碳中和背景下南盤江下游平班至龍灘河段梯級開發(fā)研究

胡良和，朱 磊

(中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司，廣州 510610)

1 概述

二氧化碳的排放，帶來全球氣候變暖等一系列氣候和環(huán)境問題。為解決資源環(huán)境約束問題、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，中國制定了“力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略目標[1]。

水電作為綠色、清潔、靈活、可靠的可再生能源，一方面可以填補煤炭等化石能源發(fā)電量減少產(chǎn)生的電力缺口，另一方面可以調(diào)節(jié)新能源發(fā)電帶來的電網(wǎng)波動，保障電網(wǎng)運行的安全和穩(wěn)定，是促進碳中和實現(xiàn)的最佳能源方式之一[2-5]。

我國地勢特點西高東低，河流眾多且落差大，蘊藏了豐富的水能資源。據(jù)統(tǒng)計，我國水能技術可開發(fā)量6.87億kW[6]，主要集中于金沙江、長江干流、瀾滄江干流等十三大水電基地[7-8]，截至2021年底全國裝機容量達3.9億kW，每年為我國提供15%～30%的電力電量[9-11]。長江上游水電基地裝機容量0.33億kW，若開發(fā)完成每年平均可提供7 000億kW·h的清潔能源，相當于節(jié)約標準煤2.35億t，減少CO2排放5.76億t[12]。金沙江下游河段烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩4座梯級裝機容量合計1.58億kW，相當于節(jié)約標準煤0.58億t，凈減碳量為1.46億t[13]。為進一步建設清潔低碳、安全高效的能源體系，有關規(guī)劃要求將非化石能源消費比重提高到20%左右，并提出加快西南水電基地建設[14]。水電發(fā)展遠景規(guī)劃提出，2030年和2060年水電裝機容量分別為5.2億kW和7.0億kW，其中常規(guī)水電分別為4.2億kW、5.0億kW[15]。因此，水電開發(fā)在電力供應和減排降碳中發(fā)揮著重要的作用，未來仍有較大發(fā)展空間[1,16]。

龍灘水電站位于南盤江紅水河水電基地，屬多年調(diào)節(jié)水庫，汛期因為承擔下游防洪任務在汛限水位運行。由于受庫區(qū)淹沒等因素限制，現(xiàn)狀按375 m建設[17]，南盤江平班—龍灘河段尚有約28 m的發(fā)電水頭未被利用[18]。為合理開發(fā)水能資源，滿足社會經(jīng)濟發(fā)展對清潔可再生能源、碳排放的更高要求，研究該河段的梯級開發(fā)方案，并對開發(fā)方案進行效果評價，對其他大型多年調(diào)節(jié)水庫庫尾河段梯級開發(fā)具有一定參照價值。

2 平班至龍灘河段概況

南盤江紅水河水電基地是指從南盤江的天生橋到黔江的大藤峽，河段全長為1 050 km，落差為760 m，規(guī)劃有天生橋一級、天生橋二級、平班、龍灘等11座梯級(見圖1)，總裝機容量為1 430萬kW。其中，平班水電站為紅水河梯級規(guī)劃的第3座梯級，裝機容量為40.5萬kW，正常蓄水位為440 m；龍灘水電站為紅水河梯級規(guī)劃的第4座梯級，裝機容量為490萬kW。

圖1 紅水河梯級開發(fā)縱剖面及平面位置示意

龍灘水電站分兩期開發(fā)，即正常蓄水位按遠期400 m設計，初期按375 m建設。龍灘現(xiàn)狀前汛期(4月1日—7月15日)庫水位在汛限水位359.3 m運行，后汛期(7月15日—8月31日)庫水位在365.85 m運行，枯水期逐步消落至死水位330 m運行；龍灘遠期正常蓄水位400 m方案(以下簡稱龍灘400 m方案)前汛期庫水位在汛限水位385.4 m運行，后汛期庫水位在394.2 m運行，枯水期逐步消落至死水位340 m運行。由于庫區(qū)涉及6.3萬人的淹沒搬遷問題，龍灘400 m方案實施的難度越來越大，短期內(nèi)實施的可能性變小。另外由于龍灘具有年調(diào)節(jié)性能和承擔下游防洪任務，庫水位在正常蓄水位375 m與死水位330 m間消落，汛期在汛限水位運行，年內(nèi)大多數(shù)時間庫水位均較低，與上游平班梯級水位不銜接。因此，平班～龍灘河段尚有約28 m的發(fā)電水頭未被利用。

此外，平班壩下31 km河段航道灘多流急，水位時變幅最高可達3 m，年內(nèi)出現(xiàn)水位時變幅大于1 m的天數(shù)約320 d，航道維護困難且費用較大，難以滿足規(guī)劃的IV級航道要求。

3 梯級開發(fā)方案

3.1 河段發(fā)電水頭分析

龍灘梯級工程開發(fā)任務以發(fā)電為主，兼有防洪、航運及水資源配置等綜合利用，屬多年調(diào)節(jié)水庫，受運行調(diào)度要求和水情限制，庫水位在正常蓄水位375 m與死水位330 m之間消落。根據(jù)龍灘水電站2008—2012年共5 a的電站實際運行水位資料統(tǒng)計，保證率95%、50%相應的水位分別為333.21 m、351.17 m，實際運行中大部分年份有較長時間未與平班梯級銜接。遠期正常蓄水位400 m雖然能與平班銜接，但庫水位變化范圍為340～400 m，水位變幅達60 m，年平均水位約為383.8 m，年平均消落水頭達16.2 m，同樣存在庫水位有較長時間未能與上游梯級銜接的情況，且該方案由于淹沒太大、安置困難、補償費用高，近遠期均難以實施。因此，平班至龍灘河段內(nèi)尚有約28 m的發(fā)電水頭可轉(zhuǎn)變成清潔能源服務于經(jīng)濟社會。

3.2 梯級開發(fā)方案

1) 方案1：平班(440 m，40.5萬kW)+龍灘(375 m，420萬kW)。即現(xiàn)狀方案，龍灘受庫區(qū)淹沒限制按375 m建設，正常蓄水位未與平班尾水銜接，加上其多年調(diào)節(jié)的特性，水位大部分情況下偏低，因此南盤江下游平班～龍灘河段尚有較多的發(fā)電水頭未被利用。

2) 方案2：平班(440 m，40.5萬kW)+八渡(402 m，32萬kW)+龍灘(375 m，420萬kW)(見圖2)。在現(xiàn)狀方案基礎上，以不影響流域防洪和水資源配置、盡可能改善通航條件為原則，綜合考慮河段地形地質(zhì)條件、庫區(qū)淹沒敏感點及與上下游梯級水位銜接等因素，在八渡鎮(zhèn)上游約5 km處尾祖村新增八渡水電站，上距平班水電站約31 km、下距龍灘水電站約223 km，河床高程為370.90 m;按庫水位與上游平班水電站尾水銜接考慮，正常蓄水位擬定為402 m；按年裝機利用小時數(shù)約為3 000 h考慮，裝機容量擬定為32萬kW。

圖2 平班—龍灘河段梯級開發(fā)方案示意

4 梯級開發(fā)方案效果評價

4.1 多年平均發(fā)電量

根據(jù)受上游天生橋一級電站發(fā)電調(diào)節(jié)影響后的1971—2012年徑流系列和水電站庫容曲線、水位流量關系、出力限制線、調(diào)度圖等資料和參數(shù)進行電能計算。計算公式如下：

N=A×Q×H

(1)

E=N×t

(2)

式中:

N——發(fā)電機組出力，kW；

Q——機組過流量，m3/s；

H——凈水頭，m；

E——發(fā)電量，kW·h；

t——時間，h。

不同方案下，平班—龍灘河段水電站多年平均發(fā)電量見表1。由表1可知，增加八渡水電站32萬kW裝機后，河段總裝機容量從530.5萬kW增加至562.5萬kW，約增加6.0%；河段多年平均發(fā)電總量從172億kW·h增加至182.5億kW·h，約增加6.1%。其中，八渡水電站多年平均發(fā)電量10.7億kW·h，平班水電站由于尾水受八渡回水影響多年平均發(fā)電量減少了0.2億kW·h，即多年平均發(fā)電量凈增加10.5億kW·h。按上網(wǎng)電價0.4元/(kW·h)計算，則多年平均發(fā)電效益增加4.2億元。

表1 不同開發(fā)方案下河段水電站多年平均發(fā)電量

4.2 減少CO2排放量

水電開發(fā)一方面替代化石能源、增加植被面積而減少碳排放，另一方面水庫蓄水而增加碳排放，但絕大部分是替代化石能源減少的碳排放量[12]，因此本文僅計該部分減碳量。根據(jù)中國電力傳媒集團能源情報中心《中國能源大數(shù)據(jù)報告(2019)》，單位發(fā)電量對應的標準煤消耗量為3.08萬t/(億kW·h)，根據(jù)國家發(fā)展改革委公布的標準煤CO2排放系數(shù)為2.5 (t CO2)/(t標準煤)，因此可將水電站發(fā)電量轉(zhuǎn)換為標準煤消耗量和減少CO2排放量，計算公式如下：

C=E×S×P

(3)

式中:

C——減少CO2排放量，萬t；

S——單位發(fā)電量標準煤消耗量，萬t/(億kW·h)；

P——標準煤CO2排放系數(shù)，(t CO2/t標準煤)。

不同開發(fā)方案下，平班—龍灘河段水電站年均減少CO2排放量見表2。由表2可知，與現(xiàn)狀梯級開發(fā)方案相比，增加八渡水電站32萬kW裝機后，由于多年平均發(fā)電量凈增加了10.5億kW·h，相當于節(jié)約標準煤32.3萬t，減少CO2排放80.9萬t。根據(jù)全國2020年碳排放權交易試點省市碳市場成交均價35.49元/t估算，減少CO2排放經(jīng)濟價值約為0.29億元/a。

表2 不同開發(fā)方案下水電站減少CO2排放量 萬t

4.3 改善河段通航條件

受龍灘運行方式及上游電站調(diào)峰限制，八渡梯級以上河段航道灘多流急，彎道大，通航安全性和保證率低，遠達不到95%的IV級航道設計通航保證率標準。河段增加八渡梯級后，平班～八渡31 km天然河段變成庫區(qū)深水航道，顯著減少航道灘險整治、疏浚與維護費用，提高了航道的安全性和保證率。

5 結語

龍灘水電站由于庫區(qū)淹沒等因素限制現(xiàn)狀按375 m建設和運行，未與上游平班尾水位銜接，通航保證率低，另外由于承擔防洪任務和年調(diào)節(jié)特性年內(nèi)大多數(shù)時間庫水位較低，因此平班～龍灘河段尚有較多的發(fā)電水頭未被利用。本文以不影響流域防洪和水資源配置、盡可能改善龍灘庫區(qū)通航條件為原則，綜合考慮河段地形地質(zhì)條件、庫區(qū)淹沒敏感點及與上下游梯級水位銜接等因素，在南盤江下游平班～龍灘河段增加八渡梯級，正常蓄水位402 m，裝機容量32萬kW。

與現(xiàn)狀開發(fā)方案相比，增加八渡梯級后，渠化了平班～八渡31 km通航河段，提高了河段通航保證率。每年增加發(fā)電量10.5億kW·h，相當于節(jié)約標準煤32.3萬t，減少CO2排放80.9萬t，平均每年增加經(jīng)濟效益4.49億元，其中發(fā)電效益4.2億元，減少CO2排放經(jīng)濟效益0.29億元。因此，在南盤江下游平班～龍灘河段增加八渡梯級帶來的經(jīng)濟效益顯著，有利于進一步實施“西電東送”，減少北煤南運，實現(xiàn)資源的優(yōu)化利用和可持續(xù)發(fā)展，有助于我國碳達峰、碳中和目標的實現(xiàn)。