太原抽水蓄能電站建設(shè)必要性分析

王前洪

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司山西太原030024）

0 引言

山西省由于現(xiàn)代工業(yè)化的快速發(fā)展，用電需求逐年遞增。因此，建設(shè)一批調(diào)節(jié)性能良好、經(jīng)濟效益高的抽水蓄能電站是滿足未來電網(wǎng)調(diào)峰需求、保障未來電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行以及提升山西省電力系統(tǒng)接納新能源能力的迫切需求。

當前，國家積極推進抽水蓄能建設(shè)，為太原抽水蓄能電站的建設(shè)創(chuàng)造了有利條件。筆者將從山西省電網(wǎng)系統(tǒng)容量需求和調(diào)峰需求、電網(wǎng)可靠運行需求、環(huán)境效益、經(jīng)濟性、華北電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化的需求以及抽水蓄能電站建設(shè)條件六個角度對太原抽水蓄能電站建設(shè)的必要性展開分析。

太原抽水蓄能電站規(guī)劃位于太原市陽曲縣西凌井鄉(xiāng)前斧柯村，距太原市中心城區(qū)20 km。電站規(guī)劃裝機容量為1 600 MW，安裝4 臺400 MW 可逆式水泵水輪機組，額定水頭503 m，距高比4.91。電站規(guī)劃年發(fā)電量20.45 億kWh，抽水電量27.3 億kWh。電站樞紐工程由上水庫、下水庫、地下廠房、輸水發(fā)電系統(tǒng)以及地面開關(guān)站等建筑物組成。上水庫總庫容897.2 萬m3。下水庫利用汾河二庫，總庫容1.33 億m3。地下廠房系統(tǒng)由地下主副廠房、主變洞和尾水閘門室等組成。輸水發(fā)電系統(tǒng)采用一管兩機的布置方式，引水隧洞采用鋼筋混凝土襯砌，輸水系統(tǒng)長度2.2 km。經(jīng)初步估算，工程總投資78 億元，其中靜態(tài)總投資68.28 億元，單位千瓦靜態(tài)投資4 268 元。

電站建成后系統(tǒng)中承擔調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動等任務，還可新增約8 000 MW風電、光伏等新能源的調(diào)節(jié)能力。

1 必要性分析

1.1 緩解山西電網(wǎng)系統(tǒng)容量需求和調(diào)峰需求

根據(jù)《山西省抽水蓄能中長期規(guī)劃（2021-2035）》有關(guān)數(shù)據(jù)預測，山西電網(wǎng)在2030年系統(tǒng)最大負荷將達到60 720 MW，2035年將達到76 560 MW，同時考慮到未來光伏、風電等新能源電力將成為山西電力系統(tǒng)中的主體，2030年新能源裝機容量達到105 000 MW，在電力系統(tǒng)總裝機容量中占比51.3%。2035年山西省新能源裝機容量將達到150 000 MW，在電力系統(tǒng)總裝機容量中占比61.9%，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展、用電量的提高，同時新能源裝機比例的提高，由于其出力不穩(wěn)定的特點，電網(wǎng)調(diào)峰需求將會越來越大。

然而，現(xiàn)階段山西電網(wǎng)的調(diào)峰主要靠火電壓負荷運行及少量的常規(guī)水電，已建的抽水蓄能電站僅西龍池一座，根據(jù)2030年電源規(guī)劃成果，供熱機組容量為41 620 MW，在冬季實行“以熱定電”的背景下，電力系統(tǒng)的調(diào)峰和事故備用容量顯著缺乏，從而被迫超常規(guī)壓負荷運行大容量燃煤火電機組。通過調(diào)峰途徑分析可見，解決山西電網(wǎng)調(diào)峰的有效途徑主要就是新建抽水蓄能電站。

根據(jù)調(diào)峰容量平衡分析，考慮已建西龍池（1200MW），在建渾源（1 500 MW）、垣曲（1 200 MW）投產(chǎn)的情況下，2030年山西電網(wǎng)抽水蓄能電站新增經(jīng)濟需求規(guī)模達4 200 MW。因此，考慮靜態(tài)的節(jié)能效益和電力系統(tǒng)總體經(jīng)濟性，山西省2030年抽水蓄能合理規(guī)模約為8 100 MW。修建抽水蓄能電站來滿足山西電網(wǎng)調(diào)峰需求是解決電網(wǎng)負荷不均衡問題的有效途徑。同時，太原作為全省負荷中心，建設(shè)太原抽水蓄能站點在滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求上顯得尤為重要。

1.2 保障山西電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠、有效運行的需要

山西電網(wǎng)火電比重大，根據(jù)2019年的數(shù)據(jù)顯示，火電占山西電網(wǎng)系統(tǒng)總裝機容量的71.81%，水電和蓄能則僅占山西電網(wǎng)系統(tǒng)總裝機容量的2.41%?？梢?，山西電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)不平衡。尤其是只能位于基荷運行的熱電和出力波動極為頻繁的新能源電源比例的逐漸提高，按照規(guī)劃到2030年新能源裝機容量達到105 000 MW，在電力系統(tǒng)總裝機容量中占比51.3%，。2035年山西省新能源裝機容量將達到150 000 MW，在電力系統(tǒng)總裝機容量中占比61.9%，大大降低了電網(wǎng)運行的靈活性及應付突發(fā)事件的能力。

山西省風能資源豐富，并且主要分布大同等山西北部地區(qū)。但是，風能供電的連續(xù)性與穩(wěn)定性并不能得到保障，風速預測誤差也是造成風電功率不穩(wěn)定的主要原因之一，這使得風電并入電網(wǎng)后保持電力系統(tǒng)的實時平衡與安全穩(wěn)定運行面臨一定程度的困難。在電網(wǎng)中配置一定的變速抽水蓄能機組是針對上述問題的解決方法之一。首先，通過提高電站調(diào)節(jié)的速率，可對風力發(fā)電等連續(xù)性較差的出力過程起到更好的跟蹤效果，從而降低風電的不穩(wěn)定性對電網(wǎng)的沖擊。其次，水泵的輸入功率調(diào)節(jié)可以依賴對風電出力過程的靈活跟蹤，在保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的前提下，極大地提高了風電的利用率，是不可多得的優(yōu)良調(diào)節(jié)手段。

抽水蓄能電站運行靈活、反應迅速，在電力系統(tǒng)中承擔調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動等多種功能，能有效優(yōu)化電力來源結(jié)構(gòu)，在降低能耗的同時促進電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運行和供電可靠性。抽水蓄能電站還可以有效降低不穩(wěn)定電源對電力系統(tǒng)的沖擊，降低系統(tǒng)備用容量，在保證電力系統(tǒng)可靠度的前提下提高了電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。因此，新建抽水蓄能電站來調(diào)整電源結(jié)構(gòu)是保障山西電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的可行措施之一。同時，太原作為政治、經(jīng)濟、文化中心，建設(shè)太原抽水蓄能站點在保證省會太原能源安全上的作用是其他調(diào)峰電源都不能替代的。

1.3 節(jié)能減排、環(huán)境效益顯著

山西省電力系統(tǒng)中主要以燃煤火電為主，對煤炭等化石能源依賴程度較高。抽水蓄能電站可有效減少燃煤、燃氣、燃油的損失，部分抽水蓄能電站還可以建設(shè)科教基地、旅游景點，具有多重社會經(jīng)濟效益。

從節(jié)能效益來看，在以火電為主的山西電網(wǎng)，適當?shù)某樗钅茈娬镜慕ㄔO(shè)可以提高清潔能源在電源結(jié)構(gòu)中的占比，降低火電等傳統(tǒng)能源的裝機容量，優(yōu)化系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)，節(jié)省系統(tǒng)的投資和運行費用。抽水蓄能電站并入電網(wǎng)系統(tǒng)后，可使火電的煤耗下降，減少煤炭燃燒對環(huán)境的污染，也可減少水電汛期用電低谷時段的棄水，提高水資源利用率。經(jīng)電源優(yōu)化配置成果分析，山西電網(wǎng)2030年新增抽水蓄能容量5 000 MW，可替代燃煤火電5 270 MW，可減少火電煤耗48.3 萬t。

從環(huán)保效益來看，作為清潔能源，抽水蓄能電站基本不產(chǎn)生污染。而且，因為抽水蓄能電站代替燃煤發(fā)電，盡管系統(tǒng)中火電發(fā)電量有所提升，但火電機組運行條件的改善使得總煤耗有所降低，從而減少了大氣污染物的排放，具有良好的環(huán)境效益。經(jīng)電源優(yōu)化配置成果分析，山西電網(wǎng)新建5 000 MW 抽水蓄能電站，年可減少SO2排放2.16 萬t、減少氮氧化物排放6 140 t、減少CO 排放155.5 t、減少碳氫化物排放61.53 t、減少CO2排放114.55 萬t、減少飛灰12.17 萬t。建設(shè)太原抽水蓄能站點可有效助力太原完成盡早完成“碳達峰”、“碳中和”目標，實現(xiàn)轉(zhuǎn)型跨越發(fā)展。

1.4 提高山西電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性

抽水蓄能電站的工作原理是在系統(tǒng)負荷低谷時段將水從低處抽取到高處儲存能量，在系統(tǒng)負荷高峰時段發(fā)電，通過“移峰填谷”來降低系統(tǒng)峰谷差，是將系統(tǒng)價值低、多余的低谷電能轉(zhuǎn)換為價值高、必需的高峰電能的“循環(huán)器”。通過建設(shè)適當?shù)某樗钅茈娬緛砉?jié)省系統(tǒng)的投資和運行費用，是在電網(wǎng)系統(tǒng)缺少調(diào)峰電源時的有效調(diào)控策略。并且，抽水蓄能電站具有雙倍調(diào)峰效果，即在負荷低谷時抽水填谷、在負荷高峰時發(fā)電運行削峰，這種削峰填谷運行方式是其它常規(guī)電源都無法比擬的高效調(diào)峰手段。

隨著抽水蓄能電站的加入，將可充分發(fā)揮抽水蓄能電站容量效益，保障系統(tǒng)迎峰期間尖峰負荷供給，減少了系統(tǒng)為應對短時尖峰負荷的燃煤等火電機組裝機容量，最終達到節(jié)省系統(tǒng)的投資、運行費用、燃煤費用。同時，由于太原抽水蓄能站點由于規(guī)劃站址下水庫利用現(xiàn)有汾河二庫，可節(jié)省投資，項目建成后對電價影響較小，發(fā)電廠、電網(wǎng)、用戶端分擔成本較少。太原抽水蓄能站點的建設(shè)可提高山西電力系統(tǒng)經(jīng)濟性。

1.5 華北電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)調(diào)整和調(diào)峰電源優(yōu)化配置的需要

山西電網(wǎng)位于華北電網(wǎng)西部，除滿足本省自用外，還需要承擔京津唐地區(qū)以及特高壓配送電的重要任務。從華北地區(qū)的能源分布看，山西省具有豐富的煤炭資源，是華北電網(wǎng)的火電電源基地，除滿足自身的電力需要外，富余的電力將通過電網(wǎng)輸送到京津及冀北電網(wǎng)。為避免輸電通道發(fā)生事故對受端電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，在送端電網(wǎng)興建一定容量的抽水蓄能電站是保證送端電網(wǎng)和特高壓線路安全、穩(wěn)定運行的有效方法之一。因此，在山西省配置相當規(guī)模的抽水蓄能容量是有效保證華北電網(wǎng)的平穩(wěn)運行的重要手段。

1.6 太原抽水蓄能電站可行行簡要分析

太原抽水蓄能電站地理位置十分優(yōu)越，如圖1所示，靠近山西省負荷中心，具備非常方便的上網(wǎng)條件，與500 kv 太原北變電站相距僅15 km；工程區(qū)地形地質(zhì)條件較好，筑壩成庫和修建地下洞室條件較好，可利用汾河二庫作為下庫，節(jié)約工程投資和建設(shè)工期，工程建設(shè)方案可行；水庫淹沒及建設(shè)征地影響較小，無重要淹沒對象及敏感對象，不涉及搬遷安置人口，不占用耕園地；環(huán)境不利影響較小，不涉及自然保護區(qū)，不涉及飲用水水源保護區(qū)，不存在制約工程開工建設(shè)的特別敏感的環(huán)境保護目標；經(jīng)濟與財務指標優(yōu)越，具備較強的市場競爭力，是山西省內(nèi)不可多得的建設(shè)條件優(yōu)良的抽水蓄能電站站址。

圖1 山西省抽水蓄能項目位置分布圖

2 結(jié)語

綜上所述，通過分析山西電網(wǎng)調(diào)峰容量，2030年山西電網(wǎng)抽水蓄能電站配置的合理規(guī)模約為8 100 MW，新增經(jīng)濟需求規(guī)模達4 200 MW，太原抽水蓄能電站地理位置十分優(yōu)越，接入系統(tǒng)十分便利，無論是工程建設(shè)的相關(guān)條件還是各項經(jīng)濟指標均十分優(yōu)越，在系統(tǒng)中可承擔調(diào)峰、填谷、儲能、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等多項任務，并可配合風電、煤電等其他供電形式協(xié)同運行。因此，為兼顧山西省電網(wǎng)的發(fā)展需要和平穩(wěn)經(jīng)濟運行需求，十分有必要盡快開展太原抽水蓄能電站的建設(shè)。