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西電東送與水電裝機(jī)容量選擇論文
【摘要】我國(guó)水能資源主要蘊(yùn)藏在西部地區(qū)，在西部大開(kāi)發(fā)中，要加快西部水電開(kāi)發(fā)，實(shí)行“西電東送”。水電站向當(dāng)?shù)毓╇姾汀拔麟姈|送”向東南沿海地區(qū)供電，其差別在于輸電電壓的高低和輸電距離的遠(yuǎn)近，輸電距離越遠(yuǎn)，就要采用較高的電壓，輸電電壓越高、距離越遠(yuǎn)，輸電工程的投資就越大，一般說(shuō)遠(yuǎn)距離輸送尖峰負(fù)荷，季節(jié)性電能和備用容量是不經(jīng)濟(jì)的，因此當(dāng)水電站確定作為“西電東送”電源時(shí)，在裝機(jī)容量選擇的動(dòng)能經(jīng)濟(jì)計(jì)算就應(yīng)當(dāng)考慮遠(yuǎn)距離輸變電投資，水電站裝機(jī)容量就不可能選得過(guò)大。
其實(shí)水電“西電東送”，不僅會(huì)影響裝機(jī)容量的選擇，還會(huì)影響水電站水庫(kù)的正常高水位和死水位的選擇。正常高水位的高低直接影響壩高，決定著建筑工程量和工程要花費(fèi)的人力、物力和資金，以及水庫(kù)淹沒(méi)損失與之相應(yīng)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失等；另一方面，正常高水位的高低又決定著水庫(kù)的大小和調(diào)節(jié)性能，水電站的水頭、出力和發(fā)電量，以及防洪、灌溉、給水、航運(yùn)、養(yǎng)魚、環(huán)保、旅游等綜合利用效益，還決定著水電站工程滿足發(fā)電及各水利部門綜合用水要求的情況和水資源的利用程度。所以正常高水位選擇的影響因素很多，本文暫且不談，主要討論“西電東送”與水電裝機(jī)容量選擇。
一、傳統(tǒng)的水電站裝機(jī)容量選擇方法的缺點(diǎn)
水電站裝機(jī)容量是指水電站所有機(jī)組額定容量的總和，它是水電站的主要參數(shù)之一。裝機(jī)容量大小直接影響到水電站的規(guī)模和動(dòng)能效益、水能資源的利用程度及水電站的投資和設(shè)備的合理利用，它的選擇是一個(gè)比較復(fù)雜的動(dòng)能經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。還因?yàn)橐袷厮Y源綜合利用原則和動(dòng)力資源整體利用原則，只有從整體出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，正確處理好水電站與其他水利和動(dòng)力工程之間的關(guān)系和相互影響，才能選出經(jīng)濟(jì)合理的方案，發(fā)揮最大的國(guó)民經(jīng)濟(jì)效益。
我國(guó)傳統(tǒng)的選擇水電站裝機(jī)容量的方法，是從前蘇聯(lián)那里學(xué)來(lái)的，是符合電力工業(yè)垂直壟斷管理和計(jì)劃經(jīng)濟(jì)原則的。水電站裝機(jī)容量從規(guī)劃設(shè)計(jì)角度分為最大工作容量（或保證工作容量）、備用容量和重復(fù)容量三個(gè)部分。
最大工作容量，一般有調(diào)節(jié)水電站都是按符合設(shè)計(jì)保證率要求的日平均出力所能提供的能量，在設(shè)計(jì)水平年系統(tǒng)最高負(fù)荷日承擔(dān)尖峰負(fù)荷來(lái)確定其最大工作容量。
備用容量，即電力系統(tǒng)運(yùn)行所需的負(fù)載備用容量、事故備用容量和檢修備用容量。一般大型蓄水式水電站要多承擔(dān)負(fù)載備用和事故備用容量。
重復(fù)容量，當(dāng)水電站的最大工作容量和備用容量選定之后，如果豐水季節(jié)仍然會(huì)發(fā)生大量需水時(shí)，為了充分利用水能資源，就要設(shè)置重復(fù)容量，多發(fā)季節(jié)性電能。確定水電站安裝多少重復(fù)容 量的動(dòng)能經(jīng)濟(jì)計(jì)算中，一般只考慮增加重復(fù)容量所需要增加的水電站廠房和水輪發(fā)電機(jī)組的投資和運(yùn)行費(fèi)用，其效益是節(jié)省火電廠的煤耗。
設(shè)水電站重復(fù)容量補(bǔ)充千瓦投資和年運(yùn)行費(fèi)用分別為KH、μH、則增重復(fù)容量△NH所增加的投資為△K=KH.△NH，增加的年費(fèi)用為△μH=UH△NH；相應(yīng)增加的年季節(jié)電能為△EH=△NH.HD（HD為經(jīng)濟(jì)利用小時(shí)數(shù)/年），所節(jié)省的火電廠煤耗費(fèi)用為△B=1.05.△Ehbs(1.05為折算系數(shù)，b為單位燃料消耗kg/kw.h.s為燃料價(jià)格元/kg)。重復(fù)容量的經(jīng)濟(jì)壽命為n年，資金效益系數(shù)為ro。則設(shè)置補(bǔ)充千瓦重復(fù)容量的經(jīng)濟(jì)條件為：
△KH≤△B-△μH/1+r0 +△B-△μH/（1+r0）2+……+△B-△μH/（1+r0）n
相應(yīng)各項(xiàng)值代人上式并簡(jiǎn)化得：
KH≤（1.05hdbs-μH）*（1+r0）n-1/r0（1+r0）n
即：hd≥（KH*r0（1+r0）n/(1+r0)n-1+μH）/1.05bs
上式為多裝一千瓦重復(fù)容量的經(jīng)濟(jì)判別式，即多裝一千瓦重復(fù)容量的年利用小時(shí)數(shù)h,能滿足上式的條件，才能確定裝置重復(fù)容量的數(shù)值。
按照這種辦法來(lái)選擇裝機(jī)容量，如果是滿足當(dāng)?shù)叵臅r(shí)，可能出現(xiàn)以下問(wèn)題：
1、水電站投產(chǎn)初期裝機(jī)容量不可能全部利用。由于水電站的最大工作容量和備用容量是按水電站投產(chǎn)后十五年的電力系統(tǒng)負(fù)荷水平設(shè)計(jì)的，照理講要到十五年以后才能充分利用其全部裝機(jī)容量。特別是我國(guó)近幾年由于電價(jià)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重不合理，電力負(fù)荷曲線中的尖峰負(fù)荷偏高，峰谷差偏大，負(fù)荷率偏低；隨著電力市場(chǎng)化改革，電價(jià)結(jié)構(gòu)趨向合理化，再加上推行電力需求側(cè)管理，電力負(fù)荷曲線形狀變化，尖峰負(fù)荷比例下降，負(fù)荷率提高，水電站的工作容量和備用容量也可能出現(xiàn)不能全部利用。此外，還有水電站設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性也有極大關(guān)系。
現(xiàn)在有些水電站投產(chǎn)后，特別是碰到負(fù)荷增長(zhǎng)率沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的水平，新建水電站的裝機(jī)和發(fā)電量未能充分利用，就大肆譴責(zé)電力系統(tǒng)調(diào)度不公，這是不合情理的。水電站投產(chǎn)初期，最大工作容量和備用容量小，多余的容量只能算是重復(fù)容量，重復(fù)容量發(fā)出的重復(fù)電能，只能替代火電廠的煤耗，只有把電價(jià)降下來(lái)才能讓已有的火電廠停下來(lái)。如果新建水電站非要賣高價(jià)，又要讓已有火電廠停下來(lái)，這是不符合市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)原則的。
這就是說(shuō)，在水電站設(shè)計(jì)中，如何確定設(shè)計(jì)水平年？如何預(yù)測(cè)電力負(fù)荷？如果確定負(fù)荷曲線形狀？對(duì)水電站裝機(jī)容量選擇關(guān)系極大，值得認(rèn)真研究。
2、水電站保證率偏低對(duì)電力系統(tǒng)危害甚大，水電站保證率的大小，對(duì)水電站工作容量大小影響極大，目前水電站設(shè)計(jì)保證率定得較低，對(duì)電力系統(tǒng)的危害甚大，在水電站設(shè)計(jì)中，選擇水電站的設(shè)計(jì)保證率時(shí)，要求分析水電站所在電力系統(tǒng)的用戶組成和負(fù)荷特性，電力系統(tǒng)中水火電站的比重，河川經(jīng)流特性及水庫(kù)的調(diào)節(jié)性能，以及保證系統(tǒng)用電可能采取其他備用措施等，由于情況復(fù)雜，不易用數(shù)字來(lái)準(zhǔn)確表達(dá)，一般都采用規(guī)程推薦的數(shù)字來(lái)選用。目前水利水電工程設(shè)計(jì)規(guī)范所推薦的數(shù)字比較低，如規(guī)程規(guī)定，電力系統(tǒng)中水電容量比重為25%以下，采用80%-90%；比重在25%-50%時(shí)，采用90%-95%；比重為50%以上時(shí)，采用95%-98%。現(xiàn)在一方面知識(shí)經(jīng)濟(jì)，信息經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展對(duì)供電可靠性提出越來(lái)越高的要求，另一方面氣候的異常變化和人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響使河川經(jīng)流發(fā)生很大的變化，水電站一旦遇到枯水年和特枯水年，將對(duì)國(guó)民造成巨大損失。
美國(guó)加州2000年夏季天氣酷熱、負(fù)荷劇增，而酷熱的天氣往往降雨量大大減少，水電站的發(fā)電能力和發(fā)電量大減；火力發(fā)電廠由于天然氣價(jià)格暴漲也減少發(fā)電，結(jié)果促成了加州電力危機(jī)。我國(guó)四用省原來(lái)發(fā)電能力有富裕，2000年二灘水電站投產(chǎn)后，電能無(wú)法消納，全國(guó)嘩然；但是到2001年春季，四川省卻出現(xiàn)了缺電，原因是全省水電站出現(xiàn)了枯水。還有湖北省，原來(lái)是我國(guó)電力供應(yīng)最富足的省區(qū)之一，但自2001年12月份以來(lái)，湖北持續(xù)寒冷的氣溫，使用電負(fù)荷陡增，由于火電廠燃料嚴(yán)重不足和水電站來(lái)水不足，（2001年6月中旬至10月15日，湖北降雨量偏少，承擔(dān)湖北電力45%供應(yīng)量的各大水庫(kù)，蓄水同比減少四至五成，有的接近死水位，相當(dāng)部分水電機(jī)組難以發(fā)電）， 出現(xiàn)了嚴(yán)重缺電和拉閘限電，幸好鄰近地區(qū)給予支持，遂使缺電局面的深度有所降低。
在垂直壟斷，統(tǒng)收統(tǒng)支的計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制下，發(fā)電、輸電、配電統(tǒng)一核算，反正肉爛在鍋里，由電力系統(tǒng)統(tǒng)一負(fù)責(zé)，對(duì)電力用戶拉閘限電造成的經(jīng)濟(jì)損失由用戶自己負(fù)擔(dān)，水電站碰到枯水年，特枯水年保證率破壞，電力系統(tǒng)不致于造成多大損失。但是隨著電力體制改革的進(jìn)行，實(shí)行廠網(wǎng)分開(kāi)，竟價(jià)上網(wǎng)，健全合理的電價(jià)形成機(jī)制以后，水電站保證率破壞所造成的經(jīng)濟(jì)損失，就應(yīng)當(dāng)由水電站來(lái)負(fù)擔(dān)；一方面對(duì)鄰近電網(wǎng)支持的電力要支付高價(jià)，對(duì)用戶拉閘限電要進(jìn)行賠償。因此，對(duì)于水電站設(shè)計(jì)保證率的選取要持慎重態(tài)度，對(duì)降低水電站設(shè)計(jì)保證率要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。
3、水電站增加重復(fù)容量要考慮季節(jié)性電能的消納。為了減少水電站的棄水，設(shè)置重復(fù)容量，多發(fā)季節(jié)性電能，以減少棄水是對(duì)的。特別是由于將來(lái)在上游梯極水電站水庫(kù)的修建，對(duì)河川經(jīng)流進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，可以提高水電站的保證出力，有可能使重復(fù)容量和季節(jié)性電能部分或全部轉(zhuǎn)化為工作容量和保證電能。但是水電站設(shè)置重復(fù)容量必須考慮電力系統(tǒng)吸收季節(jié)性電能的能力，這個(gè)問(wèn)題在水電比重小的東北、華北、華東等地區(qū)不突出、但是對(duì)于水電比重大、季節(jié)性電能多的西南地區(qū)問(wèn)題就很突出。前面介紹確定水電站重復(fù)容量的動(dòng)能經(jīng)濟(jì)計(jì)算的缺點(diǎn)，是不考慮電網(wǎng)對(duì)季節(jié)性電能的吸收能力，凡是電網(wǎng)不能吸收的季節(jié)性電能，是沒(méi)有節(jié)約大電廠發(fā)電煤耗的效益的，其價(jià)值為零；另一個(gè)問(wèn)題是，在重復(fù)容量的動(dòng)能計(jì)算中，其投入部分只考慮水電站增加的投資和年運(yùn)行費(fèi)用，包括輸電損失。正是由于在確定水電站重復(fù)容量的 動(dòng)能計(jì)算中存在一些問(wèn)題，使得水電站的重復(fù)容量過(guò)多過(guò)大，在水電比重大的電力系統(tǒng)中出現(xiàn)大量棄水電能。
目前我國(guó)南方一些水電比重大的省份，每年訊期都為減少棄水電能費(fèi)盡心機(jī)，有的省區(qū)確實(shí)有一些該停發(fā)的火電沒(méi)有停下來(lái)，增加了棄水電能；但也有些省、區(qū)確實(shí)無(wú)法消納全部季節(jié)性電能引起棄水。在水電比重大，重復(fù)容量多的電網(wǎng)，要想做到完全不棄水是不可能的。1984年當(dāng)時(shí)中央領(lǐng)導(dǎo)視察劉家峽水電站，廠長(zhǎng)匯報(bào)時(shí)說(shuō)，劉家峽水電站每年要棄掉電能8億多千瓦時(shí)，浪費(fèi)了水能資源。當(dāng)時(shí)中央領(lǐng)導(dǎo)指示將棄水電能送到蘭州和十八個(gè)干旱縣用于電炊，蘭州每千瓦時(shí)4分，干旱縣農(nóng)村每千瓦時(shí)3分，后來(lái)發(fā)現(xiàn)所謂棄水電能大部分屬于不能過(guò)機(jī)發(fā)電的洪水，少部分是由于劉家峽訊期調(diào)峰棄掉的后夜低谷電能，這部分棄水電能在后夜，是不可能用于居民電炊的（因?yàn)榫用癫豢赡茉诎胍估镒鲲堄秒姡Ｄ戏接行┦∷娬局貜?fù)容量過(guò)多，出現(xiàn)夏季水電站被迫棄水棄電，而冬季又出現(xiàn)出力和電量不足；小水電調(diào)節(jié)性能差，有雨就有電，無(wú)雨就無(wú)電，季節(jié)性電能很多；大中型水電站調(diào)節(jié)性能差，季節(jié)性電能也不少，結(jié)果在訊期只能采取等比例棄水，以求得公平合理。正是由于這個(gè)原因，有的省就是提出水火比例失調(diào)，要求增加火電比重，以吸納水電站季節(jié)性電能。實(shí)際上解決辦法有兩條，一條是放慢水電開(kāi)發(fā)，增加火電比重；另一條是繼續(xù)加大水電開(kāi)發(fā)，減少水電站的重復(fù)容量。從能源資源合理利用，節(jié)省煤炭、石油、天然氣等化石燃料，保護(hù)生態(tài)環(huán)境出發(fā)，還是加大水電開(kāi)發(fā)，多建調(diào)節(jié)性能好的水電站，減少水電站的重復(fù)容量為好�？傊倪M(jìn)水能設(shè)計(jì)方法，水電站增加重復(fù)容量要考慮季節(jié)性電能的消納問(wèn)題。
二、“西電東送”要改進(jìn)水電站裝機(jī)容量選擇
西部水電站就地利用與西部水電站“西電東送”，在裝機(jī)容量選擇上是有差別的。西部水電就地利用時(shí)，可以承擔(dān)系統(tǒng)尖峰負(fù)荷，承擔(dān)電力系統(tǒng)的備用容量，還可以根據(jù)當(dāng)?shù)貙?duì)季節(jié)性電能接納程度，增加重復(fù)容量；當(dāng)西部水電站“西電東送”時(shí)，由于要通過(guò)長(zhǎng)距離高壓輸電線輸送，要增加輸變電工程投資和運(yùn)行費(fèi)用，所以一般不宜送尖峰負(fù)荷和備用容量（水電站可以承擔(dān)廠內(nèi)備用），至于季節(jié)性電能，要看受端電網(wǎng)的年負(fù)荷曲線形狀，如受端電網(wǎng)負(fù)荷夏季高、冬季低，在經(jīng)濟(jì)合理的條件下，可以輸送部分比較穩(wěn)定可靠的季節(jié)性電能。總之，要根據(jù)受端電網(wǎng)的需求和經(jīng)濟(jì)合理性來(lái)選擇裝機(jī)容量；也就是要根據(jù)受端電網(wǎng)能接納的容量、電量和相應(yīng)的電價(jià)來(lái)確定水電站裝機(jī)容量的動(dòng)能經(jīng)濟(jì)計(jì)算。最好能在水電站設(shè)計(jì)前與受端電網(wǎng)簽訂購(gòu)售電合同，作為水電站選擇裝機(jī)容量的依據(jù)。也就是要以市場(chǎng)為導(dǎo)向來(lái)決定水電站的裝機(jī)容量。這就使得水電站裝機(jī)容量選擇變得復(fù)雜起來(lái)了。
1、當(dāng)水電站電能全部外送時(shí)，水電站裝機(jī)容量要按照受端電網(wǎng)的要求，在考慮水電站的投資加超高壓遠(yuǎn)距離輸變電工程投資，來(lái)選擇裝機(jī)容量和其他各項(xiàng)水電站的重要參數(shù)（包括正常高水位，死水位等）。
2、當(dāng)水電站電能部分外送，部分滿足當(dāng)?shù)仉娏π枨髸r(shí)，就要相應(yīng)按照外送的滿足當(dāng)?shù)仉娏π枨髢煞N要求來(lái)進(jìn)行裝機(jī)容量的選擇和設(shè)計(jì)。
3、如果水電站外送是暫時(shí)舉措，將來(lái)水電站的電能要轉(zhuǎn)為滿足當(dāng)?shù)匦枨蟮�，那么水電站裝機(jī)容量選擇是，既要考慮近期外送的裝機(jī)容量選擇和遠(yuǎn)期轉(zhuǎn)為內(nèi)需時(shí)的裝機(jī)容量選擇，在工程設(shè)計(jì)中要留有將來(lái)轉(zhuǎn)為內(nèi)需時(shí)進(jìn)行擴(kuò)機(jī)的可能。如廣西水能資源和化石能源都不算豐富，近期開(kāi)發(fā)龍灘水電站需要外送，從遠(yuǎn)期來(lái)看就有可能完全轉(zhuǎn)為本身用電，在這類水電站設(shè)計(jì)中心必須考慮兩種情況。
當(dāng)然水電站裝機(jī)容量選擇還必須考慮河流梯級(jí)開(kāi)發(fā)和綜合利用的要求。
三、結(jié)語(yǔ)
西部水電大開(kāi)發(fā)，西部地區(qū)水電比重必將上升。在“西電東送”的情況下，東部地區(qū)相應(yīng)的水電比重也會(huì)有一定程度的上升。大型、特大型水電站裝機(jī)容量的選擇是一個(gè)值得深入探討的問(wèn)題，總的原則是呀以市場(chǎng)為導(dǎo)向，按照市場(chǎng)的要求，經(jīng)濟(jì)合理地選擇水電站的裝機(jī)容量，凡是市場(chǎng)不能消納的容量和電量是毫無(wú)意義的。水電站的經(jīng)濟(jì)性不是表現(xiàn)在單位千瓦投資大小，關(guān)鍵是要看水電站的實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。其次，既要注意打破省間和地區(qū)間電力市場(chǎng)壁壘，也要避免片面強(qiáng)調(diào)水能資源的充分利用，因?yàn)樗苜Y源的充分利用，例如季節(jié)性電能的充分利用要考慮具體條件，要增加輸變電設(shè)備和投資，有時(shí)充分利用是得不償失的；當(dāng)大型、巨型水電站裝機(jī)容量過(guò)大時(shí)，水電站建成初期發(fā)生一定數(shù)量的棄水電能是不可避免的。三是我國(guó)東南沿海省區(qū)市的高峰負(fù)荷出現(xiàn)的夏季，有可能消納一部分西部的季節(jié)性電能；但是東南沿海地區(qū)獲得天然氣供應(yīng)之后，就有可能發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)，熱電冷聯(lián)產(chǎn)、冷電聯(lián)產(chǎn)，使電力負(fù)荷曲線的形狀發(fā)生變化；隨著電力市場(chǎng)的發(fā)展，電力需求側(cè)管理的推進(jìn)，也可能使負(fù)荷特性發(fā)生變化；不要對(duì)東部地區(qū)消納西部水電季節(jié)性電能寄予過(guò)高的期望。四是在西部水電大開(kāi)發(fā)時(shí)，要仔細(xì)研究水電站的設(shè)計(jì)保證率，要認(rèn)真吸取四川、湖北水電枯水出現(xiàn)缺電和拉閘限電的教訓(xùn)，在大規(guī)模的“西電東送”實(shí)施之后，如果發(fā)生枯水年，受影響的將不是幾個(gè)省，而是大半個(gè)中國(guó)。因此，一方面要適當(dāng)提高水電站的設(shè)計(jì)保證率，要做好水電站的調(diào)度運(yùn)行工作，另一方面受端電網(wǎng)一定要有足夠的備用容量，以防不側(cè)。
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