新形勢下蓄能蓄電與各種電源的可持續發展

曹楚生，張叢林

(1．天津大學，天津 300072;2．中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

1 前言

筆者曾赴英國倫敦出席1990年世界抽水蓄能國際學術會議，介紹潘家口工程，在宣讀論文時指出，混合式抽水蓄能電站的經濟效益常大于常規機與抽水蓄能機的和，形成1+1＞2的效益，故混合式抽水蓄能電站的綜合效益是很可觀的，這種觀點得到了與會專家的贊同。令我驚訝的是，當時國外已將常規機稱為傳統機，抽水蓄能機稱為常規機，可見這種抽水蓄能技術早已在國外得到了較好的應用和認可［1～4］。

近20年來由于種種原因，發達國家的電能結構不斷調整，煤電、核電相對減少，而調峰性能較好的燃氣輪機、液化天然氣等大量增加，除抽水蓄能外的其他蓄能設施也不斷涌現，故相比之下，抽水蓄能在這些國家發展顯著放緩或停頓［5］。而我國情況正相反，煤電比重一直居高不下，抽水蓄能仍在持續發展中。當前我國油氣開發引進、輸送儲存正在大力發展中，預計在不久的將來我國這類調峰性能較好的電能的使用率亦會增加，情況也會隨之變化。國際金融危機以后，歐美等工業發達國家和地區轉而發展更為經濟合理的水電和抽水蓄能，形成新一輪的國際發展高潮。

可再生新能源中，風電近年發展迅速，前景看好。水電目前尚有較大的開發空間，一些條件較好的站點都已在修建和籌建中，在10余年內將逐漸進入尾聲。應該指出，隨著時間的推移，到2020年和2050年我國能源缺口將分別達到18%和30%［6］，可再生新能源和核電將歷史性地主要承擔起補充上述能源缺口的任務。由此可見，至2050年這些可再生新能源將從目前的補充或輔助能源成為主導能源，21世紀下半葉將更突顯其重要性，逐漸成為電能發展的主力。這些可再生新能源的開發利用可替代日益短缺的煤、油、氣和水能資源，對節能減排十分有利，且它們的資源相對豐富，有可靠的保障能力，可大規模開發利用，但其中風能和太陽能等都具有顯著的隨機不穩定性和間斷性，所在電網必須具有足夠的事故備用容量和可靠靈敏的蓄能設施。

結合我國當前情況，節能減排任重道遠，除了應抓緊可再生新能源的開發和從耗能工業、交通、電力和能源等行業的生產運行分別進行優化外，還應通過其他不同途徑予以完善。

中國水能資源總蘊藏量達6．76億kW，可開發量為3．78億kW(如今估計已超出約20%)。在當前全國的大好形勢下，水利水電發展迅速，一些地區水資源和水能資源已出現開發殆盡現象，再修建新的工程將受到限制，影響水利水電的可持續發展，從長遠角度考慮應大力發展抽水蓄能技術。當前我國正處于新舊能源交替時期，火電、水電發展迅速，已達到高潮，因煤炭、石化和水能資源日趨短缺，其發展將逐年趨緩，核能、風能、太陽能等新能源將逐漸部分取代前者。抽水蓄能作為水電的補充時，可發揮其儲存轉換、循環再生等特殊功能，有利于新能源與火電、水電等和諧共處，按各自有利方式平穩運行。

猶太(Utah)州擬修建北依登(Eden)抽水蓄能電站，為美國停止修建此類電站20年來的首例。該州和我國相似盛產煤炭，燃煤電站占90%，由于太陽能和風電等發電不穩定并有間斷性，故提出修建此蓄能電站以增加電網的調峰能力。該電站水頭為227～283 m，裝機容量70萬kW。

從國外期刊［8］等獲悉美國奧巴馬總統已簽署并同意美水電協會(NHA)建議，即利用新技術對原有1億kW水電機組進行革新改造，可增加新出力6000萬kW和70萬新就業崗位，并提出應支持水電、抽水蓄能和小水電站的建設發展，制訂優惠政策和發展基金。發達國家如英國、澳大利亞、瑞士等也有新建抽水蓄能、水電等報導。為迎接全球新一輪的水電和抽水蓄能的發展，我國奮力發展抽水蓄能，有利于風電等新能源的可持續發展。

2 蓄能蓄電

水電發展受水能資源限制，而火電、核電和風電等新能源大量興起，造成電網中水電可調峰電能比重減低。水電發展受阻，不能與其他電源同步增長，造成電源周波和電壓加大，影響輸電質量。隨著時間的推移，國民經濟的發展，電網中峰谷差加大，尖峰時缺電而低谷時又有余，這種現象將會與日俱增。

尖峰時缺電，也可臨時增設燃氣輪機等解決，而低谷時多余電量所占比重達一定程度后，將會影響電網輸電質量，并增加能耗和有害氣體等的排放量，使電力系統進一步發展受到阻礙。

抽水蓄能可使電網中各種類型機組(如火電、水電、核電等)都可在優良工況下平穩運行，盡量延長上述諸機組的運行時間和減少起停次數，降低能耗、減少有害氣體排放且保證運行安全作用顯著，在技術和經濟上都是可行和有效的。

作為水電的補充，抽水蓄能使水電重新步入新的境界。水電原本已無新的水能資源以供開發，但可利用電網低谷無用電能，通過抽水蓄能儲存轉換，在尖峰時發電，使水利水電的發展增加了新的活力。

近20年來，我國抽水蓄能電站建設迅速崛起，已建和在建裝機容量約2000萬kW。常用的蓄能蓄電設施包括:a．抽水蓄能可逆式發電(正轉發電、反轉抽水)發電機組和抽水泵;b．壓縮空氣蓄能和蓄電池等其他蓄能設施，常修建在人工開鑿的巖洞或溶洞里。

火電在超臨界和超超臨界基礎上又有發展，目前工業發達國家都在競相研發中，不斷還有新品種出現，我國也在引進消化、迎頭趕上。據悉，我國過去煤耗約500～600 g/kWh，而今新建大型機組已降低約一半，且機組的壓負荷運行限制幅度可從過去的20%～30%增至50%，這對電網運行是有利的，在技術上是很大的進步。有人說火電也有較好的調峰能力，殊不知火電由于壓負荷運行，往往使機組不能在最優或較優工況下穩定運行，故這種壓負荷運行“調峰”是有代價的。

眾所周知，抽水蓄能和其他蓄能設施的替代容量比值是很高的，而且還可相應增加該電網中水電、火電等機組的出力，可以通過計算知其效益。國內外研究顯示，當蓄能設施占該電網總裝機約10%時，可使電網中各種機組在各自最優或優良工況下運行，使它們在電網中的替代容量增加如下內容:a．使水電機組由原來的20%～30%出力增至90%左右的替代容量;b．火電機組在低谷時也不必進行深度壓負荷運行;c．可有效地解決核電和風電等的調峰問題。故除可替代大量電力外，還有可觀的容量和電量效益，使節能減排面貌煥然一新。

總之，隨著當前電能形勢和科技進步，我國電能組成將日趨完善，蓄能設施會向多元化發展。

3 風電等新能源與蓄能蓄電配套

水利水電發展往往受限于水資源和水能資源，火電受限于礦石資源和有害氣體的排放，核電無調峰能力，而可再生新能源風能、太陽能發電既不穩定又有間歇性。在上述諸電源發展受阻時，可考慮蓄能蓄電運行后，具有儲存轉換、更新利用、以豐補欠、循環再生的特殊功能，如上節所述我國近年來各種蓄能蓄電設施發展較快，但目前仍以抽水蓄能為主，以后應當向多元化發展。

可再生新能源和水電、火電的發展都離不開其他資源和行業間的相互支持、共同提高。蓄能運行使電網中低谷時剩余電能轉換成尖峰時的寶貴電能。實質上其作用相當于使電網中日益增長的、如不用反會帶來負面影響的剩余電能轉換，類似再生能源的使用。如圖1所示，由于增設了抽水蓄能和其他蓄能設施，使電網多余電能得以為抽水及蓄能設施供電。這樣水資源、水能資源和能源可以和諧共處，共謀發展，構建可持續發展的循環機制，對促進循環經濟、節能減排和可持續發展十分有利。蓄能蓄電作為水利水電的補充，可供尖峰時再發電或需要時供水。圖中粗線所形成的循環鏈對促進電能的可持續發展十分有利，否則只能采用“火電深度調峰”、“水電棄水調峰”或“以水定電”等不恰當措施。水電因受限于水能資源導致調峰電源減少，往往發展燃氣輪機、液化天然氣等，但這種發展模式不經濟。

圖1 通過蓄能蓄電形成的循環鏈——電能的可持續發展構圖Fig．1 The circulating chain formed by mixed energy storage measures—the sketch of the retainable development

4 優化和建議

各種水利水電如發電、防洪、供水和火電、核電等在需要時考慮蓄能運行即增設蓄能蓄電設施，特別在發展至一定程度當出力等受阻時，其作用效益當更顯著，情況往往會有很大的改觀，可呈現出新的發展空間。由于煤炭、水能等資源短缺，我國當今火電水電發展更趨迅猛，預計不久電網調峰狀況將大為改觀。當前我國油氣電站的開發引進、輸送儲存正在大力發展中，電能組成正面臨改革，故相應的蓄能蓄電設施也將不斷完善。眾所周知，蓄能運行有利于電網調峰，應盡量使之完善，而電網本身的電能組成亦應盡量使之具有較好的調峰性能，蓄能運行和電網調峰是相輔相成的，為此提出以下建議:

1)優化蓄能運行。加速修建抽水蓄能，可以集腋成裘、化廢為寶并有利于和諧社會的發展［7］。當條件成熟時，我國可修建前述其他類型的蓄能蓄電設施，優先發展具有較好調節性能的電站，上下水庫通過發電抽水，可增加總的調蓄作用。對梯級水電站可考慮設置、部分改用或預留可逆式蓄能機組。

2)改善電網調峰。我國當前經濟急劇增長，正邁向現代化新時期。具有調峰性能的水電因受限于水能資源將不能和其他電能同步增長，除加速修建蓄能電站優化蓄能運行外，還應視前述大型油氣儲存庫站和管網設施等陸續建成情況，盡快增加燃氣輪機和液化天然氣電站以改善電網自身的調峰性能。

3)節能減排。為應對當今火電、核電和新能源特別是國內外風電的迅猛發展，要關注必需的蓄能配套設施和緊急事故備用［8］。由于削峰填谷作用可使電網中各種機組都在最優工況下運行，因此有利于節能減排。

4)新的開發空間。我國修建大壩達8萬多座，居世界首位，但水庫總庫容僅約6000億m3，僅為美國、俄羅斯的一半左右。建議在新建、改建、擴建中注意擴大水庫庫容并可考慮增設抽水蓄能以增加水庫的調蓄能力和裝機容量。在合適的地形條件特別是在江河上游山區及河源段增設，其可成為難得的開發空間。河源段集雨面積一般很小，只能修建小型或中型水利水電樞紐，但從我國和歐美等國家和地區的經驗來看，某一小流域面積內有了抽水蓄能的參與，容量會有大幅度的增加，有時會從數萬千瓦增至百萬千瓦。

5 結語

我國近20年來由于國民經濟及工農業等急劇增長，部分城鄉用水用電時有供不應求的現象，雖然水利水電發展迅速，一些地區水資源和水能資源已出現開發殆盡現象，再修建新的工程將受到限制，并影響水利水電的可持續發展。有人甚至誤認為我國水資源和水利水電的開發利用已瀕臨極限。目前水電由于受水能資源限制，不能和其他火電、核電等同步增長，可調峰電源比重日減?？紤]蓄能運行后對電網調峰填谷、調頻調相、快速爬坡、快速起停、黑起動和事故備用等改善作用明顯。蓄能運行和電網調峰是相互促進、相輔相成的，故全文總的強調蓄能蓄電設施在下述方面的改進和完善:

1)在當前能源發展新形勢下，可再生新能源等正在興起并將逐漸部分取代當前正在迅猛發展的火電和水電。但應該指出上述各種新能源或處于初創期或處于萌芽期，據估計20年～30年后才會逐漸成為主導能源，同時筆者相信我國油氣開發引進、輸送儲存能力達到一定程度時，特別是當上述儲存管網庫站足以滿足頻繁起動的燃氣輪機和液化氣等發電需要時，將使調峰性能為之一新。

2)在新舊能源交替的各個時段，要及時考慮各種電能連同水利水電和抽水蓄能的優化配置、合理調度運行，同時所在電網還必須具備與各種新舊電能相配套的蓄能蓄電設施和事故備用容量，以保證安全運行并發揮節能減排的預期效果［8］。

3)當前國內外風電等新能源發展很快，但風電等新能源必須與蓄能蓄電設施配套進行發展［9］。除了要重視工程的規劃設計外，還要關注風險分析、風險設計和風險管理。

4)我國主要江河經過建國后60余年的治理，水資源和水能資源已基本上或即將開發殆盡。為此建議在原開發的基礎上再考慮蓄能運行可使之步入新的境界，并有利于風電等新能源的可持續發展。

［1］錢正英．中國水利［M］．北京:水利水電出版社，1989．

［2］Cao Chusheng．Both pump storage plant and hydropower is favorable to the retainable development of power network［C］//U-nited Nations Symposium on Hydropower and Sustainable Development． Beijing:Chinese National Committee on Large Dams，2004．

［3］曹楚生．水利水電的蓄能運行有利于節能減排和可持續發展［C］//第十屆中國科協年會/河南省領導與院士座談會調研報告集．中國科協調研宣傳部，2008．

［4］Cao Chusheng．The Panjiakou combined hydroelectric storage plant［C］//Pumped Storage．London:The Institution of Civil Engineers at Imperial College，1990．

［5］邱彬如．世界抽水蓄能電站新發展［M］．北京:中國電力出版社，2006．

［6］Rachel Wright．Making the most of pumped storage，International［J］．Water Power＆ Dam Construction，2009．

［7］潘家錚．和諧社會和抽水蓄能［R］．北京:抽水蓄能專委會、國網新源控股公司，2006．

［8］杜祥琬，黃其勵．我國再生能源戰略研究［R］．北京:中國工程院，2008．

［9］何璟．電源的資源條件決定了我國需要大力發展抽水蓄能［R］．北京:抽水蓄能專委會、國網新源控股公司，2006．