彭才德，韓伶俐，宗萬波

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

0 引 言

為助力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，需大力提升電力系統(tǒng)的靈活性和調(diào)節(jié)能力，發(fā)電側(cè)推動調(diào)峰電站的建設(shè)，多維度提升電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，擴(kuò)大可再生能源的裝機(jī)規(guī)模，積極穩(wěn)妥發(fā)展水電，加快推進(jìn)抽水蓄能、新型儲能等調(diào)節(jié)電源的建設(shè)，增強(qiáng)電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力，提升新能源消納水平。

至2020年底，我國水電裝機(jī)容量達(dá)37 016萬kW(含抽水蓄能3 149萬kW，小水電7 500萬kW)，占全部裝機(jī)容量的16.82%；全國并網(wǎng)太陽能、風(fēng)電裝機(jī)容量分別為25 343萬、28 153萬kW，占全部裝機(jī)容量的11.52%、12.79%[1]。據(jù)預(yù)測，2021年底，風(fēng)電和太陽能發(fā)電裝機(jī)比重提高3%左右，對電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的需求進(jìn)一步增加。

通過對常規(guī)水電站進(jìn)行靈活性改造，增加常規(guī)水電站儲能功能和發(fā)電能力，可有效提高電網(wǎng)備用容量，提升電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，提升電力系統(tǒng)對風(fēng)光等新能源電量的消納能力。

常規(guī)水電站靈活性改造包括擴(kuò)機(jī)、擴(kuò)建抽水蓄能機(jī)組和對現(xiàn)有機(jī)組增容改造。其中，現(xiàn)有機(jī)組增容改造實(shí)施周期短、經(jīng)濟(jì)投入低。初步估計(jì)，常規(guī)水電站現(xiàn)有機(jī)組增容改造可使其電網(wǎng)備用容量增加5%及以上。

1 機(jī)組增容改造現(xiàn)狀

經(jīng)過幾十年的開發(fā)建設(shè)，我國已建成大中型水電站600余座，各類大中型水輪發(fā)電機(jī)組約2 000臺，其中有近一半為上世紀(jì)制造。受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造水平的限制和經(jīng)濟(jì)條件的制約，這些電站普遍存在年利用小時(shí)偏高、設(shè)備性能不理想、綜合效率偏低、穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域偏小、振動超標(biāo)等問題，目前這些水電機(jī)組和主要電氣設(shè)備陸續(xù)進(jìn)入技術(shù)改造期。

20世紀(jì)投運(yùn)的老機(jī)組改造后增加的容量可達(dá)到原單機(jī)額定容量的10%～20%，增容效果明顯。如已完成全電站機(jī)組改造的劉家峽、新安江水電站裝機(jī)容量分別由1 225、662.5 MW提高為1 350、845 MW；鳳灘、柘溪水電站，機(jī)組改造后增容13%～15%；水口電站增容改造后容量由200 MW增至230 MW，增容15%；黃河大峽水電站機(jī)組技術(shù)改造后，機(jī)組容量由75 MW增至90 MW，增容20%；葛洲壩水電站125 MW機(jī)組增容改造后容量增至150 MW，增容20%；烏江東風(fēng)水電站通過更換發(fā)電機(jī)繞組，將機(jī)組出力由170 MW提高至190 MW。

2 機(jī)組增容改造方式

已建水電站機(jī)組增加容量可分為挖潛增容、設(shè)置最大出力、增容改造3種方式。

2.1 挖潛增容

機(jī)組制造廠家在設(shè)計(jì)機(jī)組時(shí)通常會預(yù)留一定的出力余量(即超發(fā)能力)，在額定水頭下，通過增加水輪機(jī)導(dǎo)葉開度可增加機(jī)組出力。早期投產(chǎn)的常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組出力余量一般不低于5%，近年投產(chǎn)的機(jī)組出力余量一般在5%左右。常規(guī)水電站在不經(jīng)過任何改造的情況下，可通過在額定水頭下增加水輪機(jī)導(dǎo)葉開度增加機(jī)組出力。挖潛增容通過挖掘發(fā)電設(shè)備的自身潛力來增加發(fā)電出力，不改變水電站水庫特征水位、不改變水庫與電站運(yùn)行方式、無需更換或改造電站現(xiàn)有設(shè)備。挖潛增容在早期投產(chǎn)的電站機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中運(yùn)用較多，如葛洲壩原125 MW機(jī)組運(yùn)行出力最高可達(dá)140 MW，江西萬安100 MW機(jī)組、陜西安康電站200 MW機(jī)組以105%額定出力運(yùn)行成為常態(tài)。

美國陸軍工程師兵團(tuán)EM 1110—2—1701《水電站工程和設(shè)計(jì)手冊》中明確，水輪機(jī)通常在低于額定水頭時(shí)即可發(fā)出額定出力，因?yàn)橹圃焐淘谠O(shè)計(jì)中預(yù)留一些裕量以保證機(jī)組滿足性能要求[2]。能發(fā)出額定出力的最小水頭稱為臨界水頭，臨界水頭只有在機(jī)組購買并試驗(yàn)后才被認(rèn)可。

2.2 發(fā)電機(jī)設(shè)置最大出力

對于水頭變幅較大的水電站，很多項(xiàng)目為提高混流式水輪發(fā)電機(jī)組在高水頭區(qū)運(yùn)行的穩(wěn)定性，發(fā)電機(jī)設(shè)置有最大出力(約105%～110%額定出力)，電站運(yùn)行水頭高于額定水頭后即可增加機(jī)組出力。混流式水輪發(fā)電機(jī)組增加出力運(yùn)行，不僅可擴(kuò)展機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行范圍，還可增加機(jī)組調(diào)節(jié)容量、提升電站的調(diào)峰能力和電網(wǎng)應(yīng)急保障能力，這也有利于新能源消納。

2.2.1 擴(kuò)展機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行范圍

NB/T 10135—2019《大中型水輪機(jī)基本技術(shù)規(guī)范》中混流式水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍見表1[3]。表1中，額定水頭以上，P為額定功率，額定水頭及以下，P為相應(yīng)水頭下的保證功率；H為運(yùn)行水頭；Hr為額定水頭。

表1 水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍

受發(fā)電機(jī)額定出力限制，混流式水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行范圍隨著水頭提高而變窄，在高水頭段設(shè)置機(jī)組最大出力有利于擴(kuò)展機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行范圍。

2.2.2 提高電站額定水頭增加電站容量，可有效提高電站的調(diào)峰能力

以機(jī)組設(shè)置最大出力的三峽、向家壩、溪洛渡等3個(gè)水電站為例，在1年中的大部分時(shí)間，其運(yùn)行水頭均超過單機(jī)最大出力對應(yīng)的最小水頭(其中，三峽92.0 m，向家壩100.0 m，溪洛渡197.0 m)。

圖1為2015年三峽電站旬平均凈水頭分布。從圖1可以看出，從9月下旬到次年5月中旬，三峽電站的運(yùn)行凈水頭均超過額定水頭。從電網(wǎng)受電端分析，冬季負(fù)荷大且負(fù)荷峰谷差大，尤其傍晚以后出現(xiàn)用電高峰。因此，若能提高額定水頭增大三峽電站發(fā)電容量，則可在9月到次年5月更好地彌補(bǔ)其他可再生能源(太陽能和風(fēng)能)發(fā)電不足時(shí)電網(wǎng)的調(diào)峰能力。

圖1 三峽電站旬平均凈水頭分布

圖2為向家壩電站多年月平均水頭分布。從圖2可知，向家壩電站單機(jī)額定容量750 MW、額定水頭95 m相應(yīng)保值率為90%，單機(jī)最大容量800 MW對應(yīng)的最小水頭100 m相應(yīng)保值率為68%；全年運(yùn)行水頭中僅7月、8月平均水頭低于額定水頭。

圖2 向家壩電站多年月平均水頭分布

圖3為溪洛渡電站年內(nèi)逐旬水頭過程。從圖3可知，溪洛渡電站單機(jī)額定容量700 MW、額定水頭186 m相應(yīng)保值率約58.4%，單機(jī)最大容量770 MW對應(yīng)的最小水頭197 m相應(yīng)保值率約52.8%；從9月下旬開始直到次年3月下旬，電站水頭均高于額定水頭。

圖3 溪洛渡電站年內(nèi)逐旬水頭過程

目前，各流域梯級陸續(xù)在上游建成具有調(diào)蓄能力的龍頭水庫，下游各梯級電站加權(quán)平均水頭普遍提高，提高電站額定水頭增加電站裝機(jī)容量方案技術(shù)上是可行的。

2.2.3 利用已經(jīng)設(shè)置的單機(jī)最大容量，可有效增加機(jī)組調(diào)節(jié)容量和電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用容量

從電網(wǎng)運(yùn)行角度，對水電站單臺機(jī)組出力放寬限制是有利的。若電力送出通道受限難以短時(shí)間內(nèi)解決，電站裝機(jī)容量和總的送出容量不變，放寬單機(jī)容量限制，在規(guī)定電站總出力和運(yùn)行機(jī)組臺數(shù)的基礎(chǔ)上，除汛期水頭低、機(jī)組出力受阻外，可有效提高運(yùn)行機(jī)組的旋轉(zhuǎn)備用容量。初步估計(jì)，設(shè)置最大出力的機(jī)組可使旋轉(zhuǎn)備用容量增加5%以上。由于新能源電源出力的隨機(jī)性、波動性，當(dāng)新能源發(fā)電占電網(wǎng)比例增加時(shí)，電力系統(tǒng)必須增加相應(yīng)容量的旋轉(zhuǎn)備用，以提升電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻能力，保障安全穩(wěn)定運(yùn)行。利用機(jī)組設(shè)置的最大容量，不僅有利于增加機(jī)組調(diào)節(jié)容量和電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用容量，還可增加秋冬季機(jī)組檢修時(shí)電站調(diào)峰容量，也有助于新能源大量接入電網(wǎng)后電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.3 增容改造

增容改造是對已到使用壽命、存在嚴(yán)重缺陷等老舊機(jī)組進(jìn)行改造，提高機(jī)組的綜合效率和使用壽命，同時(shí)增大機(jī)組容量；或?qū)C(jī)組通過更換效率更高的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(或?qū)D(zhuǎn)輪進(jìn)行修型)、增加過機(jī)流量以及更換發(fā)電機(jī)線棒等實(shí)現(xiàn)增大機(jī)組容量。

因此，利用機(jī)組本身預(yù)留的超發(fā)能力或設(shè)置的最大出力來增大機(jī)組容量，或?qū)﹄娬局饕獧C(jī)電設(shè)備進(jìn)行局部改造增大機(jī)組容量，并進(jìn)行電站接入系統(tǒng)等復(fù)核工作以及必要的涉網(wǎng)試驗(yàn)，即可實(shí)施對現(xiàn)有大中型常規(guī)水電站機(jī)組增容。

3 機(jī)組增容改造建議

(1)增容改造技術(shù)論證。首先，機(jī)組增容改造必須保證設(shè)備安全，在已有壓力鋼管、蝸殼、尾水管等過流埋件和相關(guān)土建設(shè)施的基礎(chǔ)上實(shí)施，增容改造后的水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)受制于已有水力通道，機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需對留用的設(shè)備埋件及其相關(guān)的土建設(shè)施進(jìn)行安全性復(fù)核，保證這些埋件和土建設(shè)施的安全；其次，增容改造需復(fù)核水文資料、機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算成果、引水發(fā)電系統(tǒng)安全性和電氣設(shè)備適應(yīng)性等；第三，機(jī)組增容改造對配套的電力設(shè)備和接入系統(tǒng)也需開展相應(yīng)的復(fù)核和改造工作。增容改造還需考慮新舊規(guī)范內(nèi)容變化造成的影響。如鳳灘和柘溪水電站機(jī)組增容改造，由于壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范修編，按現(xiàn)有規(guī)范復(fù)核壓力鋼管承壓和抗外壓穩(wěn)定性均不滿足要求，需要對壓力鋼管進(jìn)行改造。因此，應(yīng)高度重視水電站增容改造的技術(shù)論證工作，以確保電站安全、穩(wěn)定和長期運(yùn)行。

(2)不改變水庫特征水位和綜合利用要求。機(jī)組增容改造不改變水庫特征水位，不改變綜合利用要求，不影響電站水庫運(yùn)行方式。水電項(xiàng)目環(huán)評工作明確規(guī)定，單機(jī)增容不超過20%不要求復(fù)評，若單機(jī)增容超過20%則需進(jìn)行復(fù)評。水電站項(xiàng)目業(yè)主可以據(jù)此綜合考慮機(jī)組增容的幅度。

(3)電力送出。建議結(jié)合新能源和流域梯級電站布局增加電力送出線路，有效提高水電站的調(diào)峰能力。部分水電站送電距離遠(yuǎn)，送出通道的輸送容量受限，可對水電站單臺機(jī)組出力放寬限制，擴(kuò)展機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行范圍，增加單臺機(jī)組調(diào)節(jié)容量，從而提高運(yùn)行機(jī)組的旋轉(zhuǎn)備用容量和電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用容量。項(xiàng)目業(yè)主可從提高電網(wǎng)備用容量和調(diào)節(jié)能力的角度，積極與電網(wǎng)溝通、協(xié)調(diào)，爭取電網(wǎng)對水電站增容工作的支持。

(4)爭取政策支持。可以借鑒農(nóng)村水電、老舊風(fēng)電項(xiàng)目技改升級政策以及相關(guān)政策，對常規(guī)大中型水電站改造增容給予支持。財(cái)政部、水利部于2016年發(fā)文，對符合河流規(guī)劃、實(shí)施增效擴(kuò)容的農(nóng)村水電，給予中央財(cái)政獎(jiǎng)勵(lì)[4]。國家能源局于2021年提出啟動老舊風(fēng)電項(xiàng)目技改升級。福建省人民政府關(guān)于進(jìn)一步規(guī)范水電資源開發(fā)管理的意見中明確指出，穩(wěn)步推進(jìn)現(xiàn)有水電站技術(shù)改造，支持現(xiàn)有水電站對引水建筑物、發(fā)電廠房、機(jī)電設(shè)備、送出工程、下泄流量監(jiān)控裝置等進(jìn)行技改，實(shí)施增效擴(kuò)容，消除安全隱患，提高水電能效，改善水環(huán)境[5]。國家“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃提出，積極推進(jìn)大型水電站優(yōu)化升級，發(fā)揮水電調(diào)節(jié)潛力。充分發(fā)揮水電既有調(diào)峰潛力，在保護(hù)生態(tài)的前提下，進(jìn)一步提升水電靈活調(diào)節(jié)能力，支撐風(fēng)電和光伏發(fā)電大規(guī)模開發(fā)。在中東部及西部地區(qū)，適應(yīng)新能源的大規(guī)模發(fā)展，對已建、在建水電機(jī)組進(jìn)行增容改造[6]。

(5)選取有代表性的電站進(jìn)行典型研究。建議選取機(jī)組設(shè)置最大出力的1個(gè)或多個(gè)水電站(如三峽、向家壩、溪洛渡等)進(jìn)行典型研究，分析電站增加機(jī)組調(diào)節(jié)容量、提升電站整體調(diào)峰能力和電網(wǎng)應(yīng)急保障能力的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。

4 結(jié) 語

水電站在實(shí)現(xiàn)我國“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)中的地位越來越重要，無論在國家實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略層面，還是在增強(qiáng)水電站調(diào)峰能力的戰(zhàn)術(shù)層面，已建水電站機(jī)組增加容量都具有重要的意義。已建大中型水電站可根據(jù)實(shí)際情況，采取挖掘現(xiàn)有機(jī)組發(fā)電能力、或充分利用已設(shè)置的最大出力、或進(jìn)行增容改造等可行措施對機(jī)組進(jìn)行有效增容，提升電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力和新能源消納水平，為我國實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。