我国水利和水电可持续发展新的开发前景

我国水利和水电可持续发展新的开发前景曹楚生摘要我国某些地区水资源极其贫乏或已开发殆尽，再修建新的水利或水电枢纽就受到限制。本文着重根据国内外已建抽水蓄能电站的经验，提出了修建多种类型的抽水蓄能作为常规水电的补充，有利于我国水利和水电的可持续发展。这种融水利、水电、抽水蓄能于一体，并结合当地电力系统的综合开发模式给水利和水电带来了新的活力。建议今后视各地区各河段水利和水电发展情况按上述模式对新建及改扩建工程进行动态规划和设计，为我国水利水电的可持续发展创造新的开发前景。关键词抽水蓄能综合开发模式可持续发展一、水利和水电的可持续发展我国水资源总量虽然比较丰富，但人均占有量很小，且地区分布很不平衡。我国水能资源较为丰富，理论蕴藏容量为6.76亿ｋＷ，可开发量为3.78亿ｋＷ，占世界第一位。水资源和水能资源的开发利用，关键在于水利和水电工程建设。各工程的建设条件往往差异很大。有些地区，有些流域，如长江和珠江干支流、西南地区一般说来水资源丰富，开发条件较好。而黄河流域雨量较少、干旱缺水，但由于干流源远流长，集雨面积大，且上游源头雨量较丰，汇集的水量较丰且较均衡，故干流上中游水电开发条件也较好。其他如淮河、海河干旱缺水，源近流短，水量少而且不均衡，故水电开发条件不好。有的沿海地区雨量和水量虽然较丰，但由于缺乏好坝址及兴建水电工程的条件，或由于移民太多，影响环境生态以及经济指标不好等原因，故这类地区水电开发条件也不理想。近年来我国水电事业发展很快，在建和待建水电站星罗棋布，如三峡、二滩、李家峡、万家寨、小浪底等大型工程正在修建，待建的大工程更多，如小湾、溪洛渡、向家坝、天生桥、瀑布沟、拉西瓦、龙滩等等，它们的装机都在一二百万千瓦以上，最大的为世界之冠达1820万ｋＷ。它们的建成，将使我国水电事业跃上一个新的台阶。但这些水电站的分布在我国西南、西北及中部，我国的华北、东北及沿海地区则较少，从目前看来已开发殆尽。如海河流域已建大中小水库约190座，控制了山区流域面积的83%，已建水库的总库容已与全流域年平均径流量相等。故从目前看来，上述这些地区或由于水资源比较匮乏，或由于较好的水利水电站已开发殆尽，留下来未开发的，小而分散，经济指标差。总的讲我国部分地区如长江和珠江干支流、黄河干流以及西南地区水电开发情势较好，而其余如华北、东北以及沿海地区于1980年前后水利水电已进入步履艰难的境地。水资源含水能资源是可循环再生的，经开发即可利用，可以除害兴利，如不开发，只能付之东流，还要带来水旱灾害。水利水电枢纽建成后，可以年复一年持续运行下去，这是水利和水电可持续发展的基本条件。但目前我国某些地区水资源极其贫乏或已开发殆尽，再修建新的枢纽就受到限制，这将影响水利和水电的可持续发展。二、抽水蓄能的兴起和迅速发展回顾世界工业发达国家，常规水电的建设在五六十年代已先后进入停滞不前的阶段，而随着经济发展，抽水蓄能作为常规水电的补充得到迅速发展。近三四十年来，工业发达国家抽水蓄能电站发展越来越快，迄今有些国家如美国、日本抽水蓄能电站的总装机容量已超过2000万ｋＷ，不少国家已占常规水电容量的一定比例，日本甚至已近相等。从发展看，抽水蓄能电站的比重还将大幅度增加。因为随着经济的不断发展，社会对电力的需求日益增长，而电网中各种能源包括煤电、油电、核电、地热发电以及天然气电等增加很快，而常规水电受水能资源的限制，往往不能成比例增长，在电网中所占比例日益减少。这就造成电力系统中可调峰电源短缺，而低谷时又造成电流周波加大，影响送电质量。其弥补办法往往可采用增加抽水蓄能电站或燃气轮机，但由于中国历来油的产量较小，一般不用油来发电。故常用的办法只能是前者，即增设抽水蓄能电站。目前国内外抽水蓄能的发展十分迅猛。据不完全统计，世界抽水蓄能电站约有400余座，总容量约1.0亿ｋＷ以上。抽水蓄能电站近三四十年得到迅速发展，不仅反映在日益增长的数量上，还反映在它的类型、调节性能等内涵上。这些发展得益于抽水蓄能电站技术的不断进步。抽水蓄能电站的作用和效益主要表现在电力系统的运行中，作为水电的补充并有利于水电的可持续发展。早期抽水蓄能电站由常规机组和抽水泵组成，称混合式蓄能电站。这类电站始建于欧洲。抽水蓄能电站迄今已有近100年历史，但开始进展不快，至60和70年代以后才迅速发展，据统计至1970、1980、1990年分别达到1604万ｋＷ、4600万ｋＷ和8300万ｋＷ。国外各种类型抽水蓄能电站发展如表1所列。表1中列出了已建成的、有代表性的16座国外大型抽水蓄能电站，其中有10座纯抽水蓄能电站和6座混合式抽水蓄能电站。纯抽水蓄能和混合式抽水蓄能的区别主要在于上库有无来水。为便于了解抽水蓄能电站的性质包括类型和调节性能，列出了上下库容和满载小时数。纯抽水蓄能电站中以日调节居多，满载发电5小时和抽水7小时左右，故它的上下库容积较小。但调节性能也有达到周或二日调节，如美国Bathcounty、Racoon，日本玉原、奥矢作II及南非Drakensberg等5座纯抽水蓄能电站。文献记载，这些工程由于电力系统的调峰要求，以及上下库的特殊有利地形，上下库容积加大使得发电和抽水满载小时数达到10小时和20小时左右，大大改善了电站的运用灵活性。混合式抽水蓄能电站一般上库容积较大，可以对天然来水进行调节，而下库专为抽水蓄能而设，故一般以日调节居多，发电和抽水满载时间仍以5小时和7小时左右居多。表1国外各种类型抽水蓄能电站表序号国别名称年份型式调节水库容积满载小时水头(m)装机容量(万kW)上库下库发电抽水1美BathCounry1985纯蓄周2775277511.313.53802102英Dinorwic1982纯蓄日670700(4.78)(6.48)5131803法GrandMaisoon1986混蓄周/季132001430821955180120604美Racoon1978纯蓄周4480400020273171605日葛野川1999纯蓄日8308309×105kW·h7511606俄Kaishador建成纯蓄日(5.6)1001607日新高濑川1980混蓄日/周16201620712.22291288日玉原1983纯蓄日/周12003589(13)5274671209日新丰根1972混蓄(周)535020514(23)20311210南非Drakensberg1982纯(调水)周2749291427.810811日下乡1994纯蓄日1600445042110412意Edclo1981混蓄(周)1704133126510013美RockyMt1995纯蓄日/周151016001869614法Montezic1982混蓄(周)2000～30002000～300012184239015日奥矢作II1980纯蓄二日10006500(11.8)4048216瑞士Schaffhausen1909混蓄日/周1540.2表2我国各种类型大型抽水蓄能电站表序号名称年份型式调节水库容积满载小时水头(m)装机容量(万kW)上库下库发电抽水1潘家口1992混蓄日19500010005.0～77～1085～3642(270可逆150常规)2广州一期1993纯蓄日7007505.437.165371203十三陵1995纯蓄日38081004.137.02430804羊卓雍湖1996纯蓄日84095溪口纯蓄日27686无荒坪1998纯蓄日8058055601807广州二期1999混蓄日140014505.437.16537120128响洪甸1999混蓄日44064(80可逆40常规)9明湖纯蓄日142007405.87.731610010明潭纯蓄日1420012006.77.8380100从表1看出，也有一些电站为满足电力系统调峰要求定为周调节，如法国的GrandMaisoon和Montezic，日本的新高濑川、新丰根，意大利的Edelo等5座混合式抽水蓄能电站。从上述国外抽水蓄能发展可以看出不仅在数量和总装机容量上日益增加，在电站的类型及调节性能方面也在向各种不同方向和途径发展，更加提高了抽水蓄能电站在电力系统中的适应性，可增加电站的发电量和效益。我国抽水蓄能起步较早，60年代即修建了岗南和密云小型抽水蓄能电站，其装机容量分别为1.1万和2.2万ｋＷ。混合式蓄能电站共装机42万ｋＷ，其中蓄能机3台共27万ｋＷ，常规机1台15万ｋＷ。1992年第一台机组投入运行，1993年全部建成。经多年运行，削峰填谷对华北电力系统起到了显著的作用，对我国大型抽水蓄能电站的建设发挥了一定的促进作用。最近广州抽水蓄能电站也已建成，总装机240万ｋＷ为世界之冠。此外如十三陵、羊卓雍湖和天荒坪等也已相继建成。安徽响洪甸最近在原有常规电站的基础上扩建抽水蓄能机组，成为混合式开发。我国抽水蓄能电站见表2。表2共列出10座抽水蓄能电站。据1993年统计，我国抽水蓄能电站容量为120万ｋＷ，居世界第12位。但近年来飞速发展，容量已达555万ｋＷ，预计居世界位次当可提前(上述120万ｋＷ和555万ｋＷ均未计入台湾省)。表2中混合式抽水蓄能电站仅有2座，其余8座为纯抽水蓄能电站。这10座抽水蓄能电站均为日调节，满载发电和抽水时间为5小时和7小时左右。潘家口混合式抽水蓄能电站下池库容留有一定的富余(从700ｍ3扩大至1000万ｍ3)，还是不能满足周调节要求，但从调度灵活性上已留了一些余地。还应该指出，序号9、10的台湾省的明湖和明潭抽水蓄能电站的上库均为著名的日月潭水库，容积达1.42亿ｍ3且有明显的天然来水，故这两座抽水蓄能电站表中列为纯抽水蓄能电站，但实际上也可认为它们与原常规电站大观一厂共同构成混合式抽水蓄能电站，三个电站具有一座共同的很大的上库，这对抽水蓄能电站的运行是非常有利的。它们的年运行小时数较高达5000小时以上。我国潘家口混合式抽水蓄能电站经几年运行，实际发电量及运行小时数超出原设计值。从国内及国外运行资料，一般日调节纯抽水蓄能电站实际运行年发电量及运行小时数常达不到设计值。故混合式在这方面有一定的优越性。三、抽水蓄能的类型和适应性若水电资源贫乏或虽然丰富但已开发殆尽，水电的进一步发展将受到阻碍。但抽水蓄能电站的兴起，使水电的发展进入新阶段。可利用电力系统后半夜低谷剩余电能抽水蓄能转换在尖峰时发电，这样给水电的可持续发展注入了新的活力。抽水蓄能电站具有两个明显的特点：①需要水但基本上不耗水，故抽水蓄能的规模不像常规水电那样决定于所在站址的来水流量和落差，而主要决定于上下池容积和落差，而更主要的决定于所在电网可供低谷时抽水的电量；②电站类型很多，适应性强，在山区、江河梯级、平原均可修建抽水蓄能电站，分述于下：1在山区根据地形，往往选择高水头，一般水头在100ｍ至600ｍ之间的居多，水头越高越经济，上下池之间距离则越近越有利。根据日本关西电力公司对抽水蓄能选点一般要求，水头H≥500ｍ，上下池之间的距离L≤3ｋｍ，而东京电力公司条件则较松，对水头无规定。这说明只要地形许可，水头高一些是有利的，但还要视具体情况而定。2河流梯级水电站需要时可考虑抽水蓄能混合式开发，一般以中低水头为多，即相邻梯极电站除常规发电机组外可设置几台可逆机组，如潘家口蓄能电站。也可考虑在某一河流梯级水电站下游另建下池，如安徽响洪甸蓄能电站。总之如蓄能机组即可逆机组和常规机组的水都来自同一上库，水量可在同一上库中调节，两种机组互为备用，互为补充，即丰水期可逆机组可按常规机组只作发电运行，而枯水期常规机组也可利用可逆机组所抽的水进行发电，这样可以增加工程效益。最近安徽利用淠河磨子潭和佛子岭上下两座已成水库修建佛磨抽水蓄能电站的设计，上下库都很大，对满足电力系统运行需要十分灵活。3平原及沿海地区低水头水电站和潮汐电站的蓄能运行，可利用电力系统低谷电抽水而在尖峰时发电，效益显著。法国、英国、荷兰及我国都有采用可逆式贯流机组并进行蓄能运行的经验。此外近年来在国外平原地区已有修建地下下池专门开凿隧洞群或利用弃置的矿井，而上池可利用地面河、湖或另行修建。上下池之间落差可视需要确