抽水蓄能電站節煤效益分析

郭大軍,趙增海,張丹慶,鄭　靜

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司,湖南長沙410014；2.水電水利規劃設計總院,北京100120)

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抽水蓄能電站節煤效益分析

郭大軍1,趙增海2,張丹慶1,鄭靜1

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司,湖南長沙410014；2.水電水利規劃設計總院,北京100120)

摘要：針對不同電源結構、用電特性的電力系統,模擬抽水蓄能電站不同運行工況下電力系統的燃耗變化情況,從抽水蓄能電站發揮容量作用、承擔工作容量兩個方面,全面深入論述了抽水蓄能電站在電力系統中的節煤效益。

關鍵詞：節煤效益；電力生產模擬；容量替代；燃耗特性；抽水蓄能電站

0引言

我國抽水蓄能電站開發建設始于20世紀60年代后期,隨著改革開放政策的實施,經濟社會快速發展,電網規模不斷擴大,我國抽水蓄能電站進入一個相對快速發展期。抽水蓄能電站具有調峰、填谷、儲能、調頻、調相、事故備用和黑啟動等多種功能,我國已投產的廣州、十三陵、天荒坪等大型抽水蓄能電站運營以來,在解決電網調峰矛盾、保障電力系統安全穩定運行、提高電網消納新能源的能力等方面發揮了重要作用。

在抽水蓄能電站建設發展過程中,圍繞其“4度換3度”的經濟性問題一直爭議不斷。另外,目前部分抽水蓄能電站抽水發電利用小時數較低,對抽水蓄能電站的發展不利。為理順抽水蓄能電站發展的認識,充分研究抽水蓄能電站在電力系統中的節煤效益,本文針對不同電源結構、用電特性的電力系統,模擬抽水蓄能電站不同運行工況下電力系統的燃耗變化情況,全面深入論述抽水蓄能電站在電力系統中的節煤效益。

1發揮容量作用的節煤效益

1.1抽水蓄能電站容量作用分析

為同樣滿足系統電力增長的需要,若不新建抽水蓄能電站,發電側火電在既有規模N火的基礎上需新建一定規模的火電△N火；抽水蓄能電站N抽投入系統運行后,可以避免建設同等規模的火電站N抽,火電開機容量降低,以前需由火電群N火+△N火承擔的發電量可由較小規模的火電站N火+△N火-N抽承擔,抽水蓄能電站有效替代了系統需新建火電機組的容量。

以2020年為設計水平年,在同種程度滿足系統電力、電量需求情況下,根據重慶、廣東、江蘇、湖南等省電力系統資料,以系統合理抽水蓄能需求規模為前提,系統不足容量考慮由單機容量600MW燃煤火電替代,進行系統有、無抽水蓄能電站電力生產模擬計算,系統電力平衡計算成果見表1。

表1　各電力系統電力平衡計算成果　MW

表2不同電力系統火電相關指標統計

電力系統火電承擔備用/MW減少火電備用/MW發電利用小時/h平均提高調峰率/%平均降低標煤耗/萬t總量節省量重慶無抽蓄3390—4423—17.65—3214.22—抽蓄1200MW21901200465723412.075.593195.5718.65廣東無抽蓄19743—3720—63.36—9658.84—抽蓄7880MW127636980410338358.225.149569.8289.02江蘇無抽蓄13200—4579—48.57—16139.45—抽蓄3950MW95003700474917046.532.0416082.756.75湖南無抽蓄3858—3568—32.13—1938.55—抽蓄2600MW12582600391534723.878.261903.7734.78

電力生產模擬計算成果表明,重慶、廣東、江蘇、湖南電力系統2020年水平分別投產裝機容量1 200、7 880、3 950、2 600MW抽水蓄能電站后,系統新增火電裝機容量較無抽蓄情況分別降低1 200、7 880、4 068、2 600MW,抽水蓄能電站有效替代了系統火電新增裝機容量。

1.2抽水蓄能電站承擔備用情況節煤效益分析

旋轉備用容量(熱備用容量)是電力系統總備用容量中必不可少的一部分,承擔這部分備用的機組必須處于運轉狀態,要求隨時可以迅速地接受或丟棄負荷,以適應系統緊急需求。不同的發電設備承擔旋轉備用容量付出的代價是不同的,承擔旋轉備用的火電機組通常是帶部分負荷,其余容量作為備

用,而這部分容量為了維持同步運轉必須消耗燃料,且機組只帶部分負荷運行,導致運行成本增加。當抽水蓄能電站投入系統運行,承擔起備用功能后,就可以減少火電機組承擔的旋轉備用容量。

根據重慶、廣東、江蘇、湖南電力系統運行模擬計算成果,抽水蓄能電站僅承擔備用容量運行工況下,統計系統中火電機組承擔的備用容量、年發電利用小時數、調峰率、煤耗變化情況見表2。

由表2可見,各系統抽水蓄能電站僅承擔備用容量運行工況下,與系統無抽水蓄能電站情況相比,重慶、廣東、江蘇、湖南電力系統燃煤火電在系統中承擔的旋轉備用分別減少1 200、6 980、3 700、2 122MW,抽水蓄能電站分別可提高各系統火電發電利用小時數234、383、170、347h,降低火電調峰率5.59%、5.14%、2.04%、8.26%,節約標煤耗18.65萬、89.02萬、56.75萬、34.78萬t。

可見,當抽水蓄能電站機組僅承擔系統備用容量運行時,能夠有效替代火電承擔的備用容量,減少火電承擔的旋轉備用容量,改善了火電運行工況,發揮了節煤效益。

2承擔工作容量的節煤效益

抽水蓄能電站承擔工作容量情況下,調峰填谷的節煤效益與電網運行狀況、低谷抽水電源、火電電源類型等密切相關。

2.1利用系統棄風、棄水、棄光抽水節煤效益

當系統運行存在棄風、棄光、棄水時,抽水蓄能電站利用棄風、棄光、棄水進行抽水,替代高峰時段火電機組發電,可顯著減少系統標煤耗。

風電出力具有隨機性、間歇性和不可控性等特點,風電出力可能在用電高峰時段停止出力或出力較小,也可能在用電低谷時段出力較大,故通常風電比重大的電網棄風問題比較突出。而風電場棄風不僅未能有效利用風資源,而且也未能完全發揮風電場的作用。如果系統中有抽水蓄能電站進行抽水,便可以利用棄風電量作為抽水蓄能機組的抽水電量,抽水蓄能機組在系統中發揮填谷作用。在系統高峰時期,抽水蓄能電站頂替火電發電,起到調峰作用。

假設某風電場年發電量為100億kW·h,年棄風率為20%。抽水蓄能電站1 200MW容量投入系統運行后,按年利用小時數1 000h考慮,低谷抽水利用風電量約為16億kW·h,相當于降低風電棄風率12%,風電利用率從80%提高到92%,效益可觀。同時,抽水蓄能電站替代高峰火電機組發電,抽水蓄能電站每多發1億kW·h電量,可節省系統標煤耗約2.9萬～3.2萬t。

圖1　機組供電標煤耗與負荷率關系

2.2利用核電低谷抽水節煤效益

從技術上講,核電在其燃料周期的前80%時間內可以調峰,但核電站可調幅度較小,一般為額定容量的5%～15%,且增減負荷速度十分緩慢,可調幅度和變出力速度隨著核燃料裂變過程進行而逐漸衰減,調峰運行不具經濟性。這是因為核電機組每年都需要定期定量地更換和填裝核燃料,填裝量按機組年滿發用量來計算,如果核電機組參與電網調峰,就會導致核電機組不能滿發,從而使核廢料增加,造成核燃料的浪費以及核廢料運輸和處理成本的提高。

當系統中核電和抽水蓄能機組聯合運行時,在系統低谷期,核電可為抽水蓄能機組提供抽水電量,在日常運行中核電和抽水蓄能機組也能通過聯合運行跟蹤系統日負荷,由于核電在負荷低谷期提供抽水電量,發電成本基本不增加,幾乎沒有增加系統總費用,而抽水蓄能機組卻能夠在高峰時段替代火電機組發電,節約系統標煤耗,抽水蓄能電站利用核電抽水在高峰時段每多發1億kW·h電量,可節省系統標煤耗約2.9萬～3.2萬t。

2.3頂替燃氣輪機等電源發電節煤效益

如果電網存在燃氣輪機、燃油機組以及一些高能耗的煤電小機組,抽水蓄能電站利用能耗較低的煤電抽水,高峰替代燃氣輪機、燃油和高能耗的小機組發電,抽水發電也是節能的。

燃氣輪機(燃油機組)電站受制于燃料來源和燃料價格,燃料成本較高導致發電成本相對較高。按同等程度滿足系統1kW·h電量成本進行折算,燃氣輪機電站標煤耗相當于約565～848g/(kW·h)。根據節能發電調度辦法,燃氣輪機作為清潔節能電源來進行高峰發電,但是燃氣輪機發電成本高,如果此時系統使用抽水蓄能電站來代替燃氣輪機發電(可等容量替代),即使使用燃煤火電作為抽水蓄能電站的抽水電量電源,單位發電煤耗按290～320g/(kW·h),抽水發電轉換效率75%時,使用抽水蓄能電站頂替燃氣輪機發電(按平均燃耗)節約標煤耗約為280～320g/(kW·h),則抽水蓄能電站每多發1億kW·h電量,可節省系統標煤耗約2.8萬～3.2萬t。

若抽水蓄能電站利用棄水、棄風、棄光或低谷核電電量作為抽水電源,則頂替燃氣輪機發電節約煤耗約565～848g/(kW·h),抽水蓄能電站每多發1億kW·h電量,年節省系統標煤耗約5.6萬～8.5萬t。

2.4利用煤電低谷抽水節煤效益

若電網運行沒有棄水、棄風、棄光,也沒有利用低谷時段核電增發電量抽水,系統火電主要是煤電機組,抽水蓄能電站以煤電作為低谷抽水電源,在高峰時段替代火電機組發電,仍能夠改善火電高峰低谷出力情況、降低火電發電煤耗。

2.4.1燃煤火電燃耗特性分析

燃煤火電機組大幅度變負荷調峰運行時,發電燃耗變化較大,目前350MW超臨界、660MW和1 000MW級超超臨界燃煤火電機組供電標煤耗與機組負荷率關系見圖1。

由圖1可見,隨著機組負荷率的降低,機組供電標煤耗逐漸增加,負荷率越低,機組標煤耗越大,燃煤火電機組調峰運行燃耗是增加的。

表3各類機組供電煤耗情況

機組容量/MW不同負荷下機組供電耗煤/g·(kW·h)-1100%負荷50%負荷差值/g·(kW·h)-1相差比例/%單機1000283304217.4單機6002913223010.4單機3003053383310.6

表4典型月火電綜合出力變化情況

電力系統開機容量/MW平均出力/MW峰荷平均出力/MW基荷平均出力/MW峰荷工作容量/MW火電平均調峰率/%系統無抽蓄重慶2215913433227311160723417.65廣東74471354252929261334988663.36抽蓄承擔備用重慶2095913433221911220670212.07廣東67491354252929261334988658.22抽蓄發電利用小時數600h重慶2095913533146012073551410.40廣東665913578521378144073589750.33

圖2　重慶電力系統火電典型機組出力變化(7月)

由表3可見,在電力系統中,即使利用煤耗率較低的單機容量1 000MW燃煤火電機組抽水,煤耗按283g/(kW·h)；高峰替代煤耗率較高的單機容量300MW燃煤火電機組發電,煤耗338g/(kW·h),兩者煤耗率差值與替代高峰火電發電煤耗率的比值為16%,小于抽水蓄能電站25%～20%的能量損耗(抽水蓄能電站轉換效率75%～80%)。因此,抽水蓄能電站在承擔備用時,對系統節煤效益的貢獻最大,系統利用燃煤火電抽水發電會降低抽水蓄能電站的節煤效益。

2.4.2燃煤火電出力變化分析

根據重慶、廣東電力系統資料,按抽水蓄能電站發電利用小時數600h進行電力生產模擬計算,分析不同電力系統火電綜合出力變化情況。重慶、廣東電力系統典型月火電綜合出力變化情況表4。

由表4可見,抽水蓄能電站投入系統運行后,火電開機容量降低,峰荷工作容量也降低。抽水蓄能電站在發電狀態下,系統中火電的峰荷平均出力較承擔備用情況下降低,基荷平均出力增高。可見,抽水蓄能電站投入系統后替代了火電應承擔的備用容量,使火電開機容量及峰荷工作容量降低,運行工況得到了改善。

重慶、廣東電力系統火電峰荷出力變化情況見圖2、3。

由圖2、3可見,重慶、廣東電力系統抽水蓄能電站投產運行后,火電綜合出力在高峰時段降低,在低谷時段增加。重慶電力系統主要改善了單機容量600MW機組的運行工況,廣東電力系統主要改善了單機容量300MW及以下和600MW機組的運行工況,火電發電出力更加均勻。

2.4.3系統節省標煤耗情況分析

根據電力生產模擬計算成果,系統建設抽水蓄能電站容量后,與系統內無抽水蓄能電站情況相比,重慶、廣東、江蘇、湖南電力系統節煤情況見表5。

圖3　廣東電力系統火電典型機組出力變化(7月)

萬t

由表5可見,抽水蓄能電站投入系統運行后,各電力系統均具有節煤效益,由于系統特性及電源結構不同,節省的標煤量有所不同。說明抽水蓄能電站承擔系統工程容量情況下,改善系統火電運行工況的同時,可帶來節煤效益,系統整體是節煤的。

3抽水蓄能電站的節煤效益

結合前面的分析,抽水蓄能電站完全承擔系統備用、部分承擔工作容量情況下,重慶、廣東、江蘇、湖南電力系統節省系統標煤耗情況見表6。

表6　各電力系統節省標煤耗情況　萬t

可見,抽水蓄能電站有效發揮容量作用,對整個電力系統而言肯定會產生節煤效益,其承擔備用容量對系統的貢獻最大。抽水蓄能電站通過抽水發電承擔系統工作容量,節煤多少與電力系統運行狀況、電源結構及類型、負荷特性等密切相關,綜合考慮,抽水蓄能電站承擔備用容量時節煤效益最大,隨著其工作容量的增加,對系統的節煤效益是遞減的。整體來說,抽水蓄能電站在一定發電利用小時范圍內運行對電力系統具有節煤效益是確定無疑的。

4結論和建議

(1)抽水蓄能電站節煤效益主要體現在兩個方面：一方面是抽水蓄能電站有效發揮容量作用,改善火電、核電等機組運行工況,節省系統燃耗；另一方面是通過抽水發電轉換節省系統燃耗,此時節煤大小與電力系統運行狀況、電源結構及類型、負荷特性等密切相關。

(2)抽水蓄能電站承擔系統備用容量,利用系統棄風、棄水、棄光或核電低谷電量抽水時,一定具有節煤效益。利用煤耗率低的燃煤火電抽水,替代煤耗率高的燃煤火電高峰發電,能夠改善火電高峰低谷出力情況,降低火電發電煤耗,節煤大小與電力系統內燃煤火電機組類型及煤耗率變幅密切相關,但抽水蓄能電站在一定發電利用小時范圍內運行對電力系統具有節煤效益是確定的。

參考文獻：

[1]郭大軍, 張丹慶, 陳振虹. 發電側峰谷分時電價機制促進抽水蓄能電站投資回收作用研究[C]//抽水蓄能電站工程建設文集. 北京： 中國電力出版社, 2013: 439- 444.

[2]司祎梅. 抽水蓄能電站效益研究[D]. 北京： 華北電力大學, 2007.

[3]萬永華, 張世欽, 趙永生, 等. 抽水蓄能電站調峰填谷節煤效益定量評估方法的研究[J]. 武漢水利電力大學學報. 1998(10)： 1- 5.

[4]張藹薔. 抽水蓄能電站的節煤效益[J]. 水力發電, 2007, 33(2)： 63- 65.

(責任編輯高瑜)

收稿日期：2015- 12- 25

作者簡介：郭大軍(1980—),男,河南南陽人,高級工程師,主要從事水能規劃、水庫優化調度及電力市場設計等工作．

中圖分類號：TV743

文獻標識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)04- 0081- 05

AnalysisonCoalSavingBenefitofPumped-storagePowerStation

GUODajun1,ZHAOZenghai2,ZHANGDanqing1,ZHENGJing1

(1.PowerChinaZhongnanEngineeringCorporationLimited,Changsha410014,Hunan,China;2.ChinaRenewableEnergyEngineeringInstitute,Beijing100120,China)

Abstract:The changes of fuel consumption in power systems which has different power structure and power consumption characteristics are analyzed based on the simulations of different operating conditions of pumped-storage power stations. The coal saving benefits of pumped-storage power station are comprehensively analyzed from two assumptions of taking pumped-storage as reserve capacity or working capacity in power system．

Key Words:coal saving benefit; power production simulation; capacity replacement; fuel consumption characteristics; pumped-storage power station