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西電東送與水電裝機容量選擇論文
【摘要】我國水能資源主要蘊藏在西部地區(qū)，在西部大開發(fā)中，要加快西部水電開發(fā)，實行“西電東送”。水電站向當?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近，輸電距離越遠，就要采用較高的電壓，輸電電壓越高、距離越遠，輸電工程的投資就越大，一般說遠距離輸送尖峰負荷，季節(jié)性電能和備用容量是不經(jīng)濟的，因此當水電站確定作為“西電東送”電源時，在裝機容量選擇的動能經(jīng)濟計算就應當考慮遠距離輸變電投資，水電站裝機容量就不可能選得過大。
其實水電“西電東送”，不僅會影響裝機容量的選擇，還會影響水電站水庫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的人力、物力和資金，以及水庫淹沒損失與之相應的國民經(jīng)濟損失等；另一方面，正常高水位的高低又決定著水庫的大小和調(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、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”與水電裝機容量選擇。
一、傳統(tǒng)的水電站裝機容量選擇方法的缺點
水電站裝機容量是指水電站所有機組額定容量的總和，它是水電站的主要參數(shù)之一。裝機容量大小直接影響到水電站的規(guī)模和動能效益、水能資源的利用程度及水電站的投資和設備的合理利用，它的選擇是一個比較復雜的動能經(jīng)濟問題。還因為要遵守水資源綜合利用原則和動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，正確處理好水電站與其他水利和動力工程之間的關(guān)系和相互影響，才能選出經(jīng)濟合理的方案，發(fā)揮最大的國民經(jīng)濟效益。
我國傳統(tǒng)的選擇水電站裝機容量的方法，是從前蘇聯(lián)那里學來的，是符合電力工業(yè)垂直壟斷管理和計劃經(jīng)濟原則的。水電站裝機容量從規(guī)劃設計角度分為最大工作容量（或保證工作容量）、備用容量和重復容量三個部分。
最大工作容量，一般有調(diào)節(jié)水電站都是按符合設計保證率要求的日平均出力所能提供的能量，在設計水平年系統(tǒng)最高負荷日承擔尖峰負荷來確定其最大工作容量。
備用容量，即電力系統(tǒng)運行所需的負載備用容量、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負載備用和事故備用容量。
重復容量，當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)仍然會發(fā)生大量需水時，為了充分利用水能資源，就要設置重復容量，多發(fā)季節(jié)性電能。確定水電站安裝多少重復容 量的動能經(jīng)濟計算中，一般只考慮增加重復容量所需要增加的水電站廠房和水輪發(fā)電機組的投資和運行費用，其效益是節(jié)省火電廠的煤耗。
設水電站重復容量補充千瓦投資和年運行費用分別為KH、μH、則增重復容量△NH所增加的投資為△K=KH.△NH，增加的年費用為△μH=UH△NH；相應增加的年季節(jié)電能為△EH=△NH.HD（HD為經(jīng)濟利用小時數(shù)/年），所節(jié)省的火電廠煤耗費用為△B=1.05.△Ehbs(1.05為折算系數(shù)，b為單位燃料消耗kg/kw.h.s為燃料價格元/kg)。重復容量的經(jīng)濟壽命為n年，資金效益系數(shù)為ro。則設置補充千瓦重復容量的經(jīng)濟條件為：
△KH≤△B-△μH/1+r0 +△B-△μH/（1+r0）2+……+△B-△μH/（1+r0）n
相應各項值代人上式并簡化得：
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容量的經(jīng)濟判別式，即多裝一千瓦重復容量的年利用小時數(shù)h,能滿足上式的條件，才能確定裝置重復容量的數(shù)值。
按照這種辦法來選擇裝機容量，如果是滿足當?shù)叵臅r，可能出現(xiàn)以下問題：
1、水電站投產(chǎn)初期裝機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)負荷水平設計的，照理講要到十五年以后才能充分利用其全部裝機容量。特別是我國近幾年由于電價結(jié)構(gòu)嚴重不合理，電力負荷曲線中的尖峰負荷偏高，峰谷差偏大，負荷率偏低；隨著電力市場化改革，電價結(jié)構(gòu)趨向合理化，再加上推行電力需求側(cè)管理，電力負荷曲線形狀變化，尖峰負荷比例下降，負荷率提高，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，還有水電站設計時，對于負荷預測的準確性也有極大關(guān)系。
現(xiàn)在有些水電站投產(chǎn)后，特別是碰到負荷增長率沒有達到預期的水平，新建水電站的裝機和發(fā)電量未能充分利用，就大肆譴責電力系統(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容量，重復容量發(fā)出的重復電能，只能替代火電廠的煤耗，只有把電價降下來才能讓已有的火電廠停下來。如果新建水電站非要賣高價，又要讓已有火電廠停下來，這是不符合市場經(jīng)濟原則的。
這就是說，在水電站設計中，如何確定設計水平年？如何預測電力負荷？如果確定負荷曲線形狀？對水電站裝機容量選擇關(guān)系極大，值得認真研究。
2、水電站保證率偏低對電力系統(tǒng)危害甚大，水電站保證率的大小，對水電站工作容量大小影響極大，目前水電站設計保證率定得較低，對電力系統(tǒng)的危害甚大，在水電站設計中，選擇水電站的設計保證率時，要求分析水電站所在電力系統(tǒng)的用戶組成和負荷特性，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，由于情況復雜，不易用數(shù)字來準確表達，一般都采用規(guī)程推薦的數(shù)字來選用。目前水利水電工程設計規(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，采用90%-95%；比重為50%以上時，采用95%-98%�，F(xiàn)在一方面知識經(jīng)濟，信息經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展對供電可靠性提出越來越高的要求，另一方面氣候的異常變化和人類活動對自然環(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，將對國民造成巨大損失。
美國加州2000年夏季天氣酷熱、負荷劇增，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)電廠由于天然氣價格暴漲也減少發(fā)電，結(jié)果促成了加州電力危機。我國四用省原來發(fā)電能力有富裕，2000年二灘水電站投產(chǎn)后，電能無法消納，全國嘩然；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，原來是我國電力供應最富足的省區(qū)之一，但自2001年12月份以來，湖北持續(xù)寒冷的氣溫，使用電負荷陡增，由于火電廠燃料嚴重不足和水電站來水不足，（2001年6月中旬至10月15日，湖北降雨量偏少，承擔湖北電力45%供應量的各大水庫，蓄水同比減少四至五成，有的接近死水位，相當部分水電機組難以發(fā)電）， 出現(xiàn)了嚴重缺電和拉閘限電，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)支的計劃經(jīng)濟體制下，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)一負責，對電力用戶拉閘限電造成的經(jīng)濟損失由用戶自己負擔，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行，實行廠網(wǎng)分開，竟價上網(wǎng)，健全合理的電價形成機制以后，水電站保證率破壞所造成的經(jīng)濟損失，就應當由水電站來負擔；一方面對鄰近電網(wǎng)支持的電力要支付高價，對用戶拉閘限電要進行賠償。因此，對于水電站設計保證率的選取要持慎重態(tài)度，對降低水電站設計保證率要進行經(jīng)濟分析和風險評價。
3、水電站增加重復容量要考慮季節(jié)性電能的消納。為了減少水電站的棄水，設置重復容量，多發(fā)季節(jié)性電能，以減少棄水是對的。特別是由于將來在上游梯極水電站水庫的修建，對河川經(jīng)流進行補償調(diào)節(jié)，可以提高水電站的保證出力，有可能使重復容量和季節(jié)性電能部分或全部轉(zhuǎn)化為工作容量和保證電能。但是水電站設置重復容量必須考慮電力系統(tǒng)吸收季節(jié)性電能的能力，這個問題在水電比重小的東北、華北、華東等地區(qū)不突出、但是對于水電比重大、季節(jié)性電能多的西南地區(qū)問題就很突出。前面介紹確定水電站重復容量的動能經(jīng)濟計算的缺點，是不考慮電網(wǎng)對季節(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，是沒有節(jié)約大電廠發(fā)電煤耗的效益的，其價值為零；另一個問題是，在重復容量的動能計算中，其投入部分只考慮水電站增加的投資和年運行費用，包括輸電損失。正是由于在確定水電站重復容量的 動能計算中存在一些問題，使得水電站的重復容量過多過大，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盡心機，有的省區(qū)確實有一些該停發(fā)的火電沒有停下來，增加了棄水電能；但也有些省、區(qū)確實無法消納全部季節(jié)性電能引起棄水。在水電比重大，重復容量多的電網(wǎng)，要想做到完全不棄水是不可能的。1984年當時中央領(lǐng)導視察劉家峽水電站，廠長匯報時說，劉家峽水電站每年要棄掉電能8億多千瓦時，浪費了水能資源。當時中央領(lǐng)導指示將棄水電能送到蘭州和十八個干旱縣用于電炊，蘭州每千瓦時4分，干旱縣農(nóng)村每千瓦時3分，后來發(fā)現(xiàn)所謂棄水電能大部分屬于不能過機發(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（因為居民不可能在半夜里做飯用電）。南方有些省水電站重復容量過多，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，無雨就無電，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。實際上解決辦法有兩條，一條是放慢水電開發(fā)，增加火電比重；另一條是繼續(xù)加大水電開發(fā)，減少水電站的重復容量。從能源資源合理利用，節(jié)省煤炭、石油、天然氣等化石燃料，保護生態(tài)環(huán)境出發(fā)，還是加大水電開發(fā)，多建調(diào)節(jié)性能好的水電站，減少水電站的重復容量為好�？傊�，要改進水能設計方法，水電站增加重復容量要考慮季節(jié)性電能的消納問題。
二、“西電東送”要改進水電站裝機容量選擇
西部水電站就地利用與西部水電站“西電東送”，在裝機容量選擇上是有差別的。西部水電就地利用時，可以承擔系統(tǒng)尖峰負荷，承擔電力系統(tǒng)的備用容量，還可以根據(jù)當?shù)貙竟?jié)性電能接納程度，增加重復容量；當西部水電站“西電東送”時，由于要通過長距離高壓輸電線輸送，要增加輸變電工程投資和運行費用，所以一般不宜送尖峰負荷和備用容量（水電站可以承擔廠內(nèi)備用），至于季節(jié)性電能，要看受端電網(wǎng)的年負荷曲線形狀，如受端電網(wǎng)負荷夏季高、冬季低，在經(jīng)濟合理的條件下，可以輸送部分比較穩(wěn)定可靠的季節(jié)性電能�？傊鶕�(jù)受端電網(wǎng)的需求和經(jīng)濟合理性來選擇裝機容量；也就是要根據(jù)受端電網(wǎng)能接納的容量、電量和相應的電價來確定水電站裝機容量的動能經(jīng)濟計算。最好能在水電站設計前與受端電網(wǎng)簽訂購售電合同，作為水電站選擇裝機容量的依據(jù)。也就是要以市場為導向來決定水電站的裝機容量。這就使得水電站裝機容量選擇變得復雜起來了。
1、當水電站電能全部外送時，水電站裝機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距離輸變電工程投資，來選擇裝機容量和其他各項水電站的重要參數(shù)（包括正常高水位，死水位等）。
2、當水電站電能部分外送，部分滿足當?shù)仉娏π枨髸r，就要相應按照外送的滿足當?shù)仉娏π枨髢煞N要求來進行裝機容量的選擇和設計。
3、如果水電站外送是暫時舉措，將來水電站的電能要轉(zhuǎn)為滿足當?shù)匦枨蟮�，那么水電站裝機容量選擇是，既要考慮近期外送的裝機容量選擇和遠期轉(zhuǎn)為內(nèi)需時的裝機容量選擇，在工程設計中要留有將來轉(zhuǎn)為內(nèi)需時進行擴機的可能。如廣西水能資源和化石能源都不算豐富，近期開發(fā)龍灘水電站需要外送，從遠期來看就有可能完全轉(zhuǎn)為本身用電，在這類水電站設計中心必須考慮兩種情況。
當然水電站裝機容量選擇還必須考慮河流梯級開發(fā)和綜合利用的要求。
三、結(jié)語
西部水電大開發(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)相應的水電比重也會有一定程度的上升。大型、特大型水電站裝機容量的選擇是一個值得深入探討的問題，總的原則是呀以市場為導向，按照市場的要求，經(jīng)濟合理地選擇水電站的裝機容量，凡是市場不能消納的容量和電量是毫無意義的。水電站的經(jīng)濟性不是表現(xiàn)在單位千瓦投資大小，關(guān)鍵是要看水電站的實際經(jīng)濟效益。其次，既要注意打破省間和地區(qū)間電力市場壁壘，也要避免片面強調(diào)水能資源的充分利用，因為水能資源的充分利用，例如季節(jié)性電能的充分利用要考慮具體條件，要增加輸變電設備和投資，有時充分利用是得不償失的；當大型、巨型水電站裝機容量過大時，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。三是我國東南沿海省區(qū)市的高峰負荷出現(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)，使電力負荷曲線的形狀發(fā)生變化；隨著電力市場的發(fā)展，電力需求側(cè)管理的推進，也可能使負荷特性發(fā)生變化；不要對東部地區(qū)消納西部水電季節(jié)性電能寄予過高的期望。四是在西部水電大開發(fā)時，要仔細研究水電站的設計保證率，要認真吸取四川、湖北水電枯水出現(xiàn)缺電和拉閘限電的教訓，在大規(guī)模的“西電東送”實施之后，如果發(fā)生枯水年，受影響的將不是幾個省，而是大半個中國。因此，一方面要適當提高水電站的設計保證率，要做好水電站的調(diào)度運行工作，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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