渠道跌水式小水电开发的优选方案

［印度］ R.巴特 等

1 概述

能源是经济发展的基本需求。各国的经济、工农业、运输等各个产业以及商业和民用等，都需要注入大量的能源。在印度，目前各种电能的总装机容量近1.74亿kW，其中火电占比65%，水电21%，核电2.74%，其他可再生能源10.6%。当今人们对全球环境问题愈加关注，对电能的发展有进一步的制约，而将重点放在了环境友好型能源开发上，以促进社会的可持续发展。从燃油、煤、天然气等这些传统能源看，弊端诸多，不仅不可避免地破坏环境，甚至还会影响到人类的寿命。在使用这些能源的同时，人们对矿物燃料市场的不稳定及其价格机制的不确定性颇有担忧。再加上核能的发展呈下滑趋势，火电对环境的影响很大，这样就使得人们越来越注重包括开发大量可再生能源的可持续能源策略。

正是在这种背景下，小水电则更加引起了人们的关注。开发小水电因地而异。如果是在平原地带建小水电工程，则通常可考虑在现有灌溉渠系基础上建渠道跌水式小水电站的可能性。这种形式的电站以渠道跌水的流量和水头来获取能量，非常适合、也易于与邻近的电网相连。印度有百年的水电开发史，最初便始于小水电的开发。1897年，印度建成了首座装机130 kW的水电站。随着科学技术的进步及用电需要的日益增加，推动了电力从大型水电向火电转型。不过在最近的10～15 a间，人们从小水电的开发中再次受益，尤其是近来人们更加注重环境问题和边远地区的电力生产能力，所以再次将目光投向了小水电，主要是因为小水电经济实惠，工程酝酿期相对较短，相对大型水电工程而言，受制约因素要少很多。目前，估计全世界小水电蕴藏量在18万MW左右。

在印度，各个邦可建的小水电站址超过5700个，总装机容量达1.54万MW。这些站址按种类不同，可分为河床式、低坝径流式和渠道引水式小水电站。其中还有为数众多的跌水式渠道，在渠道引水式小水电工程中，跌水高度很重要，因为众所周知，小水电工程的设备成本(卢比/kW)与电站出力和运行水头成反比，也就是说，设备和厂房建设的单位投入随电站水头和装机容量的增加而减小。因此，合理组合利用相邻已有的跌水，就能有效地增加水头，但如果连续跌水的间距加大，引水渠的成本也就会相应增加。所以对引水渠和工程其他部分的成本来说，总是有可能通过各种方案的比较而得到最佳的选择。在目前的研究中，一直在尝试通过组合利用相邻的跌水，找到小水电站的最佳布置方案。以下对各种可能的跌水组合方案进行具体分析。

1.1 小水电技术

水轮机是通过水动力转化为机械能带动发电机发电的，其发电量与水头和流量成正比。公式(1)为水力发电功率的一般表达式。

式中，P为水轮机机械功率，W;η为水轮机效率，其最高效率一般为80% ～90%;p为水密度，kg/m3;g为重力加速度，m/s2;Q为水轮机过流量，m3/s;h为有效水头，m。典型的小水电工程一般都设有引导河水的引水堰，而渠道型小水电，一般则通过渠道将水引至前池，水从前池直接进入水轮机。

1.2 低水头渠道引水式小水电

在印度，小水电是根据其装机容量来定义的，即25 MW的发电容量为小水电。装机小于100 kW的，可进一步划分为微型水电，101～2000 kW为小小型水电;水轮机单机容量1000～5000 kW、电站装机达到2.5 MW的为小水电。小水电按类型可分为以下两种:①建在有小溪流的丘陵地带的小水电。这类小水电大多为低坝径流式，中、高水头，但流量较小。②建在平原地带及其他类似地区的小水电，是利用灌渠的水或饮用水、小坝等经调节后的水流动力，其特点与上述相反，通常是低水头、大流量，所以这类电站大多为低水头渠道引水式和低坝径流式小水电。根据水头高低的不同，又可将小水电进一步划分:水头3～20 m为低水头小水电，20～60 m为中水头小水电，60 m以上为高水头小水电。当然，上述划分也不是绝对硬性的。

渠道引水式小水电站一般都规划在靠近电力负荷中心的地区，以使供电更可靠、更经济，避免输配电损失。低水头渠道引水式小水电工程的典型布置如图1所示。

1.3 渠道跌水

当建灌渠地区的天然坡降大于灌渠应有的纵向坡降时，就只有以适当的间隔通过跌水进行调整。渠道中跌水的位置取决于渠道走线地区的地形。对于不直接作灌溉用的干渠，确定跌水位置时则应考虑渠道的开挖成本。如果还有分渠或支渠，则应将跌水布置在灌渠的主控区。

图1 渠道引水式小水电工程典型布置

1.4 渠道跌水的组合利用

灌渠中的跌水，应沿渠道走线布置在地形适合的位置。跌水的高低和位置，应考虑以该渠段总成本最低为目标。对已有的渠道，可将两三个、甚至更多的跌水组合利用，在分水渠中形成单一的跌水进行发电。这样做可能会使分水渠变得很长，部分渠段可能还得进行挖填，主要取决于所选渠道纵剖面的选择方案。通过研究不同部位的挖填量组合和比选，就可从多种方案中找出最经济的方案。这项工作应在每年渠道停运期间进行，以免影响运行期渠道的正常运用。

2 渠道引水式小水电的组成

2.1 引水渠

引水渠的主要作用是:将所需的水量引至电站厂房，并及时将厂房的出流排至干渠。第2个作用很重要，这不仅能防止上段渠道的涌浪和渠道水流漫溢的危险，而且还能维持下游渠段水流的连续性。

2.2 溢流堰

溢流堰可布置在干渠或引水渠中，视现场溢水条件而定。

2.3 电站厂房

电站厂房是一个装有发电机组的简单结构，配有辅助设备，并有足够的高度和空间供升降设备运行及电站的运行维护。该厂房为柱、梁和桁架等构成的钢结构，即钢筋混凝土构架结构。电站厂房可分为主厂房、装配间、控制室及维修区等4个区间。水轮发电机组布置在主区域(即中心区)，维修和装配区分布在其周围。

机电设备主要有:水轮机、调速器、发电机、励磁系统、开关设备、控制与保护设备、机电辅助设施、变压器和开关设备等等。

2.4 水轮机

低水头小水电站大多采用灯泡贯流式水轮机，单机容量为5 MW。对贯流式水轮机而言，既可以采用立式也可以采用卧式。水轮发电机组布置在流道中，发电机布置在外侧。如果是灯泡式水轮机，则将发电机与轴承等布置在形似灯泡的密封壳体内，并与水轮机直接连接，布置在流道内。

2.5 发电机

小水电站安装的发电机通常有两种，即异步和同步发电机。异步发电机结构简单、牢固、可靠性高。不过市场上可购到的异步发电机，其额定容量都限制在3500 kW以下。

3 组合利用渠道跌水的分析方法

在目前的研究中，考虑了各种可能的比选方案，并对选择渠道跌水式小水电的最优方案进行了详细分析，其中最典型的方案是渠道中考虑6级跌水。图2为该方案的典型布置图。分析中考虑了以下几种假设情况。

图2 具有6级渠道跌水的断面

(1)渠道中考虑6级跌水。

(2)假设每一级跌水水头均为3 m，连续跌水的间距为3 km。

(3)在引水渠中布置电站厂房，采用半转桨贯流式水轮机，干渠上布置溢流堰。

(4)渠道断面的设计过流量定为50 m3/s。

(5)考虑了以下各种比选方案(见表1)。①各为3 m水头的6座厂房，每座厂房装机2×625 kW;②各为6 m水头的3座厂房，每座厂房装机2×1250 kW;③各为9 m水头的2座厂房，每座厂房装机2×1875 kW;④分别为12 m和6 m水头的2座厂房，前座厂房装机2×2500 kW，后座厂房装机2×1250 kW;⑤分别为15 m和3 m水头的2座厂房，前座厂房装机2×3125 kW，后座厂房装机2×625 kW;⑥总水头为18 m的单座厂房，装机2×3750 kW。各布置方案见图3。

表1 不同布置方案参数

(6)采用单级跌水的小水电站，其引水渠长度考虑为0.5 km。

4 可利用水能的计算

水电是一种能源，主要是通过某一高度水流转化的动能而得到。这种水具有的动能，即水能，通过水电机组转化成电能。某一水电站址的水能主要取决于该处可获的流量与水头。

不同方案所取的水头不同，相应的水能就不同，采用公式(1)计算得出的不同水头和不同方案时的总装机容量分别见表2和表3。

表2 不同水头时的小水电装机容量

表3 不同方案时的小水电总装机容量

5 成本计算方法

按目前的分析，这种渠道跌水式小水电采用的是最常用的低水头贯流式水轮机，在引水渠中布置电站厂房，干渠上布置溢流堰。为能更好地利用电站厂房，减少停机时间，适应流量变化，将发电机组定为两组。因土建工程和机电设备是不同的项目，所以采用不同的公式和关联性来进行成本计算。引水渠、溢流堰、电站厂房及机电项目的成本，要根据不同项目的实际工程量，采用相应的成本计算公式及其关联性进行计算，这些项目包括:土方挖填量、混凝土浇筑、钢筋配置、钢结构及其他如门、窗、楼面装修、抹灰涂面、卫生和供排水工程、栅栏油漆等。

5.1 引水渠成本

引水渠成本主要由土方和衬砌工程成本构成，可按如下方法计算。

(1)土方成本。包括渠道断面所需的挖填。单位长度渠段的土方成本(Rs.)用公式(2)计算。

(2)衬砌成本。单位长度的渠道侧砌和底衬砌按公式(3)，即根据材料用量进行计算。

除上述成本之外，随着水头的增加，还要考虑因上覆土层对深层土的压力所需的深开挖支护费用，这一因素必然导致引水渠成本加大。每公里引水渠的成本(Rs.)按公式(4)计算。

5.2 溢流堰成本

可根据公式(5)中的水头和发电功率计算单位kW的溢流堰成本。

5.3 电站厂房成本

可根据公式(6)中的相关水头和发电功率计算单位kW的溢流堰成本。

5.4 机电设备成本

机电设备的各构成成本均与水头和发电功率相关。水轮机与调速器、发电机与励磁系统、机电辅助设施、变压器与开关设备等各项机电设备的单位kW成本，可分别用式(7)～(10)计算。

机电设备的单位kW成本表达式见式(11)。

5.5 总成本

总成本包括土建工程成本、机电设备成本和其他辅助项目成本及间接费用。辅助项目和间接费用由项目前期的相关成本构成，包括设计、审计、帐目核算、间接费用、工具与设备、交通费、前期筹备费、实地勘察和土地征用费等。总成本可用公式(12)计算得出。

6 讨论

实例计算(略)与分析表明，随着渠道中连续跌水的间距增大，如果相邻多级跌水的分级数目少，则成本低;随着连续跌水的间距减小，即使相邻跌水的分级数目增多，成本一样也不会高。

对于不同方案的不同跌水间距，虽然溢流堰、电站厂房和机电设备的成本是固定不变的，但引水渠的成本会发生变化，连续跌水间距越长，成本越高，间距越短，成本也越低。

7 结语

在目前的研究中，按连续跌水的不同间距，通过组合利用渠道跌水，比较和分析了开发渠道跌水式小水电站的各种方案。对于总装机7500 kW的渠道引水式电站的布置，考虑了各种不同的方案。分析表明，引水渠的成本在渠道跌水式小水电的开发中起着举足轻重的作用。通过数据比较还可以看出，如果连续跌水的间距为3 km或更长，则以分开利用渠道跌水的形式开发小水电站更为经济。如果连续跌水的间距为0.5 km，组合邻近已有的跌水开发小水电站则更经济。如果连续跌水的间距较短，最好是组合利用更多跌水，而将小水电站的数目减少，因为在此情况下，引水渠的成本可降低，能更有效地利用水头，从而减少小水电站总成本。如果连续跌水的间距较长，则最好是分开利用渠道跌水，或尽量减少组合跌水的数目，因为在此情况下，减小引水渠规模更可行，以达到减少小水电站总成本的目的。