苏西纳南河水电开发的历史与现状

苏西纳南河水电开发的历史与现状

1u3000lep开发的筛选、投资和评估sultna河发源于距费尔伯克斯市以南约145公里的阿拉斯加山脉，位于拉赫贝尔特地区的中南部，连接该地区最大的两个城市：费尔伯克斯市和安克雷奇市，通过403公里的河流最终流入科克湾。20世纪50年代初期美国垦务局首先对苏西特纳河水电资源进行了研究。70年代美国陆军工程师团又接着进行了审查。1980年阿拉斯加州电力局(APA,即现在的阿拉斯加州能源局(AEA))进行了综合分析以确定苏西特纳河的水电开发是否可行。基于这些研究,1983年AEA向美国联邦能源管理委员会(FERC)递交了一份关于开发苏西特纳河瓦塔纳(Watana)/魔鬼谷(Devil)水电工程的许可申请报告。1985年为分期建设瓦塔纳/魔鬼谷水电工程对该报告作出修改,估计成本为59亿美元(1985年价格)。要对如此规模的项目作出切实可行的财政计划较为困难,再加上20世纪80年代原油价格下降,莱尔贝尔特(Railbelt)地区燃气发电成本相对较低,以及该项目对州财政预算的影响,1986年3月电力局董事会终止了对该项目的开发。在1979～1986年财政年度,阿拉斯加州政府已经给该项目拨出资金约2.27亿美元,其中该项目已耗资1.45亿美元用于实地测量、生物研究和向FERC申请审批相关的活动。尽管电力局得出的结论是该项目的不利影响是可控的,但许可申请仍然未获批准。因此该项目的一些研究数据和报告被存档以备日后再议之用。2008年,阿拉斯加州立法机构根据2009财年预算,授权AEA对苏西特纳河水电方案进行重新评估。该授权还包含一份“莱尔贝尔特综合资源规划”,评估阿拉斯加州莱尔贝尔特地区的各种电力资源以满足其长期需求,迄今为止该规划仍未完成。苏西特纳河和其他水电项目之所以对AEA和阿拉斯加州有特殊的意义,是因为水电不像燃气发电那样易受燃料价格波动的影响,它可以保持电价长期稳定,从而为电力长期增长规划创造条件。此项研究包含收集审查原始研究数据中的相关信息及20世纪80年代的许可申请报告。在此基础上,此次重新评估对项目的发电量及成本作了估计并列出了项目开发时间表。此外,利用这些信息,按2008年的价格对1983年FERC许可申请中提出的开发方案作了经济估算。最初的FERC许可申请报告和目前重新评估报告分析了下列几个方案。(1)瓦塔纳方案。该方案包括:在苏西特纳河上的瓦塔纳河段修建一座大型蓄水水库、一座高约270m的堆石坝及一座装有6台水轮机组的电站,总装机容量为1200MW。(2)下瓦塔纳方案。该方案把瓦塔纳大坝坝高降为214m,修建一座装有4台水轮机组的电站,总装机容量为600MW。(3)瓦塔纳/魔鬼谷方案。此方案的瓦塔纳坝按全坝高(约270m)修建,并在下游魔鬼谷坝址处修一座高约为197m的混凝土坝,形成第2座水库以重新调节流量。魔鬼谷电站的装机容量应达680MW,待FERC通过审批后,2座大坝应不间断相继完工。瓦塔纳/魔鬼谷联合工程总装机容量将达到1880MW。(4)瓦塔纳/魔鬼谷分期开发方案(坝高较低的瓦塔纳,加魔鬼谷,加全高度的瓦塔纳)。此方案和上一个一样,但初期瓦塔纳大坝建得较低,且只安装6台低水头水轮发电机组中的4台。然后全体施工人员前往下游修建魔鬼谷大坝及电站,接下来,或推迟进一步建设,或返回上游瓦塔纳把大坝修至全高并安装余下的2台水轮机。相对于整个工程1880MW总装机量而言,分期修建的瓦塔纳电站装机容量将会从600MW增加到1200MW。(5)魔鬼谷方案。瓦塔纳大坝未包括其中,该方案包括魔鬼谷大坝及装有4台水轮机组的魔鬼谷电站,总装机容量为680MW。注意魔鬼谷大坝为调节坝,与瓦塔纳水库配合调度。若没有较大的上游瓦塔纳水库,魔鬼谷电站在冬季发电时其水库蓄水量很少。被评价的方案共有7个,但这份报告里面只提出了上面列出的5个。对装有6台水轮机的瓦塔纳方案和6台水轮机的魔鬼谷方案也做了评价,因建设成本和投资成本较高而额外增加的发电量很低,与装有4台水轮机的相同方案比起来,发电成本显得过高。经进一步考虑,最终取消了装6台水轮机的两个方案。下面介绍了上述5个方案的发电量、成本和工程建设时间表的初步评价、经济评估分析,以及管理与环境问题。2第一个功率估算的例子2.1水文资料的整理更新了现有水文记录以便对苏西特纳水电项目的发电量作出全新估计。在1983年发布原来研究报告时,水文记录含有1950～1981年的数据。项目工作组对原来在瓦塔纳/魔鬼谷大坝坝址采样的综合水文记录进行了更新,采用小金河(GoldCreek)处的美国地质调查局(USGS)1529000号测量仪表测量出的原始日流量数据,按集水面积的直线比例移置,发现新的水文记录与原来研究报告中的年均流量之间存在着相关性。基于这种水文资料,建立了一份1950～2007年的完整记录。春夏两季,苏西特纳河上游流域的水文情况受冰川和积雪融水支配,而冬季则受大面积结冰的支配。因此,径流大部分集中在4月中旬至10月中旬。研究现有文献资料得出,对降水和径流可能受自然环境变化影响,和/或受人为造成的全球气候变化影响的方式缺乏共识。该报告中,假设未来水文条件与前一段时期的情况相似。2.2规划模型关键假设利用有专利的发电量模拟软件“计算机水电运行和规划软件(CHEOPS)”对每个方案的发电量进行估计,结合工程的土建、机械和电气性能数据使水文资料得到了不断完善。除日流量外,模型输入还包括:基于1985年经FERC修正的水库库容和面积曲线、尾水曲线、溢洪道容量最小值和最大值,以及蒸发系数。估计夏季水库总蒸发量介于25～76mm之间,冬季结冰时蒸发量可以忽略不计。设备性能依据制造厂家1985年专门为该项目设定的数据。针对本模型建立了通用水轮机平均特性曲线,导叶全开时高效率的峰值范围为95%和92%。还建立了发电机特性曲线,其效率峰值为98%。瓦塔纳电站6台200MW发电机按设计水头207m、最小工作水头166m标定。魔鬼谷发电站4台170MW的发电机组按设计水头183m、最小工作水头137m标准。对于瓦塔纳/魔鬼谷方案来说,采用1985年经FERC修正的目标库水位模拟水库运行。在该组成对配置中,魔鬼谷电站负责提供基荷而瓦塔纳电站则用于峰荷发电。对于下瓦塔纳电站和没有魔鬼谷的瓦塔纳电站还分析了替代方案。在这些情况下,规定瓦塔纳水库的目标库水位尽量高以利冬季发电。对于下瓦塔纳方案,则预备安装4台发电机组,每台额定功率约为150MW。此模型其他关键假设包括:(1)以1985年以来环境流量限制作为底线,尽管事实上新环境法规可能会对最低流量和流量变化速率作出修改。(2)能源需求将会很大,足以消耗该项目的所有发电量。(3)魔鬼谷和瓦塔纳这两座电站都有1.5%的强制停机率。(4)变压器损耗为总发电量的2%。(5)虽然1985年的研究表明瓦塔纳水库在运行100a后将因泥沙淤积而损失12%的死库容,但不会对水库的运行造成重大影响,该模型不包括淤积速率。(6)保证发电量根据57a水文记录中的枯水年份估计。发电量初步估计见表1。3初步成本估算3.1对瓦塔纳/魔芋谷的成本估计为了对20世纪80年代设想的苏西特纳河水电项目成本作一个全新的估计,对当时的文件进行了研究,包括项目说明书、图纸和成本估计。最终查出了1982年原来可行性研究报告中详细的成本估计数值,当时对瓦塔纳/魔鬼谷项目的成本估计总计为50亿美元(1982年价格),而1986年对瓦塔纳/魔鬼谷分期项目的成本估计则总计55亿美元(1986年价格)。经比对发现,除了干预性的费用上升和少数几个栏目不同外,这两份原先的成本估计非常相似。例如,缓解环境影响这一项就作为许可申请的一部分出现在1986年的成本估计中,但在1982年的成本估计中则没有这一条。1982～1986年其他的变化包括从17.5%增长到20%的临时性开支及从12.5%增长到15%的工程费用。3.2方案或成本估计2008年各方案的成本估计是在1982年原来的成本估计量的基础上并对1986年的成本估计进行了部分修改而形成的。一个专门从事大型项目成本估计的公司,即美国成本估计公司(U.S.Cost)制定了2008年的单价。该成本估计是应用保守假设确定的,对现有的基础设施与行业惯例进行进一步考察可能使成本降低。为了做出过水至输电线(water-to-wire)水轮发电机设备的成本估计,预算报价要求直接由厂家做出。过水至输电线设备包括:水轮机、发电机、水轮机截流阀和其他各式机械或电气设备,以及这类设备的安装。已经为瓦塔纳/魔鬼谷联合项目的10台潜在水轮发电机准备了水头、流量和功率额定值的数据表。项目邀请函已送至阿尔斯通公司、弗吉尼亚理工大学、福伊特西门子合资公司和东芝公司,并对定价、性能、交货、尺寸及重量作了要求。在对收到的其中3份预算报价进行评估之后合并到了2008年的成本估计中。变压器价格采用的是ABB公司的。直接建设成本的20%用作意外成本开支,这在初步设计中是比较有代表性的。由于20世纪80年代进行了前期工程研究,因此认为这种意外成本是可以接受的。项目开发许可申请、环境研究、工程设计、建设管理,包括意外成本等估计为直接建设成本的11%。虽然由于经济规模的原因,对该比例已略微做了调整,但12%还是有代表意义的,因为一些更为详细的设计及将来维修的成本估计悬而未决。该报告中的各个单价对于美国的一些大型项目比较有代表性。成本的变化可能包含在20%的意外成本之中。列出的两个最大的建设成本为瓦塔纳大坝的砾石填筑及魔鬼谷大坝的混凝土浇筑。若这几项单价低估25%,对整个建设成本的影响也只有2%。该报告采用的方法是对各种方案适用一致的单价。该方法建立了一个平台以便从各个方案中择优录取。虽然今后对估算过的单位成本所作的改进会影响到项目的最终经济状况,但不会影响到各方案的等级评定。最终得出的初步建设成本估计见表2。除了建设成本外,项目还会产生其他成本,比如在建设完工前所产生的融资成本及利息。假设这些成本一起纳入每个方案发行的长期债券,建设成本和融资成本加上与债务清偿有关的成本,则为该项目的基建投资。表2显示的基建投资反映了各个项目公布的总债务。3.3方案经济效益分析对该项目的经济分析将需要对运行与维修成本,以及基建费用进行估计。这两项每年的成本基于下列假设。(1)每个方案的发电设施每年的运行及维修成本估计为1000万美元。该年度费用是基于其他规模和位置相当的水电工程估计的。对于公路及其他公共设施,假设工程一旦完工,则一部分维修费用,大约相当于每年500万美元应由该水电工程来负担,且对于每个方案一视同仁。(2)下列计划事项将产生基建费用:①由于空蚀原因,每20a需要更换水轮机的转轮,每台水轮机大约为500万美元;②水轮机调速器每20a需要更新一次,更换费用大约为每台水轮机50万美元;③每40a,发电机的定子和转子得重新绕线,每台水轮机大约为1000万美元;④每40a,变压器需要修复一次,每台变压器大约为40万美元(瓦塔纳电站有9台变压器,魔鬼谷电站有12台,加上每座大坝各1台备用变压器);⑤每50a,溢洪道需要进行结构维修,假定每座大坝费用为1250万美元,或双坝联合方案费用为2500万美元;⑥每50a,输电线路需要修复,假定每个工程方案总费用为1000万美元;⑦每50a,大坝结构需要修复,假设每座大坝费用为2500万美元或两座大坝方案费用为5000万美元;⑧50a后,FERC颁发的许可证将到期,期满前5a就得开始重新申请,并要求开展环境方面和管理方面的工作,假设5a平摊这些费用,则总共需要1亿美元。4相关环境管理措施给每个工程方案制定了一份最新的时间表。从项目审批开始,经过申请许可、设计、施工,直至投入运行。制订这种工程进度计划的最初目的是为预计的费用现金流及预计的能源收益提供一个时间表,以确定工程开发的经济可行性。假设下列情况:(1)基于1982年向FERC提出的许可申请报告来估计工期。(2)许可过程从开始至FERC批准估计为7～10a或者更长。已经为推荐的项目分析制定了8a的合理目标。该目标以下列条件为基础:工作立即开始,资金供应充足,工作与环境研究及工程管理同时开展,积极做好公众宣传以及与各利益方合作。(3)FERC许可申请报告将在1986年申请报告的基础上作些补充,以反映20多年来管理方面的变化及现代工程管理与施工的方法。(4)所有环境研究将在1980年及1986年研究的基础上进行补充,以反映目前的坝址条件、公共利益、野生动植物及娱乐休闲的需求。(5)项目开发许可证颁发后立即投入工程施工。(6)FERC直接管辖工程以外的公路及分期建设应当得到州政府许可,并先于FERC审批数年开工。包括修建施工便道和永久性公路、机场、桥梁、施工营地、集结区域及商业区。为满足工程进度,用这种方法修路是最快的,尽管在项目开发许可证颁发前是否能修建这些设施还存在不确定性。(7)导流围堰坝及导流洞必须在工程开发许可证颁发后即开始施工,在瓦塔纳/魔鬼谷工程主坝施工期间,利用上下游的围堰坝及导流洞给苏西特纳河分流。(8)溢洪道的施工应安排在导流坝及导流洞施工后进行,包括主溢洪道和非常溢洪道的现场准备、引水渠、控制建筑物、闸门、叠梁门、泄槽及挑流鼻坎。(9)瓦塔纳的全高大坝施工要求建成一座270m高的堆石坝,此前须做好现场准备、灌浆并设置减压系统。(10)魔鬼谷主坝建设要求建成薄混凝土拱坝。前期须做好场地准备、坝基、拱座及止推底座。鞍形堆石坝施工前要求进行灌浆及设置减压系统。(11)发电厂及传输电设施包括电站进水口、引水隧洞/压力管道、调压室、尾水渠、电厂、水轮机/发电机、机械及电气系统、开关站、控制楼及输电线路。(12)水库蓄水须基于最后的入流水文数据及水轮机的出流数据。(13)在瓦塔纳/魔鬼谷方案中,魔鬼谷工程应在瓦塔纳工程完工后立即开工。首期发电及全部发电最后的评估结果见表3。5过渡性贷款的融资成本对每一方案进行了经济分析,运用上述工作得出的发电量、成本和时间表等信息来确定各方案中单位发电量(kW·h)的成本。从而从经济学角度来鉴别首选方案。作为初步分析,运用了下列主要假设来对各方案进行比较。(1)无通货膨胀。(2)无州政府资本投入的100%融资。(3)50a期债券利率为5%。(4)全部电力用来出售。(5)债务偿还能力比率为1.25。(6)运行与维修(0&M)成本、基建费用及工程建设时间表估计见3.3节。上述假设为各方案之间的相对比较提供了基础。AEA提出了前4项假设,第5项假设中的债务偿还能力比率与1980年的研究中采用的比率相同。随着研究的深入,这些假设将得到进一步改进完善,以便于苏西特纳工程各方案能和IRP(资源整合规划)的其他发电方案应用同一基准加以评价。目前金融市场面临巨大压力,上述假设条件下债券有可能难以销售。然而,可以预料,当工程建设需要大量资本注入时,债券市场将会正常发挥作用。今后的分析应当考虑潜在的融资机制,例如那些与碳交易市场或补偿投资相关的融资机制。无州政府资本投入的融资假设要求建设融资或过渡性贷款要在工程完工并开始发电才能得到。假设过渡性贷款平摊到每一年并在工程运行满1a后纳入到长期债务,过渡性贷款的年利率假定为5%。假定工程运营满1a后开始偿还债务。完全没有州政府或其他团体资本投入,要实现AEA提议的100%融资计划不太可能。大型水电工程的审批过程及建设周期较长,而且即使这些活动可以得到建设融资,在工程完工发电之前各贷款方极有可能会至少要求支付利息。由于工程在发电前缺乏收入来源,那么州政府或其他机构应对利息偿还负责。若无阿拉斯加州或联邦政府资本投入或拨款,将导致苏西特纳河水电项目发电成本过高。政府拨款补贴能在工程还债期间大大降低电力生产成本。1.25的债务偿还能力比率(DCR)要求净营运收入为每年债务偿还量的1.25倍。1985年苏西特纳河研究报告中使用了1.25的比率,假设今后能和债券包销商就这个比率进行商谈。将该DCR产生的剩余收入放入一项储备基金,该基金因每年获得利息,和DCR每年贡献一份盈余收入而增加,直到第X年的储备基金加上第X+1年的净收入总金额大到足够偿还所有剩余的债务为止。因这种储备基金可缩短偿还债务的时间周期。如3.3节所述,基建费用将贯穿工程的整个寿命期内,包括后续完成的建设工作(诸如更换水轮机转轮、发电机重新绕线及FERC重新许可等)。假定这些费用由储备基金支付,并且该基金积累适量的剩余现金足以支付工程第1个百年中产生的基建费用。电子表格模型寻求用最低的发电成本去充分满足这些基建费用及工程的运行与维护费用。可以预料,依靠工程正确的设计及运行能确保电力损失最小,即使有损失,那就是在进行维修与更换工作。该分析是基于年发电量不因设施保养、维修及更换部件而变化的前提下。据统计,单独的瓦塔纳方案单位电力成本平均从偿还债券期间的0.24美元/(kW·h)下降到债务完全还清时的0.01美元/(kW·h)。下瓦塔纳方案还清债务要先于瓦塔纳方案,因而前50a电力的平均成本相对要低些。瓦塔纳/魔鬼谷工程方案或瓦塔纳/魔鬼谷分期工程方案电力成本在前几年中要高于其他方案,因为与基建费用相比,前几年中其基建投资要高得多,而发电量则很有限。由于净营运收入必须是年债务偿还量的1.25倍,加上这两项方案的装机容量增长较慢,因此DCR增大了这种峰荷电力成本。在1980年的研究中就发现类似的成本增长。瓦塔纳/魔鬼谷工程方案或瓦塔纳/魔鬼谷分期工程方案实现全部装机容量时,其电力成本大约为0.15～0.16美元/(kW·h),比单独的瓦塔纳方案明显要低。然而,对于瓦塔纳/魔鬼谷分期工程方案来说,在运行的前几年中显著过高的电力成本导致在前50a中平均电力成本大约为0.18美元/(kW·h)。瓦塔纳/魔鬼谷方案前50a的平均电力成本约为0.14美元/(kW·h)。当债务偿清后,这两个多重坝方案的电力成本都会跌至略高于0.01美元/(kW·h)。魔鬼谷方案的电力成本(0.13美元/kW·h)在前50a略低于瓦塔纳/魔鬼谷方案,而在债务偿清后会略高。如前文所述,魔鬼谷方案虽然电力成本较其他方案低,但其冬季的发电能力有限。基于工程前50a平均电力成本与后50a平均成本之比较(见表4),瓦塔纳/魔鬼谷方案或魔鬼谷方案要优于其他方案,瓦塔纳/魔鬼谷方案在债务偿清后电力成本要略低些。若以冬季电力作为该工程的一个目标,则瓦塔纳/魔鬼谷方案比其他方案更为可取。前50a的平均电力成本是从发电后第1a至第50a平均计算得出的。其中包含债务偿清后成本非常低的几年在内。进行了灵敏度分析以评价利率的变化对电力成本的影响。表5显示了各方案在第1个50a的平均单位电力成本。依据各个方案的情况,当利率从5%降到3.5%时,单位电力成本会减少3～5美分。然而,当利率上升到6.5%时,则会导致单位电力成本增加6～9美分。根据分析,在5个比选方案中,魔鬼谷方案的债务结构最低,其次是下瓦塔纳方案,然后是瓦塔纳方案。瓦塔纳/魔鬼谷方案的总债务结构比魔鬼谷/瓦塔纳分期方案低,因为其建设周期短且总基建投资较低。6关于潜在影响及减轻应对措施的文件1986年苏西特纳河项目中断后创建了一个有3573个文件的数据库。2008年9月将87个最相关的文件进行了扫描,形成高动态成像文件(HDR),再对其中的18个文件进行总结。另对其中7个最具针对性的文件进行了综合。由于并非对所有的文件都加以总结,因而有些相关信息很可能被忽视了,但大多数信息还是包括在该综合文件中。这些文件包含关于建议项目潜在影响及减轻这些影响的应对措施方面的信息,特别是涉及到项目所在区域的渔业资源、植物资源、野生生物资源和文化资源。这些文件将苏西特纳河流域划分为4个地理区域,即蓄水区域、苏西特纳河中游区域、苏西特纳河中下游区域,以及交通道路及输电线路区域。对每个地理区域中每项分类的潜在影响及缓解措施尽可能多地加以分析讨论。值得注意的是并不是所有地理区域中的每个类别都将受到影响。减轻影响的应对措施分为以下几类:回避措施、使影响最小的措施、纠正措施、减小措施及补偿措施。回避措施永远都是首选措施,尽管有时无法避免。对许多不利影响来说,补偿措施为唯一选择方案。6.1潜在的影响区域渔业资源受项目的潜在影响最大。在蓄水区域,132km长的河流水生物栖息地将变为水库。大约20000尾体长超过20cm的北极河鳟因水库形成而有可能迁移。大多数潜在影响会发生在苏西特纳河中游区域。水质、水温、悬浮泥沙、水库水位消落及波动、蓄水区淹没、流态及鱼类生境等方面的变化都存在潜在的影响。对鱼类种群将产生有利与不利两方面的影响。例如,冬季水温上升将扩大过冬生境从而使大鱼得以生存。但春季水温较冷则会导致鱼类生长缓慢。可以通过土地征用补偿、生境改善及水库蓄水调节等措施来减轻这些不利影响。6.2工程对河岸植被的影响整个工程区有295种维管植物、11种地衣植物及7种苔癣植物。下瓦塔纳工程会将6475hm2的植被永久淹没,魔鬼谷工程会淹掉2428hm2的植被,而瓦塔纳工程还将永久性淹没另外的6475hm2的植被。总计15378hm2的植被将永久消失。淹没的大部分植被为云杉林。另外修公路也得清除338hm2的植被,还有输电线路地带的总面积为4452hm2的植被,其中,只有可以忽略的一部分植被会因间隔性地设置控制站、继电建筑物及输电线塔而被完全清除。工程对水库下游的植物影响有限,由于其生态环境更为稳定,仅限于植被发生变化。由于可对流量进行调节,再不会出现使河岸植被破坏严重的大洪水淹没事件,相反地,会产生连绵不绝的河堤植被及新的洪泛平原植物。冬季河水温度上升会减轻对河堤的冰冲刷,其作用与减小洪水淹没产生的作用类似。对永久移除的植被进行补偿有利于降低对植物资源的影响。6.3栖息地丧失或者在特殊的工况下发生严重丧