常規(guī)水電結(jié)合開(kāi)發(fā)抽水蓄能效益分析及開(kāi)發(fā)建議

任志武，何永勝，胡小麗，盧錕明

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.國(guó)家電網(wǎng)公司，北京市 100031；3.中國(guó)電建西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西省西安市 710065）

常規(guī)水電結(jié)合開(kāi)發(fā)抽水蓄能效益分析及開(kāi)發(fā)建議

任志武1，何永勝2，胡小麗3，盧錕明3

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.國(guó)家電網(wǎng)公司，北京市 100031；3.中國(guó)電建西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西省西安市 710065）

本文分析了常規(guī)水電結(jié)合開(kāi)發(fā)抽水蓄能的綜合效益，并以西北地區(qū)某梯級(jí)混合式抽水蓄能站點(diǎn)為例，具體分析了其產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益、容量效益、調(diào)峰效益、旋轉(zhuǎn)備用效益等多種效益，結(jié)果表明，常規(guī)水電結(jié)合開(kāi)發(fā)抽水蓄能具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。最后對(duì)常規(guī)水電結(jié)合抽水蓄能開(kāi)發(fā)提出了一些建議，對(duì)推進(jìn)二者結(jié)合開(kāi)發(fā)具有一定指導(dǎo)意義。

常規(guī)水電；抽水蓄能電站；混合式抽水蓄能電站；效益分析

1 常規(guī)水電與抽水蓄能電站結(jié)合開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)介

常規(guī)水電與抽水蓄能電站結(jié)合開(kāi)發(fā)，即利用已建水電站增建可逆機(jī)組或擴(kuò)大裝機(jī)容量和增建抽水泵，使常規(guī)水電站具備抽水蓄能的功能，在電力系統(tǒng)中承擔(dān)儲(chǔ)能、調(diào)峰填谷、事故備用、調(diào)頻、調(diào)相、黑啟動(dòng)等作用。

常規(guī)水電站與抽水蓄能電站結(jié)合開(kāi)發(fā)一般有三種開(kāi)發(fā)形式：一是利用已建成的常規(guī)水電站水庫(kù)做上庫(kù)，在其下游新建下庫(kù)，即“上庫(kù)結(jié)合”方式；二是利用常規(guī)水電站水庫(kù)作為抽水蓄能上水庫(kù)，下庫(kù)利用相鄰常規(guī)水電站水庫(kù)或新建下水庫(kù)的“加泵+擴(kuò)機(jī)”開(kāi)發(fā)方式；三是在已建成的常規(guī)梯級(jí)電站，利用相鄰的兩個(gè)梯級(jí)水庫(kù)分別做上、下庫(kù)，在兩岸山體內(nèi)開(kāi)挖地下廠房和輸水系統(tǒng)建成抽水蓄能電站的“一體化開(kāi)發(fā)方式”。本文主要針對(duì)第三種開(kāi)發(fā)方式，以西北地區(qū)某梯級(jí)混合式抽水蓄能站點(diǎn)為例做效益分析。

2 常規(guī)水電與抽水蓄能電站結(jié)合開(kāi)發(fā)的效益分析

2.1 概況

西北地區(qū)某梯級(jí)混合式抽水蓄能站點(diǎn)上水庫(kù)直接利用A電站水庫(kù)，下水庫(kù)直接利用B電站水庫(kù)，按“一體化結(jié)合”的方式開(kāi)發(fā)。

A電站裝機(jī)容量420萬(wàn)kW，共6臺(tái)機(jī)組，水庫(kù)正常蓄水位2452m，死水位2440m，調(diào)節(jié)庫(kù)容15000萬(wàn)m3，具有日調(diào)節(jié)性能。

B電站距上游A電站壩址8.6km，裝機(jī)容量16萬(wàn)kW，共4臺(tái)機(jī)組，水庫(kù)正常蓄水位2235.5m，死水位2231.5m，調(diào)節(jié)庫(kù)容860萬(wàn)m3，具有日調(diào)節(jié)性能。

本站點(diǎn)初擬可逆機(jī)組裝機(jī)規(guī)模60萬(wàn)kW，4臺(tái)機(jī)，單機(jī)容量15萬(wàn)kW。初估全廠發(fā)電引用流量343.2m3/s，初擬裝機(jī)滿負(fù)荷發(fā)電小時(shí)4.5h，初估調(diào)節(jié)庫(kù)容464萬(wàn)m3?？赡鏅C(jī)組最大毛水頭220.5m，最小毛水頭204.5m，平均毛水頭213m，可逆機(jī)組額定水頭202m。

該梯級(jí)混合式抽水蓄能電站產(chǎn)生的綜合效益可分為直接效益和間接效益，具體見(jiàn)圖1。

圖1 梯級(jí)混合式抽水蓄能電站綜合效益圖Fig.1 Comprehensive Benefit Chart of Cascade Mixed Pumped Storage Power Station

2.2 效益分析

梯級(jí)混合式抽水蓄能機(jī)組在提高常規(guī)水電站發(fā)電效益、電網(wǎng)調(diào)峰、旋轉(zhuǎn)備用和節(jié)能減排等方面都具有效益。

2.2.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

梯級(jí)混合式抽水蓄能電站的直接經(jīng)濟(jì)效益來(lái)源于四部分：一是來(lái)水量增加帶來(lái)的直接增加發(fā)電量效益；二是增加的來(lái)水量抬高了發(fā)電水頭，降低了常規(guī)機(jī)組的發(fā)電耗水率帶來(lái)的增發(fā)效益；三是汛期蓄能機(jī)組參與發(fā)電運(yùn)行，增發(fā)季節(jié)性電量帶來(lái)的增發(fā)效益；四是汛期蓄能機(jī)組參與發(fā)電運(yùn)行，減少棄水損失帶來(lái)的增發(fā)效益。

選擇A、B電站所在流域上游多年平均徑流長(zhǎng)系列資料，以豐、平、枯三個(gè)代表年進(jìn)行分析，見(jiàn)表1。

抽水運(yùn)行方式：初擬抽蓄電站日滿負(fù)荷抽水時(shí)間為6h，抽水時(shí)段結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)填谷及配合消納新能源電量需要，主要考慮光伏大發(fā)時(shí)段（10時(shí)～15時(shí)）進(jìn)行抽水。抽水流量為257.4m3/s，日平均抽水水量463萬(wàn)m3。

發(fā)電運(yùn)行方式：初擬抽水蓄能電站日滿負(fù)荷發(fā)電時(shí)間為4.5h，結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)調(diào)峰及配合消納新能源電量需要，主要考慮光電出力小或負(fù)荷高峰時(shí)段發(fā)電。當(dāng)A水庫(kù)入庫(kù)徑流大、發(fā)生洪水或常規(guī)機(jī)組可能出現(xiàn)棄水時(shí)，抽水蓄能機(jī)組可以發(fā)電運(yùn)行，增加季節(jié)性電量，減少棄水，提高徑流利用率。

考慮抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行，由于抽蓄機(jī)組抽水帶來(lái)的水量增加、水頭增加，因此抽水蓄能電站運(yùn)行后，豐、平、枯三個(gè)代表年各年累計(jì)增加發(fā)電量7.312億kWh、9.923億kWh、10.978億kWh，具有增發(fā)效益。

本次所選代表年均不存在棄水情況，因此本次分析暫未考慮抽水蓄能機(jī)組汛期減少棄水的增發(fā)電量。

抽水蓄能機(jī)組抽水后增加了上庫(kù)的實(shí)際入流水量，模擬計(jì)算中水量增加增發(fā)的電量由常規(guī)水電機(jī)組發(fā)出。抽水蓄能機(jī)組能量轉(zhuǎn)化率按75%考慮，即通常說(shuō)的4度換3度。抽水蓄能機(jī)組抽水后，通過(guò)增加A水庫(kù)實(shí)際入庫(kù)流量，抬高了水庫(kù)水位，增加了水頭效益，這部分效益由常規(guī)水電機(jī)組發(fā)出。經(jīng)過(guò)計(jì)算，豐、平、枯各代表年水能利用率分別為83.58%、82.28%和83.55%，平均水能利用率83.14%。

表1 A電站三個(gè)代表年有無(wú)抽水蓄能電站情況下各月發(fā)電量統(tǒng)計(jì)表 億kWhTab.1 The three representatives of A power station have annual power generation statistics in the case of pumped storage power stations

2.2.2 容量效益

該站點(diǎn)所在電網(wǎng)并網(wǎng)光伏裝機(jī)規(guī)模逐年增加，可考慮抽水蓄能電站與光伏發(fā)電配合運(yùn)行，因?yàn)槌樗钅茈娬居姓{(diào)峰、填谷和承擔(dān)旋轉(zhuǎn)備用的作用，可以減少其他調(diào)峰電源，如火電機(jī)組開(kāi)停機(jī)次數(shù)，節(jié)省其額外的燃料消耗，并減小事故率。

2.2.3 電網(wǎng)調(diào)峰效益

西北地區(qū)可再生能源資源豐富，截至2015年，西北電網(wǎng)風(fēng)電、太陽(yáng)能并網(wǎng)裝機(jī)占全網(wǎng)裝機(jī)規(guī)模的30.43%，并網(wǎng)比例大。由于風(fēng)、光電的波動(dòng)性、間歇性和隨機(jī)性特點(diǎn)，大規(guī)模的風(fēng)、光電并網(wǎng)給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)，電網(wǎng)亟須調(diào)峰電源來(lái)保障電網(wǎng)正常運(yùn)行。本文所選取的A、B站點(diǎn)位于青海省，青海電網(wǎng)并網(wǎng)光伏裝機(jī)占全網(wǎng)裝機(jī)容量的27.2%，結(jié)合青海電網(wǎng)負(fù)荷特性，中午光伏機(jī)組大發(fā)時(shí)，抽水蓄能電站運(yùn)行抽水工況，消耗光伏發(fā)電產(chǎn)生電力，將電能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，這是填谷效益；電力系統(tǒng)高峰時(shí)，抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行發(fā)電工況，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化成電能，保障電力系統(tǒng)用電需求，這是削峰效益。

2.2.4 旋轉(zhuǎn)備用效益

電網(wǎng)必需設(shè)置負(fù)荷備用和事故備用，以應(yīng)付難以預(yù)測(cè)的負(fù)荷增加和突發(fā)性事故。若用火電機(jī)組來(lái)承擔(dān)，則常常將這些備用設(shè)置成“熱備用”，即將這部分容量分散在效率較低的機(jī)組上，使這些機(jī)組處于空轉(zhuǎn)或少負(fù)荷狀態(tài)，這些機(jī)組常常偏離最優(yōu)工況運(yùn)行，使系統(tǒng)燃料消耗增加。而用抽水蓄能電站來(lái)承擔(dān)負(fù)荷或事故備用，則以“冷備用”待機(jī)，技術(shù)上能迅速滿足突發(fā)負(fù)荷變化和突發(fā)事故發(fā)生的要求，又可以為系統(tǒng)節(jié)約火電機(jī)組“熱備用”的煤耗。

2.2.5 環(huán)保及其他效益

若抽水蓄能機(jī)組投產(chǎn)，可以減少火電煤耗，減少硫化物、氮氧化物、粉塵及一氧化碳的排放量，減輕了大氣污染，電站建設(shè)具有顯著的環(huán)境效益，符合當(dāng)前低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，提高了當(dāng)?shù)芈糜涡б?、?duì)生態(tài)環(huán)境、旅游資源開(kāi)發(fā)利用也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

2.2.6 推廣示范效益

梯級(jí)電站中已有的上、下游水庫(kù)，在下游水庫(kù)消落水深和庫(kù)容滿足要求時(shí)，可以直接利用已建水庫(kù)，只增建、改建輸水系統(tǒng)和廠房、輸變電系統(tǒng)，電站即可投入運(yùn)行。同時(shí)，在已建水電站特別是梯級(jí)開(kāi)發(fā)的已建水電站中適當(dāng)擴(kuò)建可逆機(jī)組，不僅可以滿足電網(wǎng)發(fā)展的需求，而且具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。新建混合式抽水蓄能電站可以考慮結(jié)合老電廠的擴(kuò)機(jī)改造，借鑒已建混合式抽水蓄能電站的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)混合式開(kāi)發(fā)的方式，將這種開(kāi)發(fā)模式推廣。

3 常規(guī)水電與抽水蓄能電站結(jié)合開(kāi)發(fā)的建議

3.1 做好選點(diǎn)規(guī)劃工作

目前我國(guó)有不少常規(guī)水電站，電站設(shè)計(jì)時(shí)制定的設(shè)計(jì)水平年早已過(guò)去，電站容量顯得不足，急需增容擴(kuò)建。在已經(jīng)完成的全國(guó)各區(qū)域抽水蓄能電站選點(diǎn)規(guī)劃成果中，雖然有少量與水電結(jié)合開(kāi)發(fā)的抽水蓄能站點(diǎn)，大量站點(diǎn)均沒(méi)有考慮與水電結(jié)合開(kāi)發(fā)。隨著電力發(fā)展對(duì)抽水蓄能需求的增加，抽水蓄能站址資源的減少，開(kāi)發(fā)條件及環(huán)境因素的制約，在這種情況下考慮對(duì)常規(guī)水電增加抽水蓄能機(jī)組成為混合式開(kāi)發(fā)，其效益會(huì)顯著增加。

3.2 簡(jiǎn)化梯級(jí)混合式抽水蓄能電站審批流程

我國(guó)目前新能源大規(guī)模發(fā)展、特高壓、智能電網(wǎng)的大力推進(jìn)形勢(shì)下，抽水蓄能電站對(duì)電力系統(tǒng)特別是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行具有重要意義。利用已建水電站點(diǎn)，通過(guò)擴(kuò)建常規(guī)機(jī)組、增建可逆機(jī)組或抽水泵的方式，增加電站的裝機(jī)容量和運(yùn)行靈活性，與新建純抽水蓄能電站相比，具有開(kāi)發(fā)實(shí)施容易、建設(shè)周期短、水庫(kù)淹沒(méi)環(huán)境影響小、投資省等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的開(kāi)發(fā)利用前景及經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。因此應(yīng)簡(jiǎn)化梯級(jí)混合式抽水蓄能電站審批流程，使其盡早建設(shè)，盡早發(fā)揮作用。

3.3 協(xié)調(diào)好綜合利用水庫(kù)各項(xiàng)任務(wù)

常規(guī)水電結(jié)合抽水蓄能開(kāi)發(fā)時(shí)，需利用已建常規(guī)水電站的上、下庫(kù)，隨著抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行，對(duì)常規(guī)水電站或多或少會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此，需要結(jié)合已建水庫(kù)的綜合利用功能和運(yùn)行特征研究抽水蓄能電站的運(yùn)行調(diào)度方式，以及此運(yùn)行方式對(duì)已建水庫(kù)原有功能的影響。由于結(jié)合開(kāi)發(fā)各常規(guī)水電站承擔(dān)的綜合利用任務(wù)不同，因此結(jié)合開(kāi)發(fā)在工程前期階段就需與已建水庫(kù)進(jìn)行協(xié)調(diào)，解決抽水蓄能開(kāi)發(fā)與原有水庫(kù)灌溉、供水、防洪、養(yǎng)殖、生態(tài)基流等方面的矛盾。

3.4 處理好常規(guī)水電與抽水蓄能利益協(xié)調(diào)問(wèn)題

常規(guī)水電與抽水蓄能結(jié)合開(kāi)發(fā)，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面分析具有一定的可行性，但在實(shí)施過(guò)程中需要處理好一系列具體問(wèn)題，如與原水電站投資主體之間的利益分配與補(bǔ)償問(wèn)題，對(duì)原水電站開(kāi)發(fā)任務(wù)、發(fā)電運(yùn)行、工程樞紐的影響補(bǔ)償問(wèn)題，結(jié)合開(kāi)發(fā)后的環(huán)境影響評(píng)價(jià)問(wèn)題等。因此，建議從分利與補(bǔ)償、運(yùn)行管理模式等方面組織研究制定相關(guān)的政策，以引導(dǎo)水電與抽水蓄能結(jié)合開(kāi)發(fā)有序健康發(fā)展。

3.5 完善電價(jià)機(jī)制

建議加快研究抽水蓄能電站定價(jià)機(jī)制，使不同投資主體投資的抽水蓄能電站均有合理的投資回報(bào)。只有形成合理的定價(jià)機(jī)制，才能引導(dǎo)抽水蓄能電站的持續(xù)健康發(fā)展，提高不同投資主體的投資積極性。鼓勵(lì)有條件的水電站通過(guò)與抽水蓄能開(kāi)發(fā)相結(jié)合，充分發(fā)揮水電運(yùn)行靈活方面的優(yōu)勢(shì)，一方面通過(guò)結(jié)合開(kāi)發(fā)增加容量帶來(lái)增發(fā)電量效益以及電網(wǎng)容量效益，另一方面通過(guò)深入的電價(jià)改革，實(shí)行峰谷電價(jià)、容量電價(jià)等方式增加企業(yè)投資的回報(bào)，在充分發(fā)揮已建水電站的功能效益的基礎(chǔ)上，調(diào)動(dòng)常規(guī)水電結(jié)合抽水蓄能開(kāi)發(fā)的積極性。

4 結(jié)束語(yǔ)

常規(guī)水電與抽水蓄能混合式開(kāi)發(fā)具有多重效益，其直接經(jīng)濟(jì)效益主要來(lái)自增發(fā)常規(guī)水電的電量效益，主要表現(xiàn)為增加的可逆機(jī)組可改善常規(guī)機(jī)組運(yùn)行方式，增加水量，在供水期提高電站運(yùn)行水頭，在蓄水期減少電站棄水，增加季節(jié)性電量。同時(shí)，結(jié)合開(kāi)發(fā)還具有調(diào)峰填谷作用，為系統(tǒng)提供備用容量、無(wú)功支持，具有黑啟動(dòng)等功能，可承擔(dān)電網(wǎng)緊急事故備用任務(wù)，也具有顯著的社會(huì)及環(huán)保效益。

應(yīng)在選點(diǎn)規(guī)劃、建設(shè)審批流程、與常規(guī)水電之間利益協(xié)調(diào)、電價(jià)機(jī)制等方面制定相關(guān)積極政策，促進(jìn)水電與抽水蓄能結(jié)合開(kāi)發(fā)有序健康發(fā)展。

[1] 中國(guó)電建西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司.西北地區(qū)水電與抽水蓄能結(jié)合開(kāi)發(fā)可行性分析報(bào)告[R].2016.Power China Northwest Corporation Limited.Feasibility Analysis Report on the Development of Hydropower and Pumping Storage in Northwest China[R].2016.

[2] 吳毅，李紅艷，張東躍.新形勢(shì)下抽水蓄能電站綜合效益分析 [J].水力發(fā)電，2008（10）：18-20.WU Yi，LI Hongyan，ZHANG Dongyue.Comprehensive Benefit Analysis of Pumped Storage Power Station under New Situation[J].Hydropower，2008（10）：18-20.

[3] 唐海華，黃春雷，丁杰.混合式抽水蓄能電站優(yōu)化調(diào)度策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011（21）：40-45.TANG Haihua，HUANG Chunlei，DING Jie.Optimal Dispatching Strategy of Hybrid Pumped Storage Power Station[J].Automation of Electric Power Systems，2011（21）：40-45.

[4] 呂永明.混合式開(kāi)發(fā)白山抽水蓄能電站分析[J].東北水利水電，2012（10）：9-10.LV Yongming.Analysis of Mixed Development Baishan Pumped Storage Power Station[J].Northeast Water Resources and Hydropower，2012（10）：9-10.

[5] 耿克紅.抽水蓄能電站發(fā)展的政策環(huán)境瓶頸與建議[J].能源與環(huán)境，2011（5）：25-26.GENG Kehong.Policy Environment Bottlenecks and Suggestions on Development of Pumped Storage Power Station[J].Energy and the environment，2011（5）：25-26.

[6] 程路，白建華.新時(shí)期中國(guó)抽水蓄能電站發(fā)展定位及前景展望 [J].中國(guó)電力，2013（11）：155-159.CHENG Lu，BAI Jianhua.Development Orientation and Prospect of China Pumped Storage Power Station in the New Period[J].China Power，2013（11）：155-159.

[7] 林義國(guó).白云抽水蓄能電站工程效益與環(huán)境影響分析[J].能源與環(huán)境，2011（5）：58-59.LIN Yiguo.Engineering Benefit and Environmental Impact Analysis of Baiyun Pumped Storage Power Station[J].Energy and the Environment，2011（5）：58-59.

2017-06-22

2017-07-15

任志武（1971—），男，山西人，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：抽水蓄能規(guī)劃與建設(shè)。E-mail：zhiwu-ren@sgxy.sgcc.com.cn

何永勝（1972—），男，河南人，高級(jí)工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)和水電工程規(guī)劃。E-mail：yongsheng-he@sgcc.com.cn

胡小麗（1985—），女，陜西人，注冊(cè)咨詢(xún)師，工程師，主要研究方向：動(dòng)能經(jīng)濟(jì)、風(fēng)光電工程規(guī)劃等設(shè)計(jì)與研究工作。E-mail：huxiaoli2007 @sina.com

盧錕明（1987—），男，陜西人，工程師，主要研究方向：動(dòng)能經(jīng)濟(jì)、風(fēng)光電工程規(guī)劃、水環(huán)境等設(shè)計(jì)工作。E-mail：398303914@qq.com

Benefit Analysis and Development Suggestions for Conventional Hydropower Development Combined with Pumped Storage

REN Zhiwu1，HE Yongsheng2，HU Xiaoli3，LU Kunming3
（1.State Grid XinYuan Company Ltd.，Beijing 100761，China ；2.State Grid Corporation of China，Beijijng 100031，China；3.Northwest Engineering Corporation Limited，Xian 710065，China）

This paper analyzes the comprehensive benefit of the conventional hydropower combined with the development of the pumped storage power station，takes a cascade hybrid pumped storage site in the northwest region as an example to analyze the direct economic benefits，the capacity efficiency，the peak shifting efficiency，the rotation reserve benefit and so on.The results show that the conventional hydropower combined with the development of pumped storage has significant economic and social benefits.Finally，some suggestions are put forward for the development，which is of great significance to promote the development.

conventional hydropower; pumped storage power station；mixed pumped storage power station；benefit analysis

TK71

A學(xué)科代碼：480.6030

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.004

國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司科技項(xiàng)目（52570015007J）。