為2.35 m，流量為3.3 m3/s的SHP利潤進(jìn)行了分析。分析水頭分別減少至2.2 m和1.95 m以及流速最多降低10%的模擬。在每種分析的情況下，根據(jù)以下公式確定輸出值（假定SHP設(shè)備的效率η= 0.7），

其中：P-電廠功率；

Q-流量；

H-水頭；

η-渦輪機(jī)組的效率系數(shù)是渦輪機(jī)，傳動(dòng)裝置和發(fā)電機(jī)效率的乘積。

對于小型水力發(fā)電廠，該值估計(jì)在0.5～0.7之間；對于更大的設(shè)施，它的起始價(jià)格是0.75～0.85 。通常，假定現(xiàn)代水力發(fā)電廠（汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器，變壓器）的效率系數(shù)約為75%～85%，而舊水力發(fā)電站的翻新系數(shù)約為55%～70%。多年來，效率由于例如材料磨損而定期降低。

利潤（Z）定義為發(fā)電廠容量，發(fā)電廠工作時(shí)間和每千瓦時(shí)單價(jià)的乘積。

其中：P-發(fā)電廠的功率；

n-電力計(jì)劃的運(yùn)行時(shí)間；

c-每千瓦時(shí)的單價(jià)。

假設(shè)SHP的工作時(shí)間為3 h，由于它低水位，流量較小。3 h的時(shí)間是發(fā)電廠的最小運(yùn)行時(shí)間。

3.2 測量植物殘骸

為了這項(xiàng)研究，作者分解了在進(jìn)水口通道的垃圾架上積累的植物殘?jiān)某煞??？紤]到植物殘?jiān)募竟?jié)性變化，在兩年期間對其進(jìn)行了分析。在生長季節(jié)期間和干枯季節(jié)，每4個(gè)樣品分別收集8次有機(jī)物。在現(xiàn)場測量過程中，將從SHP垃圾架收集的植物殘?jiān)F(xiàn)場稱重，對樣品進(jìn)行進(jìn)一步的測試。在自然條件下干燥物料后，確定了殘?jiān)兄饕闹参锍煞帧?/p>

4 結(jié)果與討論

4.1 與水位和/或流量減少相關(guān)的損失

表1列出了根據(jù)方程式（1）確定的SHP功率輸出，其中流速和水頭變化不同。

表1 SHP功率輸出取決于流量和水頭的變化

對于降低流量和水頭，SHP可以實(shí)現(xiàn)75%的功率輸出。對于最低的水頭和最低的流量，顯然獲得了最高的功率輸出。額定工況功率輸出下降到大約24.5%。結(jié)果，這可能導(dǎo)致最大的財(cái)務(wù)損失（表2）。

表2列出了按經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的年度利潤的預(yù)計(jì)值（假設(shè)工廠每天僅運(yùn)行3 h）

表2 小水電發(fā)電量的年度利潤估算，取決于流量和水頭的變化

4.2 用碎屑覆蓋橫截面

水電投資的經(jīng)濟(jì)價(jià)值還包括清潔垃圾架和中和累積的植物殘?jiān)某杀?。堆積在垃圾架上的植物殘?jiān)推渌腆w必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚怼８鞣N植物殘骸包括：樹葉，苔蘚，草和樹枝（圖2）。據(jù)觀察，與冬季相比，在溫暖的季節(jié)里，河流攜帶的物質(zhì)更多。實(shí)際上，在春季和夏季，河岸被各種類型的植被所淹沒，在植被期之后，這些植被與河流的水流一起流動(dòng)并積聚在遇到的障礙物上。在秋天，植物殘?jiān)饕裳睾影渡L的樹木的葉子組成。

圖2 從SHP攔污柵收集的植物碎片

如果植物碎片和其他漂浮雜物聚集在攔污柵上，造成降低入水口流量，表5給出了在0%～35%范圍內(nèi)阻塞橫截面導(dǎo)致的恒定流量下的損失值。35%的容量損失導(dǎo)致水頭損失增加0.1 m。

表3 由于攔污柵流量減小而造成的并列損失

根據(jù)覆蓋范圍，對于橫截面覆蓋分別等于5%和35%的情況，范圍可以為0.05～0.1 m。解決影響水流損失的辦法是采用合適的攔污柵。經(jīng)分析，除了攔污柵的影響外，影響小水電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素是清除堆積在垃圾架上的碎屑。

5 總結(jié)

本文分析了與SHP液壓相關(guān)的參數(shù)變化對小型水電站水力和功率損失的影響。詳細(xì)分析了水流和功率的關(guān)系，還分析了植物殘?jiān)鼘HP工作的影響。對植物殘?jiān)M(jìn)行了重量和種類組成的全面分析。該分析可能有助于類似的小型水電站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。對于小水電而言，最大的問題是入口通道容量的損失。保持恒定水位的最佳方法是注意欄污柵的正確設(shè)計(jì)和操作清潔。