抽水蓄能電站節(jié)煤效應研究

陳同法，張毅

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.國網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵電廠，北京市 102200）

開欄詞：隨著我國抽水蓄能行業(yè)的飛快進步，傳統(tǒng)抽水蓄能發(fā)展理論——籠統(tǒng)地以調峰填谷、調頻、調相、緊急事故備用、黑啟動等自然屬性進行定位，并以“調峰填谷”作為理論核心制訂相關政策——已落后于我國抽水蓄能發(fā)展的實踐。我們邀請有關專家開辟了“抽水蓄能發(fā)展理論研究”專欄，從技術必要性、經(jīng)濟可行性和政策支撐3個核心問題入手，重構抽水蓄能發(fā)展理論，以期推動我國抽水蓄能行業(yè)管理提升和科學發(fā)展。

抽水蓄能電站節(jié)煤效應研究

陳同法1，張毅2

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.國網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵電廠，北京市 102200）

節(jié)煤、降低系統(tǒng)的建設和運行成本，是傳統(tǒng)理論關于抽水蓄能電站建設技術必要性的根本依據(jù)，是抽水蓄能項目經(jīng)濟可行性分析的基本評價指標。隨著電力工業(yè)快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的構成和運行特性呈現(xiàn)新的特點，而抽水蓄能造價水平不斷提高，致使傳統(tǒng)的抽水蓄能必要性理論的適用條件發(fā)生重大變化?；谛碌募夹g環(huán)境，重新審視抽水蓄能電站節(jié)煤效應，對于構建新的更加合理的抽水蓄能發(fā)展理論體系，推動抽水蓄能本質功能的完善、提升，促進抽水蓄能科學健康發(fā)展具有十分重要的意義。本文以電力系統(tǒng)運行特性為基礎，構建抽水蓄能節(jié)煤效應的精算模型，求得基于當前技術水平的各種常見工況的抽水蓄能節(jié)煤效應數(shù)值，為抽水蓄能發(fā)展的進一步理論研究和政策決策提供參考。

抽水蓄能；節(jié)煤；效應

0 引言

我國傳統(tǒng)的抽水蓄能發(fā)展理論以“抽水蓄能調峰填谷-促進電力系統(tǒng)節(jié)煤”作為基本出發(fā)點，構建了“抽水蓄能電站的建設旨在服務電力系統(tǒng)，提升系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行水平，降低系統(tǒng)總的建設、運行成本”的理論體系。該理論一度指導我國抽水蓄能事業(yè)取得輝煌成就。但是隨著經(jīng)濟社會和電力工業(yè)的快速發(fā)展，上述理論已經(jīng)漸漸落后于我國抽水蓄能發(fā)展的實踐，在科學論證抽水蓄能電站開發(fā)建設必要性、合理確定電站項目的能量指標（裝機規(guī)模、抽/發(fā)利用小時數(shù)）、科學指導項目經(jīng)濟可行性分析、合理確定電站運行方式、有效傳導抽水蓄能對電力系統(tǒng)的經(jīng)濟功能、科學確定電站的電價機制等方面，都遇到了無法克服的困難，不能繼續(xù)科學地回答工作實踐中遇到的問題，不能繼續(xù)科學地指導抽水蓄能的健康發(fā)展。

為了推動抽水蓄能科學健康發(fā)展，有必要重新審視抽水蓄能的節(jié)煤效應，進而發(fā)展創(chuàng)新抽水蓄能發(fā)展理論。

1 電力系統(tǒng)負荷特性

1.1 電力系統(tǒng)的特性

電力系統(tǒng)指由發(fā)電機、變壓器、電力線路和用電設備組成的統(tǒng)一整體，為了表述方便，可進一步簡化為電源（發(fā)電負荷）、電網(wǎng)和電力用戶（用電負荷）三部分（見圖1）。特別地，電能的生產(chǎn)、輸送、分配和使用是同時進行的，所以發(fā)電負荷必須隨著用電負荷的變化及時地做出調整。

圖1 電力系統(tǒng)簡化圖Fig. 1 Simplified power system diagram

1.2 電力系統(tǒng)負荷特性

不同的用電設備呈現(xiàn)不同的負荷特性，但是總體上呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的規(guī)律。根據(jù)分析周期的不同，用電負荷分別呈現(xiàn)典型的日內(nèi)負荷變化規(guī)律、周內(nèi)負荷變化規(guī)律和年內(nèi)負荷變化規(guī)律。以京津唐電網(wǎng)為例，系統(tǒng)典型日負荷曲線見圖2。

圖2 電力系統(tǒng)日負荷變化示意圖Fig. 2 Schematic diagram of daily load change in power system

為方便分析、計算，這些曲線可由函數(shù)關系予以近似表示。以上述京津唐電網(wǎng)典型日負荷率曲線為例，η0（t）=P（t）/Pmax≈-0.000006t5-0.008t3+0.080t2-0.283t+0.921。

1.3 電力系統(tǒng)有關發(fā)電負荷的關系

圖3～圖5有關符號含義如下：

圖3 電力系統(tǒng)（無抽水蓄能）有關發(fā)電負荷關系圖Fig. 3 Relationship between power system （no pumped storage）and generation load

圖4 電力系統(tǒng)（有抽水蓄能，且發(fā)揮事故備用功能）有關發(fā)電負荷關系圖Fig. 4 Power system（with pumped storage，and the use of accident standby function）related to the generation load diagram

圖5 電力系統(tǒng)（有抽水蓄能，且發(fā)揮調峰填谷功能）有關發(fā)電負荷關系圖Fig. 5 Power system （with pumped storage，and the function of peak load）

N——系統(tǒng)內(nèi)開機運行的具有正常調峰能力的常規(guī)火電機組的總臺數(shù)；

Ki（t）——機組i在t時刻的開機容量，MW；

Pqt（t）——具有正常調峰能力的常規(guī)火電和抽水蓄能機組之外的其他發(fā)電出力的總和，MW；

Pmax、Pmin——分別為系統(tǒng)日最大、最小負荷，MW；

Pby——系統(tǒng)旋轉備用容量，MW；

Pps——抽水蓄能機組容量，MW；

Pi（t）——具有正常調峰能力的常規(guī)火電機組i在t時刻的發(fā)電出力，MW。

ηi——具有正常調峰能力的常規(guī)火電機組i在t時刻的負荷率，ηi（t）=Pi（t）/Ki（t）。

mi——具有正常調峰能力的常規(guī)火電機組i的單位發(fā)電煤耗率，是機組負荷率ηi的函數(shù)，mi=mi（ηi）。

H——系統(tǒng)具有正常調峰能力的常規(guī)火電機組日發(fā)電煤耗總成本，元；H=M×pm。其中，pm為煤的綜合單價（即煤入鍋爐燃燒前的單位總成本+爐碴清理、處理費用-爐碴回收收益），元/kg。

*工況——特指系統(tǒng)內(nèi)有抽水蓄能機組，且抽水蓄能機組停機備用的工況。以*作為符號右上標。如，N*指*工況，系統(tǒng)內(nèi)運行的具有正常調峰能力的常規(guī)火電機組總臺數(shù)。

#工況——特指系統(tǒng)內(nèi)有抽水蓄能機組，且抽水蓄能機組發(fā)揮調峰（填谷）功能的工況。以#作為符號右上標。如，N#指#工況，系統(tǒng)內(nèi)運行的具有正常調峰能力的常規(guī)火電機組總臺數(shù)。

注：關于備用容量，電力系統(tǒng)內(nèi)的運行容量為最高負荷與旋轉備用之和。其中，旋轉備用容量為最高負荷的2%～5%（大型電網(wǎng)一般取2%），主要應對系統(tǒng)負荷波動。目前，我國抽水蓄能裝機占全部裝機容量的1.67%；除廣東省以外，全國尚沒有其他省份的抽水蓄能超過裝機總量的2%。這一比例關系，在分析抽水蓄能承擔事故備用功能時有特殊意義。如果抽水蓄能超過2%Pmax，其結論會略有變化，但分析方法是一樣的。

1.4 電力系統(tǒng)的電源結構

系統(tǒng)的電源結構對于抽水蓄能的節(jié)煤效應有重大影響。我國幅員遼闊，不同地區(qū)的電網(wǎng)結構差別很大，具有正常調峰能力的常規(guī)火電機組占的比例有所不同，如山東省的這一數(shù)值接近于100%，上海市則不足55%。

根據(jù)式（1），因系統(tǒng)非正常調峰機組容量比例不同，對應的η-t關系曲線如圖6所示。

圖6 因非正常調峰機組容量在系統(tǒng)中比例不同，對應的η-t關系曲線示意圖Fig. 6 Schematic diagram of η-t curves，corresponding to non normal peak shaving unit capacity in the system

圖6表明，系統(tǒng)中非正常調峰機組容量在系統(tǒng)中比例越高，具有正常調峰能力的常規(guī)火電機組在低谷的負荷率需要越低。特別地，當系統(tǒng)中非正常調峰機組容量在系統(tǒng)中比例達到60%時，具有正常調峰能力的常規(guī)火電機組需要全部停機調峰。

1.5 火電機組發(fā)電煤耗率與發(fā)電負荷率的關系

一般來說，任一機組都具有相對固定的發(fā)/供電煤耗率與發(fā)電負荷率的對應關系。將這種對應關系用曲線描繪出來，大致如圖7所示。

圖7 機組單位發(fā)電煤耗率與發(fā)電負荷率關系示意圖Fig. 7 Schematic diagram of relationship between unit coal consumption rate and load rate

為便于計算，上述曲線可進一步近似擬合為mi-η函數(shù)關系：

某 1000MW 機 組：mi（η）≈-47.29η3+123.5η2-137.8η+341.4。

某 660MW 機 組：mi（η）≈176.36η3-375.37η2+214.83η+284.3。

某 330MW 機 組：mi（η）≈10.072η3+82.246η2-181.42η+411.61。

函數(shù)mi（η）大致呈現(xiàn)三個方面的特點：

一是一階導數(shù)m′i（η）＜0，即隨著機組負荷率增大，單位發(fā)電煤耗率減小。因此，從節(jié)煤的角度考慮，應盡量擴大機組負荷率。

二是二階導數(shù)m″i（η）＞0，即隨著機組負荷率增大，單位發(fā)電煤耗率的減小幅度越來越小，節(jié)煤效應越來越不明顯。通俗地講，將機組負荷率由50%提升至51%時的單位煤耗率降低值，大于從51%提升至52%時的單位煤耗率降低值，更大于從99%提升到100%時的單位煤耗率降低值。因而，宜優(yōu)先使大部分機組在低負荷區(qū)提高負荷率。

考察火電機組單位負荷率變化對應的節(jié)煤效應，如圖8所示。

（1）各種容量的機組，基本都呈現(xiàn)“隨著負荷率增大，單位發(fā)電煤耗率的減小值越來越小”的特點。其中，300MW機型負荷率在40%～50%之間時，負荷率每增大1%，單位發(fā)電煤耗率減小約1g/kWh；負荷率在50%～60%之間時，負荷率每增大1%，電煤耗率減小約0.8g/kWh；負荷率在90%～100%之間時，負荷率每增大1%，電煤耗率減小約0.1g/kWh。660、1000MW機型也大致呈現(xiàn)上述特點，但煤耗率變化幅度不明顯，在0.2～0.4g/kWh之間波動。

圖8 火電機組單位負荷率變化對應的節(jié)煤效應示意圖Fig. 8 Schematic diagram of relationship between unit coal consumption rate and load rate

（2）當系統(tǒng)綜合負荷率低于70%時，300MW機型通過優(yōu)化負荷率產(chǎn)生的節(jié)煤效應遠優(yōu)于660MW和1000MW機型。負荷率超過70%后，各機型節(jié)煤效應十分接近且都不明顯。

需要說明的是，容量相同的不同機組，一般也具有不同的發(fā)電煤耗率函數(shù)。應重視不同機組的差異性，避免以偏概全。

2 抽水蓄能電站節(jié)煤效應基本原理

2.1 事故備用工況

旋轉備用率的高低是火電機組負荷率高低的主要決定因素{見《華中華東區(qū)域節(jié)能減排發(fā)電調度專項監(jiān)管報告》[國家能源局監(jiān)管公告，2015年第12號（總第29號）]}。

事故備用工況，抽水蓄能機組的節(jié)煤效應主要表現(xiàn)為以停機狀態(tài)替代常規(guī)火電機組的旋轉備用，從而減少常規(guī)火電機組的開機容量，提高其運行負荷率，減少其單位發(fā)電煤耗。系統(tǒng)中具有正常調峰能力的常規(guī)火電機組的綜合節(jié)煤量見式（2）。

2.2 調峰（填谷）工況

調峰（填谷）工況，抽水蓄能的節(jié)煤效應表現(xiàn)為作用相反的兩個方面：

式中η（t）和m#（η）分別為t時刻系統(tǒng)中具有正常調峰能力的常規(guī)火電機組平均負荷率和系統(tǒng)平均負荷率對應的系統(tǒng)平均煤耗率，這樣處理可以在保證計算精度的情況下顯著簡化計算過程。

特別地，當實行峰谷電價p（t）時，抽水蓄能的價值直接表現(xiàn)為發(fā)電收益與抽水成本的差值見式（3）。

3 算例

3.1 事故備用型

事故備用型抽水蓄能機組通過優(yōu)化常規(guī)火電機組的運行區(qū)間而實現(xiàn)節(jié)煤效應?？傮w來說，又可以分為幾種不同形式：

方式一，系統(tǒng)內(nèi)所有常規(guī)火電機組按各自容量等比例分享抽水蓄能的優(yōu)化效應。

方式二，參照等微差率原理，系統(tǒng)內(nèi)單位發(fā)電煤耗率對負荷率最敏感的一部分火電機組優(yōu)先享受抽水蓄能的節(jié)煤效應。

方式三，少數(shù)常規(guī)火電機組大幅獨享抽水蓄能電站的節(jié)煤效應。

上述三種方式的節(jié)煤效果呈如下關系：方式三遠小于方式一，方式一略小于但十分接近于方式二。

本文確立的原則、模型可進行上述任一種方式的計算。簡單起見，我們按第一種方式進行示意。

3.1.1 工況描述

擬定：

（1）某系統(tǒng)最高負荷Pmax=40000MW，旋轉備用容量Pby=3%×Pmax=1200MW；P抽水蓄能=1200MW；

（2）設電網(wǎng)日負荷率函數(shù) η0（t）≈-0.000006t5-0.008t3+0.080t2-0.283t+0.921；

（3）系統(tǒng)內(nèi)具有正常調峰能力的常規(guī)火電機組容量比例為100%。

工況1：

（1）系統(tǒng)內(nèi)常規(guī)火電機型均為1000MW/臺；

（2）1000MW型火電機組單位發(fā)電煤耗率與發(fā)電負荷率的函數(shù)關系采用 mi（η）≈-47.29η3+123.5η2-137.8η+341.4 ；

（3）根據(jù)上述數(shù)據(jù)，無抽水蓄能時，系統(tǒng)開機1000MW×41.2臺；有抽水蓄能機組且承擔備用功能時，系統(tǒng)開機1000MW×40臺。抽水蓄能機組避免了具有正常調峰能力的1000MW火電機組開機1.2臺。

3.1.2 計算過程

將上述數(shù)據(jù)代入式（4）。

=5429.657t/（臺·天）×41.2臺-5577.41t/（臺·天）×40臺=606t/天。

即，工況1，抽水蓄能可發(fā)揮節(jié)煤效應606t/天，約合40萬元/天（相當于18萬t/年，1.2億元/年）。

同理，可以得到因系統(tǒng)中正常調峰電源裝機比例的不同，對應的抽水蓄能機組發(fā)揮緊急事故備用功能的節(jié)煤效應（注，因為系統(tǒng)的低谷負荷規(guī)律是固定的，所以當系統(tǒng)中正常調峰電源裝機比例降低時，其低谷調峰幅度要相應增加，對應的煤耗關系發(fā)生變化），見表1。

表1 抽水蓄能機組在不同工況下的節(jié)煤效應Tab.1 Coal saving effect of pumped storage units under different working conditions

表1呈現(xiàn)三個方面的特點：

（1）降低系統(tǒng)中正常調峰火電機組的比例，系統(tǒng)總的節(jié)煤量將減少。

（2）降低系統(tǒng)中正常調峰火電機組的比例，不同容量（機型）的火電機組間節(jié)煤效應的差異將減小。

（3）機型對于系統(tǒng)總的煤耗量有一定影響。因火電機組機型不同，對于擁有1200MW抽水蓄能電站的40000MW的電網(wǎng)來說，節(jié)煤效應約在440t/天～681t/天（30萬～48萬元/天）之間變動。相對于一座1200MW的抽水蓄能電站的日均總成本（約為150萬元），不影響抽水蓄能節(jié)煤效應的基本結論。因而，初步分析階段，可以不必過于計較不同容量（機型）機組在網(wǎng)內(nèi)的比例關系（有精算需要時，另當別論）。

3.2 調峰填谷型

調峰填谷型抽水蓄能的效益，按是否實行峰谷電價，有兩種不同的表現(xiàn)形式。

3.2.1 不實行峰谷電價

調峰填谷型抽水蓄能的效益，體現(xiàn)為系統(tǒng)內(nèi)常規(guī)火電機組的節(jié)煤效應，通過節(jié)煤與抽/發(fā)轉換損耗共同體現(xiàn)。

（1）節(jié)煤。

承擔調峰填谷功能的抽水蓄能機組，可以減小系統(tǒng)常規(guī)火電機組的開機容量，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)常規(guī)火電機組的運行區(qū)間，提升其負荷率。這一效應，也與抽水蓄能機組承擔緊急事故備用功能完全相同。為避免重復，此處省略計算過程。

（2）增加耗煤。

表現(xiàn)為兩個方面。

一是負荷低谷期間抽水蓄能機組抽水、常規(guī)火電機組增加發(fā)電，系統(tǒng)對應增加耗煤量；

二是負荷高峰期間抽水蓄能發(fā)電，常規(guī)火電機組減少發(fā)電，系統(tǒng)對應減少耗煤量。

由于能量轉換損失方面的原因，煤耗量必然增加。增加量數(shù)值見表2（計算過程略）。

綜合表1、表2，可以得出：

1）承擔調峰填谷功能的抽水蓄能機組，表現(xiàn)為節(jié)煤和增加煤耗兩種截然相反的煤耗效應。

一方面優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)常規(guī)火電機組的運行區(qū)間，提升其負荷率，減少系統(tǒng)煤耗；

另一方面，因其轉換損失，增加系統(tǒng)煤耗。抽水蓄能機組發(fā)電越多，系統(tǒng)增加耗煤量越大，且增幅十分明顯。當抽水蓄能機組滿發(fā)小時數(shù)達到5個小時時，抽水蓄能機組對于系統(tǒng)的節(jié)煤效應趨于0。

表2 不同工況下抽水蓄能機組的節(jié)煤效應統(tǒng)計表Tab.2 Coal saving effect of pumped storage units under different working conditions

2）如果網(wǎng)內(nèi)機組沒有因低谷調峰停機現(xiàn)象，在沒有差別電價（峰谷電價）的情況下，抽水蓄能機組承擔調峰填谷功能，不利于系統(tǒng)節(jié)煤，不利于系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

3）如果網(wǎng)內(nèi)機組沒有因低谷調峰停機現(xiàn)象，則抽水蓄能機組抽水區(qū)間系統(tǒng)負荷率越低，增加耗煤量越大。

3.2.2 實行峰谷電價

抽水蓄能的價值（效益）直接表現(xiàn)為發(fā)、抽電費差，見式（5）。

為簡化計算，暫設抽水電價p（t）=p1，發(fā)電電價p（t）=p2。

實行峰谷差異電價的情況下，承擔調峰填谷功能的電站的全部收益主要來源于發(fā)、抽電費差，該差值應達到電站日均總成本的標準，即約150萬元/天。根據(jù)抽水蓄能電站的滿發(fā)小時數(shù)，以1200MW抽水蓄能電站為例，有如下對應關系：

表3表明：調峰填谷型抽水蓄能電站的價值實現(xiàn)方式與發(fā)/抽電價差和發(fā)電小時數(shù)有十分密切的關系。抽/發(fā)電量越小，需要的發(fā)/抽電價差越大。

4 結束語

（1）抽水蓄能機組的節(jié)煤效應，與電網(wǎng)中常規(guī)火電機組的類型和系統(tǒng)綜合負荷率有一定關系，但關系不大。

（2）在不計電站建設、運營成本的情況下，當承擔緊急事故備用功能、基本不發(fā)生抽/發(fā)電量時，抽水蓄能電站的節(jié)煤效應達到最大值，以1200MW規(guī)模的電站為例，其節(jié)煤效應約為18萬t/年，約相當于1.2億元/年（該規(guī)模抽水蓄能電站對應的建設、運營成本約為5億～7億元/年）。

表3 調峰填谷型抽水蓄能發(fā)、抽電價差與發(fā)電小時數(shù)關系表Tab. 3 Relationship between electricity price difference and generation hours

（3）在不計電站建設、運營成本的情況下，當承擔調峰填谷功能時，抽水蓄能電站的節(jié)煤效應隨抽/發(fā)電量增加而降低。特別地，當日均滿發(fā)5h時，抽水蓄能電站的節(jié)煤效應降為0。

（4）抽水蓄能機組的節(jié)煤效應，不足以支撐其投資和運營成本的回收。以節(jié)煤效應作為抽水蓄能電站建設技術必要性和經(jīng)濟可行性評價的依據(jù)，不夠穩(wěn)妥。

（5）論證抽水蓄能電站建設的技術必要性和經(jīng)濟可行性，需要進一步綜合考慮其他因素，或者尋找別的指標。筆者的建議是尋找別的指標，另文詳述。

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Study on Coal Saving Effect of Pumped Storage Power Station

CHEN Tongfa1，ZHANG Yi2
（1.State Grid Xinyuan Company Limited，Beijing 100761，China；2. Beijing Shisanling Pumped Storage Power Station，State Grid Xinyuan Company Limited，Beijing 102200，China）

Saving coal，reducing the construction and operating cost of the system is the fundamental basis of the traditional theory about the construction of pumped storage power station. With the rapid development of power industry，power system and operation characteristics present new features，and the level of cost of pumped storage constantly improvements，which leads to the traditional pumped storage necessary conditions changed. Based on the new technology environment，re-examine the pumped storage power station coal saving effect，for the construction of new energy pumped storage system theory more rational development，promote the pumped storage is perfect，the essential function of the promotion，promotion of pumped storage has very important significance to the healthy development of science. The operation of the power system characteristics as the basis，the construction of pumped storage coal saving effect of the actuarial model，obtain various pumping current technical level of common storage conditions of coal saving effect based on numerical，provide a reference for the development of pumped storage further theoretical research and policy decision.

pumped storage； coal saving； effect

TM612

A

470.4047

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.02.011

2017-01-08

2017-03-07

陳同法（1976—），男，碩士，教授級高級工程師。主要研究方向：抽水蓄能發(fā)展理論。E-mail： tongfa-chen@sgxy.sgcc.com.cn

張 毅（1988—），男，助理工程師。主要研究方向：抽水蓄能電站技術管理。E-mail： zhangyi09421@163.com