小水电站改造研究论文

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1世界小水电站改造、扩容的潜力估计

上世纪70年代以来，由于石油价格飞涨、矿石燃料储蓄量的有限性及其严重的温室效应，世界对可再生能源的兴趣持续升温，技术最成熟、经济最可行的小水电尤其受到青睐。上世纪早期就积极开发小水电的西方发达国家，到70年代已经停止发展并废弃了大量小水电站，这时又开始重新发展，包括新开发和恢复更新、改造旧电站。一批发展中国家，也纷纷制订了宏伟的计划，兴建了一批小水电站。经过几十年的运行，许多电站陆续开始老化。最近有一家“水电设备协会”（HEA）从在该协会登记的世界范围小水电站机电设备订货清单中发现近10年来世界性水电站更新改造的潜力有了很大增长。特别是北美洲与欧洲一些国家的小水电站大多是在50年代至80年代建造的，它们所属更新设备的份额在今后10年内估计将保持70％左右（见表1）。

从表1可看出，2004年的估计，北美和欧洲需要更新改造的小水电总容量达到680万kW，这是个不小的数目。加上中、南美洲，中东及非洲，全球估计接近1000万kW。他们对更新改造设备的投入按每千瓦100美元估计，共需10亿美元。事实上，许多改造项目，每千瓦100美元是不够的。

以上统计数字均未包括中国的。

中国小水电大规模建设始于70年代，许多电站迄今已运行10～30年以上不等。据前几年不完全统计，大致情况如下（见表2）：

经初步了解，有更新改造、扩容需求的小水电站约为8000MW，这些电站普遍技术性能差，不同程度存在许多技术问题：如运行不稳定，长期在非优工况下运行，出力不足；或泥砂磨损与汽蚀严重，转轮亟待更换；有的原设计、水文资料不足，使机组选型不当等等。

受世界银行委托，亚太地区小水电研究培训中心于2004年对新疆小水电改造规划作了专题考察，提出了报告。详情见本文实例研究之二。

2改造扩容工作需要有序进行

对旧电站的更新、改造、扩容和开发新电站一样，也应当有序进行，而不能随意、一轰而上。面对全球现有水电站需要更新、改造与扩容的巨大潜力，众多的国际机构，包括世界银行、国际能源署以及国际水电协会等等都纷纷看好这个市场，给予了充分重视。他们注意到，更新改造对现有电站运行性能的改善、效益的提高、寿命的延长都能起到显著作用。为此，世界银行于2004年就委托法国电力公司水电工程中心研发、编制一套旧电站更新、扩容的规划、决策大纲，用以促进现有电站的业主们对旧电站重新投资，予以更新。该大纲于2004年12月编制完成，其目的是帮助决策人员对水电站的更新扩容工作制订出合理的规划以及最佳的实施时间表。

这个大纲全名“大坝与水电站更新改造扩容的规划与决策大纲”，可用以指导大坝与水电站改造扩容过程中的选站、审批、投资及实施等各个环节，使之有序顺利开展并获得较高的内部收益率（IBR）。大纲里所指的更新改造还包括大坝安全与水资源的优化利用。

如前节所说，全球水电站更新改造与扩容的潜力约为1000万kW（不包括中国），水电设备协会（HEA）估计，总需投资至少10亿美元。这么大的投资规模必须在合理规划指导下，有序进行。

水电站是一项长期投资、运行费用极低的工程，可以惠及几代人。项目的初期投资一经归还（如10年左右），这项水电资源所提供的财务、经济、环境和社会效益几乎可延续上百年，作为水与能源交换的一种主要方式，它可以成为全社会持续发展的一个重要工具。

虽然改造扩容工作可以使现有旧电站发挥最大效益，从而对水资源的可持续利用作出贡献，但是电站的性能在运行年限内还受其他一些因素的影响，例如设计、施工和维修的质量。因此，有必要深入研究并明确改造、扩容的具体内容及其定位。

一般说，正确的维护、修理对保证水工结构和机电设备的正常运行是十分重要的，但维修不能完全消除设施的老化过程，因此到了一定时段，为了避免电站收入减少，以及运行维修费用的增加，更新改造仍是必须的。国外有专家把维修和更新改造对电站性能的影响定性地画出一幅曲线图，形象地表示更新、改造的时间。如图1所示，当电站性能降低到加速恶化前，就必须利用更新改造将其恢复到原设计水平；还可通过扩容等手段，进一步提高性能。如何确定这个点，就是我们所要研究的问题。

更新改造与维修和新建项目都有很大不同。并有可能陷于二者之间而被忽视，使决策人不能正确估计改造扩容的方案在满足水与能源增长的需求中的作用。这也是世界银行要求开发这种决策方法的原因，使决策人能够正确评估改造扩容的效益。

3改造扩容规划决策大纲的框架

法国电力公司编制的这个决策大纲为改造扩容项目提供了一个实用的决策方法，用以选择易于吸引投资、便于实施的优化项目。大纲的实施按下列6个步骤进行（见图2）：

1）先对大坝和水电站作一个基本情况评估，包括扩容和性能优化方案的鉴定；

2）对已明确的水量和电力供应、以及安全、环保与社会发展的需求进行审查；

3）根据上述2个步骤所取得的资料，明确可能改造扩容项目的规模；

4）以多条件定性分析的方法对一批可能的项目进行筛选，选出一批数目适当的项目供研究；

5）以多条件定量的方法对选出的项目进行排队，包括深入的经济分析以及确定风险等级、社会与环境性能、融资的可能情况和实施的时间进度等等；

6）对首选的几个项目编制一份实施计划，包括时间进度、预期的融资安排、设备采购措施、初步工作计划以及对可行性研究的任务要求。

上述大纲框架的最主要部分是各种需求的系统分析以及能否及时引入资金的情况，这二者影响最终结果。此外，这个大纲的方法也是为了将可比的项目数限制在合理的范围内，从而尽可能精简方案评估过程。

当然，这种方法并不能到处生搬硬套，而仍需要因地、因项目制宜，从明确主要目的开始，并对有些已经具备开工条件的项目多加考虑。

4改造、扩容的决策人与投资人需考虑的重点

除了上述决策方法外，法国电力公司还研究提出了一些建议供决策人和融、投资方考虑：

1）为便于旧电站基本情况评估，业主应建立并保存正确的运行、维修记录；

2）在决策过程中，应明确界定业主和运行单位各自应负的责任，以保证继续维护与改造扩容工作的顺利转换；

3）非结构性措施如水管理优化等应予充分挖掘；

4）改造、扩容实施（施工期）的“机会之窗”应充分论证、确定（如影响和费用损失最小的停机时间）；

5）在充分利用设备供应商的现代新技术的同时，独立专家在决策过程中的重要作用也应予以重视；

6）采取与决策过程中不同阶段相适应的创新、灵活的设备订购方式；

7）为保证改造、扩容效益的持续性，还应建立一套新的健全的电站维护方案；

8）决策人在考虑新设施的方案时，还应同时研究现有设施扩容的方案；

9）对改造扩容的项目应考虑其现有环境与社会情况的处置，适当分配合作伙伴之间的利益、成本和责任；

10）应采用适当的规程以保证改造扩容项目的合理开发与实施；

11）对有些不能产生直接效益的改造扩容项目，如大坝安全项目，则需要多边投资机构的支持；

12）必须提高各类决策人（如电力公司，有关部门和投融资商等等）对改造扩容的特殊效益的认识。

5资金筹集问题

改造扩容项目的内部收益率IBR是很有吸引力的，常可达到20％以上，可以说是典型的高收益项目。但是，水电站的改、扩工程在头几年内的资金流还是要比火电站等项目差，所以仍可能面临资金不足的挑战。从图2的进程中看，选择对投资人具有吸引力的项目是第4步（即项目筛选）所需注意的重要条件。

在水电站的改造、扩建项目中，采用公、私合作多渠道融资及分期投入的方式是可行的。对多机组的水电站，改造、扩建期较长，但只要在第一台机改、扩完工后，即可先行投产，资金收入情况就会好转。这种分期投产的方式可以减少对投资的需求，还可以降低工程成本。因此，项目业主应当充分利用改扩项目的这种分期投入的创新的方法。当然，在项目实施的初期，还是需要多边投资机构（这是从国际上说。但从国内说还是要政府机构）的支持，而在部分机组投产后，就可由私营企业接管，继续投资。对于一些资本金不足的私营企业，政府仍是重要的推动者和靠山。

6实例研究

实例研究之一：土耳其

土耳其具有世界水电资源的1％左右，土耳其电力总局（EUAS）和其他一些主管部门研究的成果表明，土耳其的技术经济可开发的水电资源为3500万kW，其中有340万kW正在开发施工中。

土耳其电力总局拥有100多座水电站，总装机容量1160万kW，其发电量为全国电力的113。这些电站中，有的是早在1902年投产的，容量从0．2～240万kW。直至2004年以前，还没有进行过改造工作。2004年，土耳其电力总局委托法国电力公司水电工程中心（EDF-CIH）制订一个规划大纲并对优选的项目提出一份可行性研究报告。该任务从2004年7月开始，2005年3月完成，并另由法国电力公司未参与该规划开发工作的几位工程师对规划大纲进行评估，以保证大纲为水电专家所理解，并有现实意义。

这个实例研究了在土耳其如何应用这个大纲，对决策有什么予期，大纲又怎样指导具体改造扩建项目的实施。在完成需求审查和原有设施基本情况的评估等过程后，确定了5个规模不同的项目，从一项设备的改造到整个电网全部设施的更新。该5个项目为：

1）更新135万kW的柯班电站；

2）对幼发拉底河流域所有水电站全面运行情况的更新；

3）对萨卡耶河流域主要水电站的改造；

4）提高少数几个主要水电站的水轮机效率；

5）改进少数几个主要（有战略意义的）水电站的服务设施，如担任旋转备用和全停电后的起动能力等等。

按照大纲工作步骤进行，柯班水电站被选为在土耳其进行改造、扩容的最佳项目。建在幼发拉底河上的柯班电站是土耳其第三大水电站，分两阶段建成的：柯班1站为4台15．75万kW，于1974年投产；柯班2站为4台18万kW，于1985年投产。

然后对柯班改造项目进行可行性研究，以确定项目的具体细节，包括所需成本与收益。该项目的改造任务为：

1）更新水轮机导叶以减少渗漏；

2）将柯班1站的发电机定子线圈更换为F级绝缘以增加机组出力；

3）将柯班2站的发电机定子接线恢复到原来的性能与效率；

4）改造频率与电压调节系统；

5）改造机组控制系统；

6）实施一套全自动控制系统。

根据评估结果，业主决定实施改造计划，于2006年开工，2011年完工。编制工程设计与设备订货任务的咨询单位已经选定。主要招标工作计划于2006年底起动。目前，业主正在为此筹资。

“大纲”在土耳其改、扩项目中的成功应用，说明其实用性，可作为决策者的有力工具，并适应国家在时间和任务范围方面的限制。该大纲可使改扩项目的决策和实施过程更为有效，并保证所选项目在水电对持续发展的一般贡献范畴内发挥全面效益。

实例研究之二：中国新疆

受世界银行委托，亚太地区小水电研究培训中心于2004年派专家组对新疆小水电作了系统调查，并对20余座电站作了深入的考察。考察报告认为新疆现有119万kW小水电站运行时间都已有20～40年，存在问题很多。经分析和初步规划、筛选，提出了有必要改造、技术上可行、且今后有能力归还贷款的15座小水电站，作为第一批改造项目，这批项目原有装机总容量10．4万千瓦，改造、扩容后可增容2．98万kW，约为原有装机容量的29％，需要投入资金约1亿元，平均每千瓦投资3600元，远低于当地新建电站投资6000～8000元／kW。说明更新改造的经济效益是十分明显的。

考察报告指出，现有小水电存在的问题为：机组性能落后，制造质量差；控制、保护设备陈旧，自动化程度低；机组部件磨损与汽蚀严重；有的设备严重老化，绝缘下降等等。并提出技术改造的规划方案与原则。对需要改造的电站进行分类，采取不同改造方式。针对电站具体情况，因地制宜、进行优化设计，紧密结合和妥善处理各个电站的不可变或不宜改变的制约条件，在有限的投资情况下，尽量增加年发电量、提高电站经济效益。不同电站大体分类如下：

1）需要对设备进行整体更换的；

2）主设备局部改造，辅机及电气控制、保护设备整体更换；

3）对现在的实际水头或流量比原设计大的或小的电站，可增容改造或减容改造。

改造规划除对上述各类改造提出了详细技术方案和措施，还对增容改造的电站提出了一些关键性技术环节。

从规划的原则、实施细则及其可操作性来看，和法国电力公司编制的“大纲”，有许多相似之处，又有一些不同之处，可以互为补充。利用二者结合的方法，可作为今后一个国家或一个地区小水电改造规划的指导，可能产生理想的效果。

参考文献：

[1]FrameworkforDecidingtoRehabilitateandUprateHydroFacilities[J]．《HRW》，2006，（7）．

[2]吕建平．新疆小水电考察与改造可行性研究（向世界银行的报告）[R]．2004，10．