混合式抽水蓄能电站的应用发展分析

4
82.9
57%
41.1%
日本
ห้องสมุดไป่ตู้25
1143.9
17
550.9
68%
48.1%
中国
2
3.3
2
3.3
100%
100%
注：1991 年和 2000 年，潘家口和响哄甸两座混合式抽水蓄能电站投入运行，总可逆装机容量达到 35
万 kW。
如今，抽水蓄能技术和电网技术取得了很大的进步，人们对抽水蓄能电站的认识也步入 了新的境界。在许多发达国家的电网中，抽水蓄能电站的调峰填谷作用已经不是其主要效益 来源（如美国的汤姆索克抽水蓄能电站装机容量年利用小时数仅为 34 小时，卡宾溪抽水蓄 能电站也只有 216 小时），它更主要的是充当电力系统的管理工具：调频、调相、负荷跟踪 和事故备用等，以提高供电质量和维持电力系统的稳定安全运行为主。随着可开发利用水利 资源日趋枯竭，和人们对环境保护、生态保护要求的不断增高，电网中水电比例日趋下降； 此时，在常规水电站中增加可逆机组以形成混合式抽水蓄能电站，终于显示出了优势。动态 效益所占比重的增加使混合式电站的经济效益有了进一步的保障，自身建设对环境的“零” 污染使其更容易立项，建设周期的大大缩短使其更易于满足电网的需要。相信，混合式电站 将得到一定规模的再次开发。
另外，潘家口抽水蓄能电站，在电力系统中调峰填谷调节容量约 344MW，使调峰出力 增加了 4.6 倍，保障了火电机组更好地处于高效运行状态，减少了火电机组因参与调峰填谷 时产生的能耗比率增高所造成的损失，每年可为国家节约燃料费用约 0.72 亿元；节约替代 电站基本建设费 2.4 亿元以上。仅此收益，推算可在 12 年内回收总投资；综合收益效益更 大。
由于这些年推行电力系统体制改革，但两部制电价的具体定位较难，施行进程较慢，抽 水蓄能电站的投资风险加大，在一定程度上将影响到抽水蓄能电站建设的步伐。此时，电站 的建设和运行成本对于抽水蓄能电站越来越重要，在已建水电站特别是梯级开发的已建水电 站中适当扩建可逆机组以满足电网发展的需求，不仅解决了实际问题，而且具有非常大的经 济优势，可视为将来抽水蓄能电站的一条出路和延续。
常规电站扩建为混合式电站为电网中建设大调节容量、长调节周期蓄能电站，提供了更 加广阔的选择空间。因为混合式电站一般都可以利用具有较大容量的水库，其调节周期更长， 可以进行周、旬、甚至是月调节，因而可以更充分地发挥抽水蓄能电站的作用。它对电网的 调节能力更强，故对于火电机组的稳定运行、电网的安全运行和保证电网的输电质量都显得
考虑到当初规划设计时的局限，许多老式常规水电站增机扩容已成为一种共识；像这样 已扩、待扩的电站有很多，如新安江电站，近年来其装机容量就从原先的 66.25 万 kW 扩增 到了 81 多万 kW。纵观中国电网发展的趋势，各地区电网必将联合成全国性的电网，以增 强各地区之间的互补和协调。考虑将电网中已建常规水电站扩建为混合式电站就具有了现实 意义：它可以为地区电网甚至是全国电网提供调峰、调频、调相和备用服务，具有发展价值。
综上，扩建响洪甸为混合式抽水蓄能电站，可增加的高峰电量与输入的低谷电量之比达 1.41，即使考虑原电站低谷电量有所减小，增加高峰电量与消减低谷电量之比也达 1.0，可 见建设混合式抽水蓄能电站的优势。
除发电效益增大外，因扩建可逆机组，增加了一条新的发电泄水通道，水库增加放水流 量近 200m3/s，更利于水库的防洪调度，大幅提高了水库的安全程度；同时，可满足最大灌 溉放水流量的要求，避免了响洪甸水库和佛子岭水库灌溉期泄流能力不足、需要泄洪隧洞补 充泄水灌溉的问题，减少灌溉弃水年均 2.4 亿 m3，方便了灌溉放水的运行，减少了灌溉用 水与发电用水的矛盾，有利于泄洪建筑物的安全和水库管理。同时，抽水蓄能电站的建设还 有利于所在水库群实行合理的联合调度，年均增加水库群灌溉供水量 300 多万 m3。随着灌 溉及城市供水量的增加，其联合调度增加供水量的效益将进一步提高。
水库群中的响洪甸、佛子岭、磨子潭及白莲崖水库共同承担灌溉及下游城市供水任务， 因佛子岭、响洪甸电站原有发电流量共计 200m3/s 左右，小于灌溉渠道设计流量(300m3/s)， 水库群灌溉水量和流量的分配受到发电流量限制，不能实行水库群内的合理调度。根据设计 计算和近年来水库运行统计，响洪甸水库平均年弃灌溉水 1.3 亿-1.5 亿 m3，佛子岭水库年均 弃灌溉水 0.6 亿-1.0 亿 m3，两水库发电水量利用率仅 70%-75%，发电效益受到很大影响。 响洪甸电站原有 4 万 kW 常规发电机组，年发电量为 0.9 亿 kWh，电站没有保证出力，不能 承担电力系统正常的调峰任务。
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更为重要，整个电网的节煤效应也将更加明显 。
2.2 潘家口、响洪甸混合式电站的经验分析
潘家口抽水蓄能电站是我国第一座实际意义上的大型混合式电站，它分为上池和下池两 部分。上池大坝中安装有一台常规水轮机组和三台抽水蓄能机组，总装机容量为 420MW （150+90×3）；下池大坝中安装有两台贯流式机组，装机容量 10MW。潘家口水利枢纽原初 步设计是一座常规水电站，总装机容量为 3×60MW，多年平均发电量为 3.56 亿 kWh。其中 替代容量为 93MW，峰荷电量 1.32 亿 kWh，非峰电量 2.24 亿 kWh，在系统中的作用是以 水定电、调峰运行。从初步设计与现实对比中可以看出，潘家口抽水蓄能电站现状较初步设 计扩大装机容量 2.3 倍；年发电量由 3.56 亿 kWh 增加到 5.93 亿 kWh，是原设计的 1.7 倍； 峰荷电量由 1.32 亿 kWh 增加到 4.82 亿 kWh，是原设计的 3.7 倍；替代容量由 93MW 增加 到 235.5MW，增加 2.5 倍[2]。
常规水电站增加可逆机组可以有效解决部分电网扩容的需求，减少火电装机，并提高火 电机组的利用率；同时，抽蓄具有火电、核电、燃气电站等无法比拟的灵活运行能力和强大 的调峰能力。并且，已经建成的水库，可以直接用于抽蓄机组蓄水发电，只需增建水道和厂 房系统，因而可大大减少投资。因为可以利用已建电站的现有地质资料和施工记录，可缩短 前期勘测、设计工作周期。增机完工后，还可以适当借助原电站的输变电系统，吸收部分已 建电站的运行、维护和管理人才，从而大大降低可逆机组的运行维护费用；同样，这对于已 建常规电站降低运行成本并向现代化管理调度方向改进是一个非常好的契机。
响洪甸水库扩建蓄能电站以后，发电流量增加到 300 m3/s，相当于灌区渠首工程最大引 进流量，与佛子岭水库配合，完全能满足灌溉放水流量的需要，水库群可根据各水库的蓄水 量、来水量和库容等条件，实行联合补偿调度，合理地分配灌溉供水流量和水量。
电站扩建 8 万 kW 可逆机组以后，原常规机组季节性发电容量 4 万 kW 也可转化为电力 系统替代容量，共可调峰 12 万 kW，抽水填谷 10.8 万 kW，电力系统每年可节省煤耗 3.9 万 t，除具有纯抽水蓄能电站的一般作用和效益外，每年还可增加来水发电量约 4000 万 kWh， 以电力系统每天要求本电站调峰发电 4h 计算，蓄能发电量 9396 万 kWh，抽水填谷用电量
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2. 混合式水电站的优点
2.1 我国已建常规水电站中引入可逆机组的意义
建国以来，我国建造了许多大中型水电站。西部许多地区的电网中，水电至今仍占据比 较大的份量。它们在我国的经济困难时期以及近 30 年来的经济腾飞中发挥了举足轻重的作 用。
随着国民经济的快速发展，电网装机容量飞速增加，现在我国已经形成了火主水辅的电 网格局，特别是东部经济相对发达但又缺乏水电资源的华东等地区，电网中水电比例极低， 电网调峰主要依靠火电、燃气电站和少量常规水电站；虽然近年陆续建成一批大中型抽水蓄 能电站，缓解了调峰填谷的矛盾，但随着经济的不断蓬勃发展、人民生活水平的不断提高， 以及核电、风电、太阳能电的不断开发，电网中调峰容量的需求必将日益扩大。华东华南等 地区有相当数量的抽水蓄能电站正在建设或者已经立项；但这些地区的可开发水电资源已近 枯竭，长远来看电网调峰电源仍显不足，抽蓄装机在电网中所占比例也将远远低于其 8%~14%的合理比例。
增建可逆机组，可以置换出电网中用以调峰的火电机组，从而降低电网中的单位煤耗率， 并且可以减少火电系统中 CO2、CO、SO2 等废气排放量，减轻电力系统在环境保护方面的 投资压力；同时，增建可逆机组还可以置换出原电站的重复容量、备用容量，大大减少原先 电网中的弃水调峰现象，避免水资源的浪费，并且提高了常规装机容量的利用率。另外，在 已建常规水电站中扩建可逆机组，因为一般不需增加库容，不需建新坝（不另建水库时）， 不会引起局部环境的改变，故社会压力较小，工程进展将较顺利。
从响洪甸混合式抽水蓄能电站可以看出，梯级电站中扩建可逆机组将产生更大的综合效 益，佛磨混合式抽水蓄能电站的建成投产验证了在梯级电站中扩建可逆机组的经济可行性。
因为电站的改造扩容，可逆装机与常规机组在高峰期同时顶峰工作，将非峰电量大量转 移到峰荷时段；另外，可逆装机直接置换出了常规电站里的备用装机，洪水期或者来水量大 时，直接作为常规机组利用弃水发电。因而，电站的发电方式也扩大到三种：抽水蓄能发电 1273 亿 kWh；将常规机组所发的非峰电量转换成峰荷电量 16068 亿 kWh；利用弃水发电 1273 亿 kWh；合计 40418 亿 kWh，抽水发电综合效率为 79.8%。电站的峰荷发电增量与蓄能机 组抽水耗电相比为 140%。
表 1 为意、法、日、中各国六十到七十年代投产抽水蓄能电站和混合式电站的数量统计 [1]：
国家
抽蓄电站数 量（座）
表 1 各国六、七十年代建成抽蓄电站情况
抽蓄电站装 混合式电站 机（万 kW） 数量（座）
混合式电站 装机（万
kW）
电站比重
装机比重
意大利
5
211.3
2
53.3
40%
25.2%
法国
7
201.5