劉 恒,賀雨陽(yáng),劉新鵬
(1.新疆水利發(fā)展投資(集團(tuán))有限公司,新疆 烏魯木齊 832000;2.天津市熱力有限公司,天津 300070)
新疆電力系統(tǒng)是以火電為主的電源結(jié)構(gòu),火電裝機(jī)容量嚴(yán)重過(guò)剩,環(huán)境壓力大;新疆的風(fēng)電、光電發(fā)展很快,存在棄風(fēng)、棄光,風(fēng)電、光電消納困難,發(fā)展受阻的問(wèn)題。天山北坡的河流都是典型的內(nèi)陸季節(jié)性山溪性小河流,按常規(guī)水電站型式開(kāi)發(fā)水電資源,都是中、小型水電站,而且多是小型水電站,對(duì)滿(mǎn)足當(dāng)前和將來(lái)大容量能源電力需求作用不大,對(duì)大規(guī)模區(qū)域電網(wǎng)調(diào)峰、能源革命、生態(tài)文明建設(shè)起不到重要作用。天山北坡由于當(dāng)?shù)刭Y源特性,造成火電規(guī)模大,重化工產(chǎn)業(yè)密集,區(qū)域性環(huán)境污染問(wèn)題嚴(yán)重,天山北坡實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和難度很大。如果按照常蓄混合式水電站型式開(kāi)發(fā)天山北坡眾多山溪性河流的水電資源,可以降低抽水蓄能產(chǎn)業(yè)供給成本,對(duì)天山北坡電力系統(tǒng)優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)、優(yōu)化用電結(jié)構(gòu),穩(wěn)定強(qiáng)化電網(wǎng)、平抑峰谷差,消納風(fēng)、光清潔能源、促進(jìn)疆電高效率、高質(zhì)量外送,促進(jìn)新疆碳達(dá)峰和碳中和,推動(dòng)以電力為核心的能源體系實(shí)現(xiàn)多種能源的高效轉(zhuǎn)化和利用,建設(shè)區(qū)域性新型電力系統(tǒng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”綜合樞紐平臺(tái)發(fā)揮更加重要的關(guān)鍵性作用。
在進(jìn)行河流水電規(guī)劃設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)時(shí),或者老水庫(kù)電站除險(xiǎn)加固、增容改造時(shí),充分利用水力發(fā)電水體的帶能作用及其可逆性,將梯級(jí)水電站上下游兩個(gè)水庫(kù)用壓力隧洞連接起來(lái),利用部分庫(kù)容作為抽水蓄能[1]日循環(huán)庫(kù)容,在保持原有水庫(kù)調(diào)節(jié)功能、常規(guī)水力發(fā)電機(jī)組工作容量規(guī)模的基礎(chǔ)上融合抽水蓄能擴(kuò)大裝機(jī)容量,將部分機(jī)組設(shè)計(jì)成可逆式抽水蓄能機(jī)組,這樣的水庫(kù)電站可以充分利用自身水能條件增加裝機(jī)規(guī)模,同時(shí)具有更大規(guī)模的常規(guī)水電站和純抽水蓄能電站的全部功能。根據(jù)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”各方面安全生產(chǎn)的需要適時(shí)適量及時(shí)轉(zhuǎn)變角色,準(zhǔn)確靈活的進(jìn)行常規(guī)水力發(fā)電和抽水蓄能發(fā)電,從而保障電力系統(tǒng)電量容量的動(dòng)態(tài)平衡、安全穩(wěn)定運(yùn)行。這樣就形成了常規(guī)水電站與抽水蓄能電站為一體的混合式水電站,簡(jiǎn)稱(chēng)常蓄混合式水電站。這種水電站在理論界被稱(chēng)作混合式抽水蓄能電站,由于是在常規(guī)水庫(kù)電站基礎(chǔ)上拓展水力發(fā)電可逆性利用功能,常規(guī)水庫(kù)電站原有的正向調(diào)蓄供水發(fā)電作用是主要基礎(chǔ)功能,抽水蓄能逆向供水作用和填谷削峰電量容量轉(zhuǎn)化保障作用是重要拓展功能,可以成為新水電開(kāi)發(fā)、老水庫(kù)電站改造主要開(kāi)發(fā)運(yùn)用模式,通過(guò)廣泛的大規(guī)模運(yùn)用,在新時(shí)代為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和、促進(jìn)能源革命發(fā)揮關(guān)鍵性作用,故稱(chēng)常蓄混合式水電站。常蓄混合式水電站主機(jī)設(shè)備由常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組和抽水蓄能可逆式水泵水輪機(jī)電動(dòng)發(fā)電機(jī)組組成,年發(fā)電量由常規(guī)徑流發(fā)電電量和抽水蓄能轉(zhuǎn)換發(fā)電電量?jī)刹糠纸M成,豐水期一般以常規(guī)泄洪發(fā)電為主,枯水期一般以蓄能轉(zhuǎn)換電能發(fā)電為主。由于利用了已有的上游、下游水庫(kù),只是增加了裝機(jī)容量,有些電站距高比雖然較大,工程造價(jià)投資增加不多,而發(fā)電量和容量效益可以大幅度提高。常蓄混合式水電站匯集了常規(guī)水電站和純抽水蓄能電站各自的優(yōu)點(diǎn),裝機(jī)容量規(guī)模主要由水頭和日調(diào)節(jié)蓄能庫(kù)容以及地形條件決定,相對(duì)受徑流量影響減小。全國(guó)聯(lián)網(wǎng)、電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大,用電質(zhì)量要求的提高,用電量的增大,電網(wǎng)用電對(duì)裝機(jī)容量規(guī)模希望越大越好,這樣工程設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便。常蓄混合式水電站裝機(jī)規(guī)模雖然增大,運(yùn)行發(fā)電設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)仍然高于同等規(guī)模的常規(guī)水電站或純抽水蓄能電站,經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)明顯優(yōu)化。我國(guó)抽水蓄能事業(yè)起步,就是從投資省、方便建設(shè)的常蓄混合式水電站開(kāi)始探索實(shí)踐的。我國(guó)最早投產(chǎn)的3 座抽水蓄能電站崗南、密云、潘家口水電站都是常蓄混合式水電站,潘家口水電站屬于大型常蓄混合式水電站、總裝機(jī)容量42 萬(wàn)kW。這些水電站長(zhǎng)期的運(yùn)行實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)為我國(guó)抽水蓄能技術(shù)發(fā)展積累了寶貴經(jīng)驗(yàn),也充分證明了常蓄混合式水電站的優(yōu)越性。
常蓄混合式水電站總裝機(jī)容量=常規(guī)機(jī)組裝機(jī)容量+抽水蓄能可逆式機(jī)組裝機(jī)容量。
常規(guī)機(jī)組裝機(jī)容量按常規(guī)水電站規(guī)劃設(shè)計(jì)的工作容量、季節(jié)容量確定規(guī)模,保持水庫(kù)原有的調(diào)節(jié)性能和發(fā)電功能[2]。老水庫(kù)電站改造只需保留原常規(guī)機(jī)組裝機(jī)容量,增加蓄能機(jī)組裝機(jī)容量即可。
蓄能機(jī)組裝機(jī)容量按照水泵運(yùn)行狀態(tài)抽水所需功率確定規(guī)模,根據(jù)其設(shè)計(jì)抽水流量及日運(yùn)行小時(shí)數(shù)確定蓄能庫(kù)容。常蓄混合式水電站最大發(fā)電容量按照總裝機(jī)容量控制運(yùn)行,最大發(fā)電流量為常規(guī)機(jī)組額定流量與蓄能機(jī)組發(fā)電額定流量之和。
確定常蓄混合式水電站蓄能裝機(jī)容量、庫(kù)容:
根據(jù)新疆電網(wǎng)日峰平谷時(shí)段劃分確定抽水填谷運(yùn)行時(shí)間和蓄能庫(kù)容:
高峰時(shí)段:10:00~13:00,19:30~00:30 (8 h);
平時(shí)段:08:30~10:00 ,13:00~19:30(8 h);
低谷時(shí)段:00:30~08:30(8 h)。
我國(guó)東西最大時(shí)差3 h,各地區(qū)峰平谷時(shí)段出現(xiàn)從東向西逐漸推遲。
常蓄混合式水電站按蓄能機(jī)組容量低谷時(shí)段滿(mǎn)負(fù)荷填谷運(yùn)行8 h 抽取的水量就是蓄能庫(kù)容,也是最大蓄能庫(kù)容。調(diào)峰發(fā)電按照常規(guī)機(jī)組和蓄能機(jī)組總?cè)萘吭谠缟虾屯砩细叻鍟r(shí)段8 h 內(nèi)變化運(yùn)行。
蓄能機(jī)組裝機(jī)容量:水泵運(yùn)行狀態(tài)抽水所需功率計(jì)算公式
蓄能庫(kù)容:日蓄能庫(kù)容計(jì)算公式
V蓄—水庫(kù)蓄能庫(kù)容/萬(wàn)m3;
N—水泵水輪電動(dòng)發(fā)電機(jī)組輸出功率/kW;
H—抽水揚(yáng)程,近似于發(fā)電水頭/m;
Q抽—水泵抽水流量/m3/s;
η—水泵效率,約為85%~93%,取值0.89。
按照以上公式可以計(jì)算繪制出中高水頭、中小型常蓄混合式水電站蓄能裝機(jī)容量、庫(kù)容、水頭關(guān)系表和曲線圖,見(jiàn)圖1、表1。計(jì)算繪制出高水頭、大型常蓄混合式水電站蓄能裝機(jī)容量、庫(kù)容、水頭關(guān)系表和曲線圖,見(jiàn)圖2、表2。
表1 中高水頭、中小型常蓄混合式水電站蓄能裝機(jī)容量、庫(kù)容、水頭關(guān)系表
表2 高水頭、大型常蓄混合式水電站蓄能裝機(jī)容量、庫(kù)容、水頭關(guān)系表
圖1 中高水頭、中小型常蓄混合式水電站蓄能裝機(jī)容量庫(kù)容關(guān)系曲線
圖2 高水頭、大型常蓄混合式水電站蓄能裝機(jī)容量庫(kù)容關(guān)系曲線
瑪納斯河是天山北坡流入準(zhǔn)噶爾盆地最大的河流,瑪納斯河流域位于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中心地帶,地緣優(yōu)勢(shì)顯著?,敿{斯河干流山區(qū)按照常規(guī)式水電專(zhuān)業(yè)規(guī)劃,肯斯瓦特水利樞紐以上河段規(guī)劃有呼斯臺(tái)、喀拉薩依、哈熊溝3 座高水頭梯級(jí)水庫(kù)電站,總裝機(jī)容量39.5 萬(wàn)kW,年總發(fā)電量11.95 億kW·h,總投資34.33 億元。
融合抽水蓄能按三級(jí)增容開(kāi)發(fā),原規(guī)劃3 座梯級(jí)水庫(kù)電站中的兩座中壩日調(diào)節(jié)中型水庫(kù)需要加高壩體、增加相應(yīng)蓄能調(diào)峰庫(kù)容,3 座梯級(jí)水庫(kù)電站都要增加發(fā)電洞壓力管直徑、水道斷面積,土建工程按蓄能電站廠房(內(nèi)置常規(guī)機(jī)組)、尾水設(shè)計(jì)。呼斯臺(tái)水電站常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量18 萬(wàn)kW、抽水蓄能可逆式機(jī)組裝機(jī)容量為120 萬(wàn)kW,總裝機(jī)容量138 萬(wàn)kW??_依水電站常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量12.5 萬(wàn)kW、抽水蓄能可逆式機(jī)組裝機(jī)容量為90 萬(wàn)kW,總裝機(jī)容量102.5 萬(wàn)kW,獨(dú)立運(yùn)行需要加高壩體、增加蓄能庫(kù)容841 萬(wàn)m3。哈熊溝水電站常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量9 萬(wàn)kW、抽水蓄能可逆式機(jī)組裝機(jī)容量為60 萬(wàn)kW,總裝機(jī)容量69 萬(wàn)kW,獨(dú)立運(yùn)行需要加高壩體、增加蓄能庫(kù)容870 萬(wàn)m3。3 座梯級(jí)水庫(kù)電站常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組規(guī)模保持原規(guī)劃39.5 萬(wàn)kW,抽水蓄能可逆式機(jī)組擴(kuò)大裝機(jī)容量為270 萬(wàn)kW,總裝機(jī)容量309.5 萬(wàn)kW增加684%,常規(guī)發(fā)電量由11.95kW·h 增加到17.07 kW·h、增長(zhǎng)42.8%,蓄能發(fā)電量40.5 kW·h、年總發(fā)電量57.57 億kW·h、增加382%,消納風(fēng)電、光電、電網(wǎng)低谷電量57.24 億kW·h,雖然距高比較大,單位kW、單位電能造價(jià)和其他技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)會(huì)更加優(yōu)化。3 座梯級(jí)水電站最大發(fā)電流量由61.8 m3/s增加到451 m3/s,出庫(kù)水量除去生態(tài)基流、排沙流量、一般洪峰流量可以全部用于常規(guī)發(fā)電[3-5]。
融合抽水蓄能原規(guī)劃3 座梯級(jí)水庫(kù)電站也可以?xún)?yōu)化為二級(jí)開(kāi)發(fā),瑪納斯河哈熊溝下游紅溝河段河床與河岸有700 m 的高差,可以將喀拉薩依水電站和哈熊溝水電站合并為一級(jí)開(kāi)發(fā),喀拉薩依水電站和哈熊溝水電站合并為一座水庫(kù)、一個(gè)電站,可以集中利用水頭為460 m,喀拉薩依中水電站常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量21.5 萬(wàn)kW、抽水蓄能可逆式機(jī)組裝機(jī)容量為150 萬(wàn)kW,總裝機(jī)容量171.5 萬(wàn)kW,獨(dú)立運(yùn)行需要加高壩體、增加蓄能庫(kù)容852.5 萬(wàn)m3。常規(guī)發(fā)電量由6.68 億kW·h 增加到8.6 億kW·h、增長(zhǎng)28.7%,增加蓄能發(fā)電量22.5 億kW·h,年總發(fā)電量31.1 億kW·h、增加466%。消納風(fēng)電、光電、電網(wǎng)低谷電量31.8 億kW·h。呼斯臺(tái)水電站按方案1 不變,二級(jí)開(kāi)發(fā)總裝機(jī)容量309.5 萬(wàn)kW。這樣優(yōu)化有利于保障減流河段生態(tài)基流,梯級(jí)開(kāi)發(fā)更加經(jīng)濟(jì)高效,喀拉薩依水電站和哈熊溝水電站合并為一級(jí)開(kāi)發(fā),總裝機(jī)容量不變,雖然距高比較大,減少一座中型大壩、一座調(diào)壓井、一座廠房尾水池,建設(shè)投資、運(yùn)行維護(hù)成本進(jìn)一步降低。
常蓄混合式水電站克服了常規(guī)水電站以及純抽水蓄能電站局限性,拓展了他們的優(yōu)勢(shì),綜合效益價(jià)值增值顯著,水能利用、水資源配置更加充分高效。
按照常規(guī)式水電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法,裝機(jī)規(guī)模在一定的水頭條件下、主要由年徑流量決定,一般情況下,大、中型河流可以建設(shè)大、中型水電站,中、小型河流只能建設(shè)中、小型水電站[6]。按照常蓄混合式水電站規(guī)劃設(shè)計(jì)方法,裝機(jī)規(guī)模主要由水頭、日調(diào)節(jié)庫(kù)容決定,中、小河流也可以建設(shè)大、中型的常蓄混合式水電站。河流季節(jié)性越強(qiáng)越需要開(kāi)發(fā)常蓄混合式水電站,使季節(jié)性較強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)不太好的水電資源也具有開(kāi)發(fā)價(jià)值。常蓄混合式水電站的上下庫(kù)、壓力輸水道、可逆式水泵水輪機(jī)電動(dòng)發(fā)電機(jī)等工程設(shè)備組成一座完整的可逆式供水系統(tǒng),在一條河流上按常蓄混合式水電站梯級(jí)開(kāi)發(fā)或改造水庫(kù)電站,還可以實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)上下游水量的逆分配;水量豐富的下游也可以向水量小、缺水的上游逆向補(bǔ)水,這種功能意義更加重要,可以深入研究。建設(shè)一座常蓄混合式水電站,相當(dāng)于建設(shè)一座更大規(guī)模的常規(guī)水電站、一座純抽水蓄能電站[7],一座可以逆向供水的大型揚(yáng)水站,一舉多得、一役而多役濟(jì)。
以往的水電開(kāi)發(fā)中,為了更多地利用季節(jié)性電能,規(guī)劃、設(shè)計(jì)常規(guī)水電站的裝機(jī)規(guī)模越來(lái)越大,造成水電站的年利用小時(shí)數(shù)降低,枯水期水電站機(jī)組容量大量閑置,在汛期仍然會(huì)失去調(diào)峰能力。把水電站部分季節(jié)容量和全部備用容量設(shè)計(jì)成抽水蓄能可逆式機(jī)組,擴(kuò)大總裝機(jī)容量,泄洪發(fā)電能力增強(qiáng)而減少水庫(kù)棄水多發(fā)電,枯水期抽水蓄能發(fā)電,克服了常規(guī)水電站因季節(jié)性容量增加,發(fā)電年利用小時(shí)數(shù)降低的問(wèn)題。汛期增加調(diào)峰能力,使水電站豐水期發(fā)電量增加的同時(shí),低谷發(fā)電量減少、高峰發(fā)電量增加,優(yōu)質(zhì)電能增加,既增加電能電量效益又增加電力填谷削峰容量效益。還可以減少常規(guī)機(jī)組臺(tái)數(shù),節(jié)約投資、并節(jié)省運(yùn)行維修成本,潘家口水電站只安裝一臺(tái)15 萬(wàn)kW 常規(guī)機(jī)組就實(shí)現(xiàn)了常規(guī)正向水能利用。
常蓄混合式水電站擴(kuò)大了裝機(jī)容量,水電站的發(fā)電泄洪能力增大,有利于重新研究提高汛限水位增加運(yùn)行水頭,提高了季節(jié)性水量及洪水電能的利用率,有利于減小下游洪水危害、化災(zāi)為利,提高洪水的資源化利用程度。有利于水庫(kù)防洪安全并減輕高速水流對(duì)泄洪設(shè)施的沖刷磨損破壞,減少運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。有利于水庫(kù)合理安排沖沙、泄洪,有效解決安全泄洪與蓄水發(fā)電的矛盾。對(duì)于多沙河流、高水頭水電站,常蓄混合式水電站擴(kuò)大裝機(jī)規(guī)模,減少機(jī)組臺(tái)數(shù),單機(jī)容量增大,機(jī)組轉(zhuǎn)速降低,有利于減輕機(jī)組泥沙磨損。
純抽水蓄能電站是在水源條件滿(mǎn)足的情況下,需要建造專(zhuān)用的上下水庫(kù),必須有較高的水頭才能建設(shè),一般純抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)水頭在300~600 m,為降低造價(jià)、要求距高比必須越小越好,國(guó)外一般要求距高比L/H<4~10,國(guó)內(nèi)要求距高比L/H<5.8~11.6、水頭低于100 m 則不建抽水蓄能電站。這樣,純抽水蓄能電站的建設(shè)選址就受到一定的限制。純抽水蓄能電站專(zhuān)用的上下庫(kù)及庫(kù)盤(pán)防滲使得造價(jià)投資、運(yùn)行維護(hù)成本都比較高,一定程度上增加了電網(wǎng)應(yīng)用抽水蓄能技術(shù)的成本。純抽水蓄能電站自身不產(chǎn)出電能、完全依附電網(wǎng),每天運(yùn)行規(guī)律基本是一樣的,運(yùn)行方式主要為日循環(huán),以日調(diào)節(jié)削峰填谷運(yùn)行為主。常蓄混合式水電站只要調(diào)節(jié)庫(kù)容滿(mǎn)足,距高比可以適當(dāng)放大,高、中、低水頭,大、中、小型規(guī)模都可以建設(shè);既可以自身產(chǎn)出電能,又能將電力系統(tǒng)低谷容量轉(zhuǎn)移為高峰容量;還可以利用上游控制性大型水庫(kù)進(jìn)行多年調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)、月調(diào)節(jié)、周調(diào)節(jié)、日調(diào)節(jié),充分發(fā)揮日、周、月、季、年、多年循環(huán)等多種循環(huán)周期運(yùn)行方式的作用。利用已建成或已規(guī)劃水庫(kù)電站建設(shè)常蓄混合式水電站,可以充分利用原有的工程、設(shè)備、人員、道路、勘測(cè)資料等條件,不需要全庫(kù)盤(pán)防滲,不改變與電力系統(tǒng)的聯(lián)系并升級(jí)改造,基本不增加生產(chǎn)管理人員,征地、移民、環(huán)保、入網(wǎng)手續(xù)容易辦理,實(shí)現(xiàn)抽水蓄能低成本高質(zhì)量快速發(fā)展。
上善若水,水利萬(wàn)物而不爭(zhēng),常蓄混合式水電站對(duì)于“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”各個(gè)環(huán)節(jié),無(wú)論在時(shí)間上還是空間上只做對(duì)電網(wǎng)、其他類(lèi)型電源、用電戶(hù)、用水戶(hù)有利的事,常蓄混合式水電站全面具備水的優(yōu)秀品質(zhì)。常蓄混合式水電站型式的開(kāi)發(fā)模式有資格、有條件成為今后水電資源開(kāi)發(fā)利用的主要開(kāi)發(fā)方式。我國(guó)是多山國(guó)家,不缺乏大小河流、山川溝壑、峽谷落差,無(wú)論是老水庫(kù)電站改造,還是新水庫(kù)電站開(kāi)發(fā),采用常蓄混合式水電站型式開(kāi)發(fā)水電資源與其他清潔能源相配套,由風(fēng)、光、常規(guī)水電等清潔能源主要滿(mǎn)足電力系統(tǒng)增長(zhǎng)的電量數(shù)量需求,由常蓄混合式水電站、純抽水蓄能電站主要滿(mǎn)足電網(wǎng)不斷增長(zhǎng)的安全穩(wěn)定電力容量需求。這樣,在實(shí)現(xiàn)可再生清潔能源逐步替代化石能源、促進(jìn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的同時(shí),保證新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,充分發(fā)揮“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”一體化綜合樞紐平臺(tái)作用。一個(gè)由上下游銜接常蓄混合式梯級(jí)水庫(kù)電站群組成的流域河道就是一條雙向水流、電流高速公路和優(yōu)質(zhì)航道,可以在流域內(nèi)上下游、跨流域跨區(qū)域靈活高效配置水、電、運(yùn)輸資源,為新時(shí)代穩(wěn)妥實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和,促進(jìn)地方、流域、區(qū)域、國(guó)家水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水災(zāi)害等水問(wèn)題的空間均衡、系統(tǒng)治理發(fā)揮重要作用。