曹楚生，張叢林

(1．天津大學(xué)，天津 300072;2．中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)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(xué)術(shù)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(jīng)濟(jì)效益常大于常規(guī)機(jī)與抽水蓄能機(jī)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(dāng)時國外已將常規(guī)機(jī)稱為傳統(tǒng)機(jī)，抽水蓄能機(jī)稱為常規(guī)機(jī)，可見這種抽水蓄能技術(shù)早已在國外得到了較好的應(yīng)用和認(rèn)可［1～4］。

近20年來由于種種原因，發(fā)達(dá)國家的電能結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，煤電、核電相對減少，而調(diào)峰性能較好的燃?xì)廨啓C(jī)、液化天然氣等大量增加，除抽水蓄能外的其他蓄能設(shè)施也不斷涌現(xiàn)，故相比之下，抽水蓄能在這些國家發(fā)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(xù)發(fā)展中。當(dāng)前我國油氣開發(fā)引進(jìn)、輸送儲存正在大力發(fā)展中，預(yù)計在不久的將來我國這類調(diào)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(jī)以后，歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)轉(zhuǎn)而發(fā)展更為經(jīng)濟(jì)合理的水電和抽水蓄能，形成新一輪的國際發(fā)展高潮。

可再生新能源中，風(fēng)電近年發(fā)展迅速，前景看好。水電目前尚有較大的開發(fā)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(nèi)將逐漸進(jìn)入尾聲。應(yīng)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(dá)到18%和30%［6］，可再生新能源和核電將歷史性地主要承擔(dān)起補充上述能源缺口的任務(wù)。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(dǎo)能源，21世紀(jì)下半葉將更突顯其重要性，逐漸成為電能發(fā)展的主力。這些可再生新能源的開發(fā)利用可替代日益短缺的煤、油、氣和水能資源，對節(jié)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(guī)模開發(fā)利用，但其中風(fēng)能和太陽能等都具有顯著的隨機(jī)不穩(wěn)定性和間斷性，所在電網(wǎng)必須具有足夠的事故備用容量和可靠靈敏的蓄能設(shè)施。

結(jié)合我國當(dāng)前情況，節(jié)能減排任重道遠(yuǎn)，除了應(yīng)抓緊可再生新能源的開發(fā)和從耗能工業(yè)、交通、電力和能源等行業(yè)的生產(chǎn)運行分別進(jìn)行優(yōu)化外，還應(yīng)通過其他不同途徑予以完善。

中國水能資源總蘊藏量達(dá)6．76億kW，可開發(fā)量為3．78億kW(如今估計已超出約20%)。在當(dāng)前全國的大好形勢下，水利水電發(fā)展迅速，一些地區(qū)水資源和水能資源已出現(xiàn)開發(fā)殆盡現(xiàn)象，再修建新的工程將受到限制，影響水利水電的可持續(xù)發(fā)展，從長遠(yuǎn)角度考慮應(yīng)大力發(fā)展抽水蓄能技術(shù)。當(dāng)前我國正處于新舊能源交替時期，火電、水電發(fā)展迅速，已達(dá)到高潮，因煤炭、石化和水能資源日趨短缺，其發(fā)展將逐年趨緩，核能、風(fēng)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(fā)揮其儲存轉(zhuǎn)換、循環(huán)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(wěn)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(chǎn)煤炭，燃煤電站占90%，由于太陽能和風(fēng)電等發(fā)電不穩(wěn)定并有間斷性，故提出修建此蓄能電站以增加電網(wǎng)的調(diào)峰能力。該電站水頭為227～283 m，裝機(jī)容量70萬kW。

從國外期刊［8］等獲悉美國奧巴馬總統(tǒng)已簽署并同意美水電協(xié)會(NHA)建議，即利用新技術(shù)對原有1億kW水電機(jī)組進(jìn)行革新改造，可增加新出力6000萬kW和70萬新就業(yè)崗位，并提出應(yīng)支持水電、抽水蓄能和小水電站的建設(shè)發(fā)展，制訂優(yōu)惠政策和發(fā)展基金。發(fā)達(dá)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(dǎo)。為迎接全球新一輪的水電和抽水蓄能的發(fā)展，我國奮力發(fā)展抽水蓄能，有利于風(fēng)電等新能源的可持續(xù)發(fā)展。

2 蓄能蓄電

水電發(fā)展受水能資源限制，而火電、核電和風(fēng)電等新能源大量興起，造成電網(wǎng)中水電可調(diào)峰電能比重減低。水電發(fā)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(zhì)量。隨著時間的推移，國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電網(wǎng)中峰谷差加大，尖峰時缺電而低谷時又有余，這種現(xiàn)象將會與日俱增。

尖峰時缺電，也可臨時增設(shè)燃?xì)廨啓C(jī)等解決，而低谷時多余電量所占比重達(dá)一定程度后，將會影響電網(wǎng)輸電質(zhì)量，并增加能耗和有害氣體等的排放量，使電力系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展受到阻礙。

抽水蓄能可使電網(wǎng)中各種類型機(jī)組(如火電、水電、核電等)都可在優(yōu)良工況下平穩(wěn)運行，盡量延長上述諸機(jī)組的運行時間和減少起停次數(shù)，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(shù)和經(jīng)濟(jì)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(fā)，但可利用電網(wǎng)低谷無用電能，通過抽水蓄能儲存轉(zhuǎn)換，在尖峰時發(fā)電，使水利水電的發(fā)展增加了新的活力。

近20年來，我國抽水蓄能電站建設(shè)迅速崛起，已建和在建裝機(jī)容量約2000萬kW。常用的蓄能蓄電設(shè)施包括:a．抽水蓄能可逆式發(fā)電(正轉(zhuǎn)發(fā)電、反轉(zhuǎn)抽水)發(fā)電機(jī)組和抽水泵;b．壓縮空氣蓄能和蓄電池等其他蓄能設(shè)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(chǔ)上又有發(fā)展，目前工業(yè)發(fā)達(dá)國家都在競相研發(fā)中，不斷還有新品種出現(xiàn)，我國也在引進(jìn)消化、迎頭趕上。據(jù)悉，我國過去煤耗約500～600 g/kWh，而今新建大型機(jī)組已降低約一半，且機(jī)組的壓負(fù)荷運行限制幅度可從過去的20%～30%增至50%，這對電網(wǎng)運行是有利的，在技術(shù)上是很大的進(jìn)步。有人說火電也有較好的調(diào)峰能力，殊不知火電由于壓負(fù)荷運行，往往使機(jī)組不能在最優(yōu)或較優(yōu)工況下穩(wěn)定運行，故這種壓負(fù)荷運行“調(diào)峰”是有代價的。

眾所周知，抽水蓄能和其他蓄能設(shè)施的替代容量比值是很高的，而且還可相應(yīng)增加該電網(wǎng)中水電、火電等機(jī)組的出力，可以通過計算知其效益。國內(nèi)外研究顯示，當(dāng)蓄能設(shè)施占該電網(wǎng)總裝機(jī)約10%時，可使電網(wǎng)中各種機(jī)組在各自最優(yōu)或優(yōu)良工況下運行，使它們在電網(wǎng)中的替代容量增加如下內(nèi)容:a．使水電機(jī)組由原來的20%～30%出力增至90%左右的替代容量;b．火電機(jī)組在低谷時也不必進(jìn)行深度壓負(fù)荷運行;c．可有效地解決核電和風(fēng)電等的調(diào)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(jié)能減排面貌煥然一新。

總之，隨著當(dāng)前電能形勢和科技進(jìn)步，我國電能組成將日趨完善，蓄能設(shè)施會向多元化發(fā)展。

3 風(fēng)電等新能源與蓄能蓄電配套

水利水電發(fā)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(diào)峰能力，而可再生新能源風(fēng)能、太陽能發(fā)電既不穩(wěn)定又有間歇性。在上述諸電源發(fā)展受阻時，可考慮蓄能蓄電運行后，具有儲存轉(zhuǎn)換、更新利用、以豐補欠、循環(huán)再生的特殊功能，如上節(jié)所述我國近年來各種蓄能蓄電設(shè)施發(fā)展較快，但目前仍以抽水蓄能為主，以后應(yīng)當(dāng)向多元化發(fā)展。

可再生新能源和水電、火電的發(fā)展都離不開其他資源和行業(yè)間的相互支持、共同提高。蓄能運行使電網(wǎng)中低谷時剩余電能轉(zhuǎn)換成尖峰時的寶貴電能。實質(zhì)上其作用相當(dāng)于使電網(wǎng)中日益增長的、如不用反會帶來負(fù)面影響的剩余電能轉(zhuǎn)換，類似再生能源的使用。如圖1所示，由于增設(shè)了抽水蓄能和其他蓄能設(shè)施，使電網(wǎng)多余電能得以為抽水及蓄能設(shè)施供電。這樣水資源、水能資源和能源可以和諧共處，共謀發(fā)展，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的循環(huán)機(jī)制，對促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)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(fā)電或需要時供水。圖中粗線所形成的循環(huán)鏈對促進(jìn)電能的可持續(xù)發(fā)展十分有利，否則只能采用“火電深度調(diào)峰”、“水電棄水調(diào)峰”或“以水定電”等不恰當(dāng)措施。水電因受限于水能資源導(dǎo)致調(diào)峰電源減少，往往發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)、液化天然氣等，但這種發(fā)展模式不經(jīng)濟(jì)。

圖1 通過蓄能蓄電形成的循環(huán)鏈——電能的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)圖Fig．1 The circulating chain formed by mixed energy storage measures—the sketch of the retainable development

4 優(yōu)化和建議

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

1)優(yōu)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(fā)展［7］。當(dāng)條件成熟時，我國可修建前述其他類型的蓄能蓄電設(shè)施，優(yōu)先發(fā)展具有較好調(diào)節(jié)性能的電站，上下水庫通過發(fā)電抽水，可增加總的調(diào)蓄作用。對梯級水電站可考慮設(shè)置、部分改用或預(yù)留可逆式蓄能機(jī)組。

2)改善電網(wǎng)調(diào)峰。我國當(dāng)前經(jīng)濟(jì)急劇增長，正邁向現(xiàn)代化新時期。具有調(diào)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(yōu)化蓄能運行外，還應(yīng)視前述大型油氣儲存庫站和管網(wǎng)設(shè)施等陸續(xù)建成情況，盡快增加燃?xì)廨啓C(jī)和液化天然氣電站以改善電網(wǎng)自身的調(diào)峰性能。

3)節(jié)能減排。為應(yīng)對當(dāng)今火電、核電和新能源特別是國內(nèi)外風(fēng)電的迅猛發(fā)展，要關(guān)注必需的蓄能配套設(shè)施和緊急事故備用［8］。由于削峰填谷作用可使電網(wǎng)中各種機(jī)組都在最優(yōu)工況下運行，因此有利于節(jié)能減排。

4)新的開發(fā)空間。我國修建大壩達(dá)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(kuò)建中注意擴(kuò)大水庫庫容并可考慮增設(shè)抽水蓄能以增加水庫的調(diào)蓄能力和裝機(jī)容量。在合適的地形條件特別是在江河上游山區(qū)及河源段增設(shè)，其可成為難得的開發(fā)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(qū)的經(jīng)驗來看，某一小流域面積內(nèi)有了抽水蓄能的參與，容量會有大幅度的增加，有時會從數(shù)萬千瓦增至百萬千瓦。

5 結(jié)語

我國近20年來由于國民經(jīng)濟(jì)及工農(nóng)業(yè)等急劇增長，部分城鄉(xiāng)用水用電時有供不應(yīng)求的現(xiàn)象，雖然水利水電發(fā)展迅速，一些地區(qū)水資源和水能資源已出現(xiàn)開發(fā)殆盡現(xiàn)象，再修建新的工程將受到限制，并影響水利水電的可持續(xù)發(fā)展。有人甚至誤認(rèn)為我國水資源和水利水電的開發(fā)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(diào)峰電源比重日減?？紤]蓄能運行后對電網(wǎng)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)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(wǎng)調(diào)峰是相互促進(jìn)、相輔相成的，故全文總的強調(diào)蓄能蓄電設(shè)施在下述方面的改進(jìn)和完善:

1)在當(dāng)前能源發(fā)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(dāng)前正在迅猛發(fā)展的火電和水電。但應(yīng)該指出上述各種新能源或處于初創(chuàng)期或處于萌芽期，據(jù)估計20年～30年后才會逐漸成為主導(dǎo)能源，同時筆者相信我國油氣開發(fā)引進(jìn)、輸送儲存能力達(dá)到一定程度時，特別是當(dāng)上述儲存管網(wǎng)庫站足以滿足頻繁起動的燃?xì)廨啓C(jī)和液化氣等發(fā)電需要時，將使調(diào)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(yōu)化配置、合理調(diào)度運行，同時所在電網(wǎng)還必須具備與各種新舊電能相配套的蓄能蓄電設(shè)施和事故備用容量，以保證安全運行并發(fā)揮節(jié)能減排的預(yù)期效果［8］。

3)當(dāng)前國內(nèi)外風(fēng)電等新能源發(fā)展很快，但風(fēng)電等新能源必須與蓄能蓄電設(shè)施配套進(jìn)行發(fā)展［9］。除了要重視工程的規(guī)劃設(shè)計外，還要關(guān)注風(fēng)險分析、風(fēng)險設(shè)計和風(fēng)險管理。

4)我國主要江河經(jīng)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(fā)殆盡。為此建議在原開發(fā)的基礎(chǔ)上再考慮蓄能運行可使之步入新的境界，并有利于風(fēng)電等新能源的可持續(xù)發(fā)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(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展［C］//第十屆中國科協(xié)年會/河南省領(lǐng)導(dǎo)與院士座談會調(diào)研報告集．中國科協(xié)調(diào)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(fā)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(wǎng)新源控股公司，2006．

［8］杜祥琬，黃其勵．我國再生能源戰(zhàn)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(fā)展抽水蓄能［R］．北京:抽水蓄能專委會、國網(wǎng)新源控股公司，2006．