水電可持續發展管理論文

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1水利和水電的可持續發展

我國水資源總量雖較豐富,但人均占有量很小,且地區分布很不平衡。我國水能資源較為豐富,理論蘊藏容量為6.76×108kW,可開發量為3.78×108kW,占世界第一位。

水資源(含水能資源)是可循環再生的,經開發即可利用,可以除害興利,如不開發,只能白白付之東流,還要帶來水旱災害。水利水電樞紐一旦建成,可以年復一年持續運行下去,這是水利和水電可持續發展的基本條件。目前,我國某些地區水資源極其貧乏或已開發殆盡,再修建新的樞紐就受到限制,這將影響水利和水電的可持續發展。

水資源和水能資源的開發利用,關鍵在于水利和水電工程建設。各工程的建設條件往往差異很大。例如,長江和珠江干支流、西南地區水資源豐富,開發條件較好;黃河流域雨量雖然較少,但干流源遠流長,集雨面積大,上游源頭雨量較豐,故其干流的上中游也有利于水電的開發;其他如淮河、海河干旱缺水,源近流短,水量少且不均衡,水電開發條件不好;沿海地區雨量和水量雖然較豐,但有的地區或缺乏好壩址及興建水電工程條件,或由于移民太多,影響環境生態以及經濟指標不好等原因,水電開發條件也不理想。近年來,我國水電事業發展很快,在建和待建水電站星羅棋布。如三峽、二灘、李家峽、萬家寨、小浪底等大型工程正在修建;待建的大工程更多,如小灣、溪落度、向家壩、天生橋、瀑布溝、拉西瓦、龍灘等等,它們的裝機都在100×104kW以上,最大的達1820×104kW,為世界之冠。但是,這些水電站的地理位置偏重在我國的西南、西北及中部,華北、東北及沿海地區則較少。如海河流域已建大中小水庫約190座,總庫容已與全流域年平均徑流量相等,控制了山區流域面積的83%和徑流的55%,在全國各流域居首位?？偟目?我國部分地區如長江和珠江干支流、黃河干流以及西南地區水電開發態勢較好,而華北、東北以及沿海等地區進入1980年前后,水利水電已處于步履維艱的境地。

2抽水蓄能電站的興起和發展

工業發達國家常規水電建設在20世紀五六十年代先后處于停滯不前地步,常規水電發展步履維艱。隨著經濟發展,社會對電力的需要日益增長,電網中各種能源包括煤電、油電、核電、地熱發電,以及天然氣發電等增加很快。而常規水電因受水能資源的限制,往往不能成比例增長,在電網中所占比例日益減少。這就造成電力系統中可調峰電源短缺,而低谷時又造成電流周波加大,影響送電質量。為此,抽水蓄能電站利用電力系統后半夜低谷剩余電能抽水蓄能轉換在尖峰時發電,作為水電補充得到迅速發展。近三四十年來,工業發達國家抽水蓄能電站發展越來越快。迄今有些國家,如美國、日本抽水蓄能電站的總容量已超過2000×104kW,不少國家已占常規水電容量的一定比例,日本甚至已近相等。據不完全統計,世界抽水蓄能電站有400余座,總容量1.0×108kW以上。

抽水蓄能電站的迅速發展,不僅反映在日益增長的數量上,還反映在它的型式、調節性能等內涵上。這都得益于抽水蓄能電站技術的不斷進步。抽水蓄能電站的作用和效益表現在電力系統的運行中,作為水電的補充并有利于水電的可持續發。

早期抽水蓄能電站既有常規機組又有抽水泵,稱混合式蓄能電站。這類電站始建于歐洲。抽水蓄能電站迄今已有近100年歷史,但開始進展不快,至20世紀六七十年代以后才迅速發展。據統計,1970、1980、1990年總容量分別達到1604×104、4600×104和8300×104kW。國外各種類型抽水蓄能電站發展如表1。

表1列出了16座國外建成的主要有代表性的大型抽水蓄能電站。其中,10座為純抽水蓄能電站,6座為混合式蓄能電站。純和混合式抽水蓄能的區別主要在于上庫有無來水。為便于了解抽水蓄能電站的性質,包括形式和調節性能,列出了上下庫容和滿載運行時間。純蓄能電站中以日調節居多,滿載發電5h和抽水7h左右,故它的上下庫容積較小。但是,美國的BathCounty、Racoon和日本的玉原、奧矢作Ⅱ及南非Drakensberg等5座純抽水蓄能電站的調節性能均超過日調節,可達周或2d調節。從文獻記載,這些工程由于電力系統的調峰要求,以及它們上下庫的特殊有利地形,使上下庫容積加大并使發電和抽水滿載運行時間達到10～20h左右,大大改善了電站的運用靈活性?；旌鲜匠樗钅茈娬疽话闵蠋烊莘e較大,可以對天然來水進行調節,下庫專為抽水蓄能而設,故一般以日調節居多,發電和抽水滿載運行時間仍以5和7h左右居多。如表1所示,也有一些電站為滿足電力系統調峰要求定為周調節,如法國的GrandMaisoon和Montezic,日本的新高瀨川和新豐根,意大利Edelo等5座為混合式周調節抽水蓄能電站。

從上述國外抽水蓄能發展可以看出,不僅在總裝機的數量和容量上日益增加,而且在電站的型式及調節性能方面向各種不同方向和途徑發展,更加提高了抽水蓄能電站在電力系統中的適應性,增加電站的發電量和效益。

我國抽水蓄能起步較早,20世紀60年代即修建了崗南和密云小型抽水蓄能電站,裝機容量分別為1.1×104和2.2×104kW抽水蓄能機組?；旌鲜叫钅茈娬竟惭b機42×104kW,其中蓄能機3臺共27×104kW,常規機1臺15×104kW。1992年第一臺機組投入運行,1993年全部建成。經多年運行,削峰填谷對華北電力系統起到了顯著的作用,對我國大型抽水蓄能電站的建設發展起到一定的促進作用。最近,廣州抽水蓄能電站建成,總裝機240×104kW,為世界之冠。此外,十三陵、羊卓雍湖和天荒坪等已相繼建成。安徽響洪甸在原有常規電站的基礎上近擴建抽水蓄能機組,成為混合式開發。我國抽水蓄能電站見表2。

表2共列出我國10座抽水蓄能電站,其中,混合式2座,余8座為純抽水蓄能電站。據1993年統計,我國大陸抽水蓄能電站容量為120×104kW,占世界第12位;近年來發展飛躍,容量已達555×104kW,預計居世界位次當可提前。這10座抽水蓄能電站均為日調節,發電和抽水時間為5h和7h左右。潘家口混合式蓄能電站下池庫容雖留有余地(從700×104m3擴大至1000×104m3),還是不能滿足周調節要求,但從調度靈活性上已留了一些余地。還應該指出,臺灣省的明湖和明潭抽水蓄能電站的上庫均為著名的日月潭水庫,容積很大,達1.42×108m3,且有明顯的天然來水,故這兩座蓄能電站表中列為純抽水蓄能電站,但實際上也可認為它們與已有常規水電廠大觀一廠共同構成混合式抽水蓄能電站,3個電站具有1座共同的很大的上庫,這對抽水蓄能電站的運行是非常有利的。它們的年運行時間高達5000h以上。潘家口混合式抽水蓄能電站經幾年運行,實際發電量及運行小時數超出原設計值。從國內及國外運行資料看,一般日調節純抽水蓄能電站實際運行的年發電量及運行小時數常達不到設計值,故混合式在這方面有一定的優越性。

3抽水蓄能電站的類型和適應性

抽水蓄能電站具有2個明顯的特點:一是需要水但基本上不耗水,故抽水蓄能的規模不像常規水電那樣決定于所在站址的來水流量和落差,而主要決定于上下池容積和落差,更主要的是決定于所在電網可供低谷時抽水的電量;二是電站形式很多,適應性強,可視情況選定。在山區、江河梯級和平原均可修建抽水蓄能電站。

1)在山區,根據地形,往往選擇高水頭,一般水頭H為100m～600m居多,當然水頭越高越經濟,上下池之間距離則越近越有利。日本關西電力公司對抽水蓄能選點要求,H≥500m,L≤3km,而東京電力公司條件則放松,對水頭無規定。這說明只要地形許可,水頭高一些是有利的,但還要視具體情況定。

2)河流梯級水電站需要時可考慮抽水蓄能混合式開發,一般以中低水頭為多,即相鄰梯級電站除常規發電機組外可設置幾臺可逆式機組,如潘家口蓄能電站。也可考慮在某一河流梯級水電站下游另建下池,如安徽響洪甸蓄能電站?？傊?如蓄能機組(即可逆機組)和常規機組的水都來自同一上庫,水量可在同一上庫中調節,2種機組互為備用,互為補充,即豐水期可逆機組可按常規機組只作發電運行,而枯水期常規機組也可利用可逆機組所抽的水進行發電,這樣可以增加工程效益。最近,安徽利用淠河磨子潭和佛子嶺上下2座已成水庫進行佛磨抽水蓄能電站的設計,這樣上下庫都很大,對滿足電力系統運行需要十分靈活。

3)平原及沿海地區低水頭水電站和潮汐電站的蓄能運行,可利用電力系統低谷電抽水而在尖峰時發電會給這些電站帶來顯著效益。法國、英國、荷蘭及我國都有采用可逆式貫流機組并進行蓄能運行的經驗。此外,近年來國外在平原地區已有修建地下下池(專門開鑿隧洞群或利用棄置的礦井),而上池可利用地面河、湖或另行修建。上下池之間落差可視需要確定,水頭往往可達500～600m,甚至更高。這樣就為平原地區創造了修建高水頭蓄能電站的條件。

綜上所述,抽水蓄能電站基本上不受地形和來水流量的限制,也不受當地水能資源蘊藏量的限制。在各種地形條件下,在山區、平原等均有條件修建抽水蓄能電站,關鍵在于因地制宜擇優選擇。

4多種抽水蓄能電站的可持續發展

我國可持續發展的戰略已經確立:要在各種資源的可持續開發利用和良好的生態環境的基礎上,不僅要保持經濟的高速增長,還要謀求社會的穩定與發展。水電除了要滿足自身的可持續性外,還要滿足環境、經濟和社會的可持續發展。

眾所周知,在電網的各種能源構成中,水電具有較好的調峰性能,可改善電網中火電機組的發電狀況,減少有害氣體(CO2等)的排放量,既可改善電網中電的質量,又可改善地區的環境。

近年來幾座大型抽水蓄能電站相繼投入運行,它的優越性逐漸被社會所認識,主要優點如下:

抽水蓄能電站本身雖不能生產電能,但可利用低谷電能(即剩余電能)抽水,在尖峰時發電,既可調峰又可填谷,還可調頻和事故備用,在電力系統中具有能量儲存轉換和改善優化的功能;

抽水蓄能與煤電和油電比,跟蹤負荷性能好、開停機靈活,節煤節油,調峰靈活,與常規水電比還具有填谷功能,其調峰功能為水電的2倍;

一般認為,抽水蓄能電站的工程量比常規水電站少得多,但可逆機組目前國內還無成熟制造經驗,需要從國外引進,其價格較高。即便如此,抽水蓄能電站單位容量投資一般仍比常規水電為低,同時施工期限亦短。

此外,還應該指出,在水利水電樞紐中補充了抽水蓄能功能,有利于水資源(含水能資源)的進一步開發,更大地發揮水利水電等綜合效益,有時可大大改善工程的有關指標和樞紐在系統中的作用,使原來指標差、效益低的項目改觀,增加工程的開發價值,給水利水電工程帶來新的開發前景。

目前,全國水利水電和電力建設形勢對抽水蓄能的發展非常有利,主要表現在以下幾方面:

1)各地區和各流域,常規水電發展很不平衡,有的水能資源儲量貧乏或已開發殆盡,不得不發展抽水蓄能以補水電所占電網中比重不足,如華北、東北、及東南沿海地區。

2)有些地區水電比重雖不低,但多徑流水電如四川、湖南、江西、湖北亦需建抽水蓄能電站。

3)我國煤炭資源不均衡,運煤困難,發展坑口電站,相應帶來北電南送。目前我國西部大開發在即,而水電西南西北多,又將實現西電東送。隨著三峽建成,我國東西南北輸電網形成。這些輸送電對平衡全國各地區電力有好處,但有時由于某地區為了接受上述幾種送入的電又必須視送入電的情況,增建一些調峰能力強的抽水蓄能電站。

4)我國核電已在浙江、廣東投入運行并將在江蘇、山東興起,也需相應增建抽水蓄能電站。

目前,我國抽水蓄能電站的建設和規劃設計工作正在全國范圍內蓬勃展開。從我國已建和在建的抽水蓄能電站看,它們各具特色,有高、中、低水頭的,有大型也有小型的,為我國抽水蓄能電站建設走出了第一步,并取得了寶貴的經驗。由于上述4個原因,預計抽水蓄能電站建設將在華北、東北、東南沿海地區以及華中、中南等地迅速展開。在今后設計建設中,抽水蓄能電站的運行將逐漸改善其調節性能,逐漸向雙日或周季調節過渡。

5結語及建議

當前,全國水利水電和電力建設形勢對發展抽水蓄能極為有利,在過去已取得成績的基礎上,除進一步完善已建和在建抽水蓄能電站的管理運行和建設工作外,還要認真做好抽水蓄能規劃選點工作。如上所述,在純水蓄能方面除一般應注意因地制宜選擇合適的電站形式和布置外,有條件的站址還要注意選擇上下池的有利地形以取得較大的容積,以改善其調節性能并增加工程效益;在混合式蓄能電站方面,有條件時要注意選擇較高水頭并適當加大下池容積,以改善性能并提高電站效益。此外,我國目前有許多已建成的水電站,電站設計規模水平年早已過時,電站容量顯得不足,亟待增容擴建。因此,在有條件時可考慮增建抽水蓄能機組成為混合式開發,作為常規水電的補充,其效益當會顯著增加。這種融水利、水電、抽水蓄能于一體,并結合當地電力的綜合開發模式將給水利和水電帶來新的活力。據國外經驗(見表1),法國在新建GrandMaisoon和Montezic時即按上述綜合開發模式考慮,前者設有120×104kW可逆機組和60×104kW常規機組,而后者只采用90×104kW可逆機組。日本新高瀨川混合式日/周調節,原河段有5座常規電站,原總裝機僅4×104kW,后按上述綜合開發,改建為128×104kW的抽水蓄能電站。美國著名GrandCoulee電站幾經改建,先后增水泵和可逆機組,總容量達888×104kW。我國潘家口、響洪甸、佛磨、雙溝以及天堂等均采用這種混合式抽水蓄能電站。這種開發模式不僅改善了水利水電樞紐的功能,還大大改善了工程的指標,使原來效益差,指標差的工程改觀,增加了工程開發價值,給水利水電工程帶來新的開發前景。為此,建議今后視各地區,各河段水利水電發展情況以及當地電力情況按上述模式對新建、擴建、改建工程進行動態規劃和設計。

水利水電(含抽水蓄能)和電力相給合的開發模式,水利水電與電力相輔相成,通過電力(電網)的支持提供了抽水電力,倒過來也為電網增加了調峰和填谷能力,改善供電質量,為電力的發展提供水源等條件。因此,多種形式的抽水蓄能作為水電的補充,對水利水電的可持續發展大有好處,擴大了水電的內涵,將抽水蓄能也補充入內。

這種混合式開發改變了過去“以水定電”性質,即只能在需要供水時發電,不供水時不能發電。如今可以完全按照電力系統要求進行抽水或發電調度,同時對水庫的原有供水等功能也有好處。此外,這種綜合考慮水利水電與電力相結合的模式,還可在發展核電、風能發電以及調水等工程中發揮作用。

考慮多種類型的抽水蓄能作為常規水電的補充,可以引入電力(電網)的參與,這種跨行業(即水利水電和電力行業)的模式對各種資源的綜合開發、利用,可以達到較高水平,有利于水利和水電的可持續發展,并提供新的開發前景。

參考文獻

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