小水电学科发展.doc

小水电学科发展一、引言 小水电是利用河川水能发电且其发电装机规模在工程分等中属于低等别的小规模水力发电站。小水电的容量在不同的国家、不同的时期有不同定义，有的国家和组织还规定了相应的水头和直径变化范围。 1977 年第 10 次世界能源会议建议把容量在 1OMW 以下的水电站称为小水电，国际小水电组织在 1998 年也明确了小水电的容量定义为 1OMW 。 在我国，小水电站的容量界限还与我国农村经济的发展和农村用电水平有关，甚至还把与小水电站有关的农村电网统称为小水电，故在我国小水电又常称为农村水电。随着全国小水电装机的不断增长，各个时期的分等标准也不相同。目前我国把水力发电工程等别中的和 V 两个等别称为小型工程，习惯上分别称为小（ 1 ）型和小（ 2 ）型水电站，其容量界限分别为 50MW 和 1OMW 。据调查，全国小水电资源的经济可开发量约为 1.28 亿 kW ，居世界首位，相应年电能约为 3500 亿 4000 亿 kW h 。 由于小水电工程规模小，建设期短，一次性基建投资不大，水库的淹没损失、移民、环境和生态方面的综合影响小，加上小水电接近用户，输配电线路造价低、输电损耗小，这些优点使得我国小水电发展较快。截止到 2006 年底，全国共建成了小水电站 46989 座，总装机 44934MW ，约为全球其他国家小水电装机的总和，并占当年全国水电总装机 128570MW 的 34.9 ，形成了很大的规模，如图所示。 中国小水电的发展改变了国外靠大电网延伸实现农村电气化的传统做法，基本上解决了全国 1 2 国土面积、 1 3 县的农村约 3 亿人口的用电问题，开创了一条以县为实体、以地方分散小水电建设为基础的中国特色的农村电气化道路，为实现城乡统筹发展和中国新农村的建设做出了不可替代的贡献。这一意义深远的变化也推动了小水电学科的不断发展，使得小水电已不单单是解决农村用电问题的一种技术和手段，而是形成了一个社会、经济和环境效益并重的、与大水电具有不同特点的新的小水电行业，为世界所瞩目。 二、学科发展现状及主要成果 （一）我国小水电学科研究的主要进展 在学科发展初始阶段，由于当时的小水电容量小、多孤立运行，学科研究的主要任务是加强当地材料和技术的应用，主要包括土坝、砌石坝、混凝土压力水管等应用，并开始发展中小水电设备的制造能力。 20 世纪 70 年代，是我国小水电的大发展时期，国家制定了“谁建、谁管、归谁所有”的政策，大力发展地方电网和小水电供电区，学科研究的重点转到标准化生产设备，开展定型设计研究，以适应大规模小水电建设的需要。 20 世纪 80 年代我国提出了在小水电资源丰富的地区首先建设 100 个具有中国特色的初级电气化试点县计划，学科研究的重点是新技术、新材料、新产品的应用及有关政策、管理和软科学的研究，成功地完成了第一批 109 个农村初级电气化县的建设。 20 世纪 90 年代小水电由单站开发发展到对整个流域实行梯级滚动开发，并开始发展跨县区域电网。学科研究的重点是小水电的优化调度、增容改造、地方电网降损节能等，并引进推广了国外一些机电新技术及碾压混凝土坝、橡胶坝、混凝土面板堆石坝等坝工技术。 进入 2l 世纪后，结合国家农村电气化县建设、农网改造、送电到乡光明工程、以电代燃料生态小水电站建设等一系列项目的实施，学科研究的重点以计算机应用、自动化技术、重锤式蝶阀、高效率转轮等高性价比的清洁适用技术为主，大力推广新技术、新产品的应用，并引入了清洁发展机制，重视对生态环境有利的小水电开发管理技术研究。 （二）学科研究的主要成果 1 小河开发和农村电气化规划研究 小河梯级开发是中国小水电开发的主要特点之一。它可以充分利用一条河流的水能，在上游兴建的龙头水库可为下游所有电站调节流量。以小水电为基础的农村电气化规划包括水力资源开发、电力电量平衡和经济计算。在小水电供电区内由于丰枯出力和峰谷负荷变化大，学科研究提出了同时规划电源建设和用电负荷发展的双向规划，并提出了中国特色的农村初级电气化的用电标准，这在国际上还是第一次，成果曾获水利部科技进步一等奖。 2 地方电网建设和管理的研究 学科研究提出了地方电网存在的必要性，并为地方电网的运行管理提出了一整套的技术和办法。就近发电、就近供电可以充分利用当地水力资源，实行治水办电相结合，在地方电网内实行发、供、用电的统一，以自发自供为主，多余电量可上网交易。这种大电大网国家办，小电小网地方建的“两条腿走路”的方针，保证了农村电力市场的快速发展，使小水电有了自己的供电区和相对稳定的供电对象，创造了与其他国家不同的农村供用电方式。 3 提高小水电的可靠性和年发电量的研究 与大水电相比，小水电发电的可靠性和单位千瓦装机的发电量比较低。研究提高了小水电设备的质量和季节性电能的利用，使得装机年利用小时从 2000 小时提高到现在的 3300 多小时，并分析了实测水文资料短缺，使用月均流量计算对确定装机容量的影响，提出了一些实用的设计估算方法。 4 小水电水工建筑物的创新研究 研究提出了小水电的多种开发形式和多样化的水工结构，使得我国水电建设的很多新技术、新材料、新成果都是首先在小水电工程中得以使用。如碾压堆石混凝土面板坝、碾压混凝土坝、充填式橡胶坝都在小水电行业内试行和推广。充填式橡胶坝还在水库溢洪中取代闸门使用。还采用了一些在较大规模的水电站中并不常见的当地材料坝、无压引水建筑物，包括低坝壅水、无压进水口、沉沙设施、引水渠、前池等。如水力自动启闭虹吸式进口的研究成果，首先在西北地区推广后在全国广泛应用。又如前池设计容积一直是一个模糊不清的问题， 20 世纪 90 年代，经调查研究分析得到前池断面只与涌浪计算有关，从而首次制定了前池设计规范。小水电中防沙排沙的研究，在理论与实践上都有新的进展，涡旋式排沙初步得到了应用。 5 高性价比小水电机电技术研究 根据小水电技术适用性、经济性要求和标准化、自动化、信息化的发展趋势，学科研究重点是推动高性价比清洁适用技术发展，其中 5MW 级大容量高速发电机填补了国内空白，并形成了以新型增速器、多喷嘴斜击式水轮机、电动调桨等为代表的一批专利技术，开发研究了相关配套辅助设备等。所研发的新产品除满足国内需求外，还大量出口到 40 多个国家和地区， 2005 年获联合国工发组织和深圳高交会合办的“全球可再生能源领域最具投资价值的十大领先技术蓝天奖”，成果处于国际先进水平。 6 小型水电站的技术改造研究 早年建成的部分小水电站，限于当时的建站条件，使有的设计参数和实际情况偏差较大，导致出力不足或弃水量较大；有的因机电设备质量差，运行可靠性低，因而有相当一部分设备需要技术改造。学科研究提出了以提高水轮机转轮效率或整机增容，或以提高电站自动化水平、计算机应用为主的方法，具有投资少、见效快的特点，一般多能增容 10 左右，二三年即可回收技改投资，经济效益十分明显。 7 小水电的开发管理的政策和标准的研究 研究为我国小水电的开发管理制定了较严格的规范规程和相关技术标准，明确了相应的立项、审批程序及有关政策法规，涉及水电开发的诸多因素。如开发权的取得、用水用地的许可、移民、生态环境评估对当地社会及公众的影响等，还明确了电站施工及运行方面的要求，防止了小水电的无序开发。很多管理办法是我国所独创的，并在国外产生了很大影响。如“三自”方针、“以电养电”政策、发展小水电自己的供电区及关于水能资源统一管理的政策等。 8 清洁发展机制与中国水电碳融资对策研究 研究提出了中国水电清洁发展机制研究报告，其中湖南汝城渔仔口电站项目 2005 年获国家发改委批准，并作为中国首例水电项目在 CDM ：执行委员会成功注册，填补了中国作为水电大国在世界 CDM 领域的空白。截至 2006 年底，中国已有 95 个水电项目进行了碳融资，使得中国目前的水电 CDM 项目已占世界 l 3 强，预计每年可实现二氧化碳减罚 F 量 1000 万 t ，具有巨大的经济和生态效益。 三、国际比较 （一）中国小水电在国际上的地位 1 树立了中国小水电的著名品牌 中国小水电建设的成功实践引起了国际上的关注。联合国在为筹建国际小水电组织总部而征求五大洲有关国家意见时，几乎得到了一致的回答：国际小水电组织总部只能建在中国，体现了国际社会对中国小水电发展的关注和认可。 联合国驻华总代表 贺尔康 先生曾说：“在诸如中国这样的国家里，分散方式的农村电气化在消除贫困、防止环境进一步恶化方面是成功的，有数亿人口从中受益。中国的实践也使我们相信，采用清洁的、相对比较便宜的小水电将是实现分散方式的农村电气化、从而改善人们生活条件的最好形式。” 经国务院和联合国工发组织批准，在中国杭州建成的国际小水电中心是第一个总部设在我国的国际组织，现有成员组织 300 余家，广泛分布在全球 60 余个国家，树立了中国水电的著名国际品牌。在推动学科研究、促进小水电技术创新、高性价比小水电设备制造、各国小水电合作方面我国一直处于主导地位，产生了广泛的国际影响。 2 在推动学科发展方面所做的主要工作 中国小水电学科研究在整体上处于国际领先水平。在学科研究方面，我国先后提出了“分散方式发电”的概念和小水电是一种“多学科多行业相结合的，社会、经济和环境效益并重的新的行业”的观点。 2003 年论述了小水电是能源回报率最高的优质能源，倡导了高性价比小水电机电技术创新的方向。 2004 年又提出了“三个电力市场”理论，即在传统电力系统内建立竞争性电力市场，在广大山区农村建立地方服务型电力市场，在现有电网覆盖区内建立用户侧分布式电力市场，对新时期中国式的农村电气化事业进行了理论创新。 中国的实践也为推动小水电学科在国际上的发展做出了贡献。通过国际培训、国际会议、合作研究及项目示范等，推动了学科研究和技术进步工作。如开展了联合国工发组织的“点亮非洲”项目、欧盟的“可再生能源商业化”项目、 77 国集团的“发展中国家小水电合作”及“撒哈拉地区小水电开发”项目、 CIDA 的“小水电自动化”项目、联合国基金会的“高性价比小水电机电技术转让”项目、世行的“小水电可再生能源规模化”项目等，促进了小水电学科的发展。中国研制的小水电设备已出口至包括欧盟成员国在内的世界上 40 多个国家和地区。近 10 年来我国还为 60 余个国家培养了约近万名工程师，将中国小水电的实用技术和经验介绍到了世界各地，中国代表还因此获得了联合国开发署“实现千年发展目标”特别奖。 （二）国内外主要小水电技术和特点比较 1. 小水电机电设备技术比较 （ 1 ）小型水轮机。混流式水轮机最高模型效率已达到 94.2 ，处于世界先进水平。型轴流式机组传统结构分发电机层和水轮机层，现合并为单层结构，简化了水工建筑物布置。采用电动调桨技术，改变了传统的水轮机液压调桨方式，属国际首创，获得国家专利。贯流式水轮机采用双向发电、双向泄水，具有世界先进水平，填补了我国潮汐能开发的空白，获国家科技进步二等奖。冲击式水轮机采用水斗根部加厚、水斗数适当减少的新结构，国际同类产品未见报道。斜击式水轮机扩大了比转速范围，应用水头提高到 400m ，大大高于国外推荐的同类产品应用水头 120m 。 （ 2 ）小型水轮发电机。广泛采用新技术、新结构、新材料，但在结构设计、加工工艺、使用材料等方面与国外相比仍有一定的差距。 （ 3 ）微型整装机组。品种系列多，技术上处于国际领先水平。水轮机转轮采用不锈钢精密整体铸造新工艺，发电机采用稀土永磁发电机，无碳刷无励磁系统，并利用电子技术解决了微水电机组电压难以稳定的难题，提高了微水电设备运行的安全性和简便性。还研制了微水电活动电站及箱式微水电发电机组等。 （ 4 ）电气设备。广泛采用计算机和信息化技术，提高硬件和软件的可靠性，监控系统网络化，便于操作维护。对水电站进行自动控制、自动调节、自动保护、数据自动采集记录、事故故障自动记录与处理，使水电站运行实现高度自动化，做到少人值班或无人值班，提高电站运行的经济性、可靠性和安全性，但以信息化、自动化为特点的高科技产品的研发方面与国外尚有一定的差距。 （ 5 ）辅助设备。自动调速器、重锤式阀门、低速及无须括瓦的轴承及低噪音增速器等产品技术发展迅速，零部件质量有了较大改进，性能接近国际同类产品。 （ 6 ）标准化生产。国外小水电设备多是单件生产，具有工序多、成本高的缺点。与国外不同，我国颁布了小型水轮机的行业标准，与水轮机配套的发电机、调速器和闸门也进行了系列化设计。近年来以各研究单位和设备厂家的系列编号，一些性能参数较高、具有国际先进水平的转轮投入了应用。 2 小型水工建筑物特点和技术比较 （ 1 ）低坝引水建筑。低坝设计只作稳定安全分析计算而不作坝身结构应力分析。在做稳定分析时，使用剪摩公式而不使用纯摩公式，因坝体应力小而可不使用重力式实体混凝土结构，以降低造价。硬壳坝的采用便是典型的实例。 （ 2 ）无压进水口的防沙排沙措施。如底栏栅引水结构始建于奥地利蒂罗尔地区，我国引进后，已作了较深入的研究和改进。另一种沉沙槽式取水结构始建于印度，经我国研究改进，采用进水闸与坝轴线斜交的方式，并设置导沙坎，改进了闸前排沙和闸后河床的冲 举问题，取得了较好的效果，技术处于国际先进水平。无压开敞式在进水口后采用涡旋式沉沙池，可处理全部推移质泥沙并能排除 85 以上的颗粒粒径小于 0.05mm 的悬移质泥抄，是一种高效节水节能的排沙技术。 （ 3 ）厂房。小水电的厂房结构形式与机电设备布置直接有关，其厂房设计和施工已日益新颖和现代化。如新的机电设备和自动化技术采用改变了过去的定型设计；重视厂房外观设计，要求与外部环境相协调；为防止厂房内噪声采用了无反射的吸声材料；新结构的小型立式轴流式水轮机采用了单层厂房等。 3. 小水电运行、维护和管理方面的技术比较 我国为小水电的运行、维护和管理制定了一整套的规范和标准，是世界上其他国家少有的，其发展政策和分散办电的机制也为我国所独创，我国已成为全球小水电技术的资源国和示范国，全行业整体上处于国际领先水平。但我国在生态环境的研究、保护方面，在自力工业的改革、运行管理方面，及在部分软科学研究领域仍与发达国家有一定的差距，需要进一步发展提高。 四、战略需求与发展目标 （一）学科发展目标 新时期小水电学科发展的主要目标是紧密结合我国小水电建设任务和国际小水电工程技术领域的发展趋势，通过技术进步促进学科发展和行业创新，进一步研究如何发挥小水电的优势，实现分散方式的农村电气化，促进绿色电力和竞争时代的小水电开发；研究如何办好国际小水电组织的总部，积极参与国际竞争，实施小水电走出去战略，继续保持我国小水电在国际上的领先地位。 （二）学科发展战略需求 1 小水电行业发展需要有理论指导 中国小水电是一直以地方为主建设管理的，以往常被当作小规模低等别的发电工程，在市场竞争中处于弱势地位，后来又出现了全国范围内大电“代管”的情况，缺乏把农村水电巨大的社会、经济、环境效益统筹考虑，形成一个定位准确的行业。为此：亟待有一种行业理论来指导新时期农村小水电的发展。 2 技术创新需要有一个明确的方向 在小水电领域，虽然我们在实践中已积累了相当多的经验，有的技术还非常独特，但仍有许多技术领域有待提高，如小水电设备的标准化、自动化和信息化问题，高海拔、无实测资料及边远地区小水电的开发如何规划问题。它既不是大水电技术的缩小，也不是以往那种小水电技术的简单重复，需要有一个明确的技术创新方向。 3 新时期小水电发展需要一种新的机制和发展模式 以往小水电多由地方政府兴建，在市场经济条件下，出现了越来越多的独立办电者，需要进一步研究小水电的发展机制。同时随着全国通电率的提高，孤立电网越来越少，需要研究新情况下分散方式办电的特点；并需进一步开展小水电的清洁发展机制的研究和水能资源有序开发管理的研究。 4 开拓国际水电工程领域的需求 随着经济全球化和对可再生能源的关注，需要博采各国之长，借鉴和学习国外先进的小水电技术和管理经验，将我国小水电技术和经验向广大发展中国家转让，实现中国小水电全行业走出去已经成为全国水利行业需要考虑的重大问题，需要通过技术进步进一步树立中国小水电的著名品牌。 五、学科发展对策与建议 （一）小水电学科发展的重点领域 1. 建立完善小水电学科的理论体系 经过多年发展，无论从发展规模、从行业性质和特点看，还是从长期以来逐步形成的我国小水电的规划、设计、施工、运行和管理方法看，作为一