（技术经济及管理专业论文）抽水蓄能电站的经营模式比较研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本论文介绍了抽水蓄能电站的概况，包括其工作原理、在电力系统中的作用及 其在国内外的发展状况。在对抽水蓄能电站所产生的各种效益进行分析的基础之 上，根据经济学原理提出抽水蓄能电站的效益具有准公共产品的特性，该特性使 受益者的受益量难以准确计量，从而导致抽水蓄能电站所产生的效益难以通过市 场得到合理的补偿。本论文重点对现存的几种抽水蓄能电站经营模式进行了比较 分析，并指出在目前我国的电力市场现状下，现存的经营模式所存在的问题，在 此基础上提出了“以静态效益收益和电价优惠为基础的经营模式”，并以山东泰安 抽水蓄能电站进行了实例研究。 关键词：抽水蓄能电站；准公共产品：经营模式：静态效益收益 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eg e n e r a ls i t u a t i o no fp u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n ( s h o r t e da sp s p s ) ，i n c l u d i n gt h ew o r k i n gt h e o r y ，t h ef u n c t i o ni nt h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d b a s e do nt h ea n a l y s e so f a l lk i n d so fb e n e f i t sg e n e r a t e db yp s p s ，i ti sp u tf o r w a r dt h a tt h eb e n e f i t so fp s p s h a st h ef e a t u r e so fq u a s i p u b l i cp r o d u c t sa c c o r d i n gt oe c o n o m i ct h e o r y s u c hf e a t u r e c a u s e st h a tt h eb e n e f i c i a lq u a n t i t yo fb e n e f i c i a r i e sc a n tb em e a s u r e da c c u r a t e l y ，t h u s t h eb e n e f i t so fp s p sc a n tb ec o m p e n s a t e dr e a s o n a b l y t h i sp a p e re m p h a s i z e so nt h e c o m p a r i s o na n a l y s e so ft h ee x i s t i n gm a n a g e m e n tm o d e l so fp s p s ，a n dp o i n t so u t t h e p r o b l e m so ft h e s em o d e l su n d e re x i s t i n gc o n d i t i o n so fe l e c t r i cp o w e rm a r k e ti nc h i n a f i n a l l yt h i sp a p e rs u g g e s t san e wm a n a g e m e n tm o d e lb a s e do ns t a t i cs t a t eb e n e f i ta n d p r e f e r e n t i a lp o w e rp r i c e s a n dt a k e st a i a np u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o nf o r e x a m p l et ot e s tt h i sn e wm a n a g e m e n tm o d e l s h a hd o n g m e i ( t e c h n o l o g i c a le c o n o m i c s & m a n a g e m e n t 、 d i r e c t e db yp r o f h u a n gy u a n s h e n g k e yw o r d s ：p u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n ，q u a s i p u b l i cp r o d u c t s ，m a n a g e m e n t m o d e l ，s t a t i cs t a t eb e n e f i t l 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本论文介绍了抽水蓄能电站的概况，包括其工作原理、在电力系统中的作用及 其在国内外的发展状况。在对抽水蓄能电站所产生的各种效益进行分析的基础之 上，根据经济学原理提出抽水蓄能电站的效益具有准公共产品的特性，该特性使 受益者的受益量难以准确计量，从而导致抽水蓄能电站所产生的效益难以通过市 场得到合理的补偿。本论文重点对现存的几种抽水蓄能电站经营模式进行了比较 分析，并指出在目前我国的电力市场现状下，现存的经营模式所存在的问题，在 此基础上提出了“以静态效益收益和电价优惠为基础的经营模式”，并以山东泰安 抽水蓄能电站进行了实例研究。 关键词：抽水蓄能电站；准公共产品；经营模式；静态效益收益 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eg e n e r a ls i t u a t i o no fp u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n ( s h o r t e da sp s p s ) ，i n c l u d i n gt h ew o r k i n gt h e o r y ，t h ef u n c t i o ni nt h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d b a s e do nt h ea n a l y s e so f a l lk i n d so fb e n e f i t sg e n e r a t e db yp s p s ，i ti sp u tf o r w a r dt h a tt h eb e n e f i t so fp s p s h a st h ef e a t u r e so fq u a s i p u b l i cp r o d u e t sa c c o r d i n gt oe c o n o m i ct h e o r y s u c hf e a t u r e c a u s e st h a tt h eb e n e f i c i a lq u a n t i t yo fb e n e f i c i a r i e sc a n tb em e a s u r e da c c u r a t e l y ，t h u s t h eb e n e f i t so fp s p sc a n tb ec o m p e n s a t e dr e a s o n a b l y t h i sp a p e re m p h a s i z e so nt h e c o m p a r i s o na n a l y s e so ft h ee x i s t i n gm a n a g e m e n tm o d e l so fp s p s ，a n dp o i n t so u tt h e p r o b l e m so ft h e s em o d e l su n d e re x i s t i n gc o n d i t i o n so fe l e c t r i cp o w e rm a r k e ti nc h i n a f i n a l l yt h i sp a p e rs u g g e s t san e wm a n a g e m e n tm o d e lb a s e do ns t a t i cs t a t eb e n e f i ta n d p r e f e r e n t i a lp o w e rp r i c e sa n dt a k e st a i a np u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o nf o r e x a m p l et ot e s tt h i sn e wm a n a g e m e n tm o d e l s h a nd o n g m e if t e c h n o l o g i c a le c o n o m i c s m a n a g e m e n t ) d i r e c t e db yp r o kh u a n gy u a n s h e n g k e y w o r d s ：p u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n ，q u a s i - p u b l i cp r o d u c t s ，m a n a g e m e n t m o d e l ，s t a t i cs t a t eb e n e f i t 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文抽水蓄能电站的经营模式比较 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：壁查缝日期：! ! 圭圭呈 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：鼬导师签名_ 董丛 日期：堡! ! ：圭生￥日期：鱼生堕! a ， 坐j ! 里查奎兰堡主堂堡堡圣 第一章绪论 1 1 论文的研究背景和意义 随着我国国民经济和社会的发展，不仅要求电力系统的供电量持续增加，对供 电质量的要求也越来越高。为了调节电网的峰谷差，保证电网安全、稳定、经济运 行，汲取国外的经验，建设抽水蓄能电站已得到广泛共识。 我国的抽水蓄能电站建设虽然起步较晚，但发展速度很快，到2 0 0 4 年底，全 国拥有5 8 0 余万千瓦的装机容量。以十三陵、广蓄、天荒坪等一批早期建设的抽水 蓄能电站的投运为标志，业内人士也开始探索经济上可行、可操作的经营模式。随 着这些国内早期的抽水蓄能电站的逐步投产运行，人们也开始了经验的积累。目前， 国内抽水蓄能电站的经营模式已具有多种形式，并在不断的生产经营中完善和发 展。传统的管理经营模式本质上是在厂网不分的情况下产生的，即抽水蓄能电站的 效益由厂、网共享，其运营费用由厂、网共同承担。然而，随着我国以“厂网分开” 的电力市场化改革的实施，以及峰谷差电价尚未到位的条件下，如何既能维护抽水 蓄能电站投资者的利益，又能确保抽水蓄能电站展开正常的生产经营，是经营模式 所要解决的问题。经营模式适合与否，直接影响到抽水蓄能电站效益的发挥。 本论文在对目前我国抽水蓄能电站几种经营模式的利弊分析的基础上，根据 “厂网分丌”及峰谷差电价不到位的现实状况，提出了一种新的经营模式，阻期为 我国将来抽水蓄能电站的经营模式提供参考。 1 2 国内外对抽水蓄能电站经营模式的研究现状 国外抽水蓄能电站建设及运营有相当长的历史，而且各国的电力市场状况均有 所不同，加之调度运行科学合理，财务核算切合实际，所以无论是独立经营，还是 租赁经营，或是电网统一经营等模式。都能充分发挥抽水蓄能电站在电力系统中的 重要作用，并获得良好的经济效益。我国抽水蓄能电站建设起步较晚，对其经济评 价和生产运营的研究都比较欠缺，特别是已投产的大中型抽水蓄能电站的经营管理 模式还处在摸索阶段。目前我国已建成的抽水蓄能电站经营管理模式是通过总结国 外的运营管理经验并结合我国电力市场状况而得来的，如十三陵模式、广蓄模式、 天荒坪模式。但这些模式都是电力市场改革前的模式，随着“厂网分开”的电力市 场化改革的深入，迫切需要寻找到一种经济可行、可操作、适合“厂网分开”及峰 谷差电价不到位的经营模式。 谷差电价不到位的经营模式。 华北电力大学硕士学位论文 1 3 论文的主要研究内容 本论文首先介绍抽水蓄能电站的概况，包括其工作原理、在电力系统中的作用 及其在国内外的发展状况；在对抽水蓄能电站承担静态和动态任务所产生的静态效 益、动态效益和综合效益进行分析的基础之上，根据经济学原理提出抽水蓄能电站 投运后产生的效益具有准公共产品的特性。正是由于抽水蓄能电站所产生的效益具 有准公共产品的特性，使得其受益者的受益量难以准确计量，从而使抽水蓄能电站 产生的各种效益无法得到合理补偿。因此，需要探索出一种既能保证投资者的利益、 又能使抽水蓄能电站正常运营并获得良好经济效益的经营模式。所以，本论文的重 点是先通过介绍几种己存在的经营模式，针对当前我国电力市场的现状，分析这几 种已存在的经营模式不再适用抽水蓄能电站运行管理的原因，在此基础上提出了一 种全新的模式一一以静态效益收益和电价优惠为基础的经营模式，并以山东泰安抽 水蓄能电站进行了实例研究。 2 华北电力大学硕士学位论文 第二章抽水蓄能电站概述 2 1 抽水蓄能电站的工作原理 抽水蓄能电站是以一定水量作为能量载体，通过能量转换向电力系统提供电能 的一种特殊形式的水力发电站。抽水蓄能电站利用兼具水泵和水轮机两种工作方式 的蓄能机组，在电力负荷低谷时或丰水时期，利用电力系统提供的富裕电能或季节 性电能，将下水库中的水抽到上水库，以位能形式储存起来；待电力系统负荷高峰 时或桔水季节，再将上水库的水放下，驱动水轮发电机组发电，并送往电力系统。 其示意图如图2 一l 图2 1抽水蓄能电站工作原理示意图 现在电力系统中使用的发电机组容量越来越大，我国已在生产单机容量为 6 0 0 m w 的热力机组，并已使用由国外引进的核电站9 0 0 m w 热力机组。但由于结构 上的原因，这些巨型的热力机组和核电机组很不适于在变化负荷下运行，并且有最 小技术出力限制( 大型火电机组为额定出力的7 0 左右，核电机组为8 0 9 0 ) ， 因此均不适用于在低负荷下运行。为了使发电能力和用户负荷平衡，则需要有调节 能力很强的设备，在电力有剩余时把能量贮存起来，在电力不足时把能量释放出来， 抽水蓄能机组恰好具有这种功能。 目前我国以热力机组为主的发电系统的组成是：使用单机容量很大、经济性很 高的燃煤机组来承担负荷中不变的部分( 基荷) ，使用调节性能较好的燃煤或燃油 调峰机组和某些水电机组来承担负荷中有规律变化的部分( 腰荷) ，使用水电机组 或燃气轮机来承担负荷中变化频繁的部分( 峰荷) 。电力系统如装有抽水蓄能机组， 则可以用来替代承担腰荷及峰荷的热力机组。 3 华北电力大学硕士学位论文 图2 2 为电力系统日负荷变化分析图，从该图上看，如果只装设调峰热力机组、 燃气轮机或常规水电机组，所需的总装机容量为p 。一p m i 。，而在此容量内有些机组 的使用率是很低的。如果这项调峰任务由抽水蓄能机组来承担，则装机容量只需为 p m a x p ( p 略大于p ) ，p 线以上为蓄能机组发电部分，p 线以下为蓄能机组抽水部 分。抽水的电力来自基荷火电，所以这个系统的基荷容量可以提高至庐。 p ( m w ) 1 慝忒公淑s 耄豸 眨 腰 h 荷 1 p m i n 基荷 j 0 1 22 4 图2 - 2 电力系统丑负荷变化分析图 2 2 抽水蓄能电站在电力系统中的作用 电力系统的发电质量标准有三方面：一是电压在规定范围内并保持稳定；二是 频率在规定范围内并保持稳定；三是电能供应充分并有高度的可靠性。发电质量如 果没有保证，则所有用电工业的开工率、操作水平和产品质量都将受到影响。由于 供电不足而采取限制用电或强制停电不但会影响社会产品的产量和质量，而且会提 高产品成本，也给人民生活带来很大的不便。另外，若电力系统的负荷下降到低谷 而调节措施不及时，将造成频率过高，其后果和频率过低对于用电部门的影响是同 样严重的。国内外实践已充分证明，抽水蓄能机组在电力系统中担任调峰、调频、 调相、事故备用和吸收多余电能等方面都有明显的功效。 2 ，2 1 抽水蓄能电站对改善电网运行的作用 2 2 1 1 削峰填谷作用 在电力系统出现峰荷时，抽水蓄能电站可像常规水电站一样发电，承担系统高 4 华北电力大学硕士学位论文 峰负荷，起到削峰作用，而在系统负荷低谷时，又可作为泵站，利用系统多余电能 抽水，使火电、核电机组出力不降低或少降低，保持机组平稳运行，起到填谷作用。 这种既能削峰又能填谷的双重作用，是抽水蓄能电站特有的功能它大大改善了系 统中火电、核电机组的运行条件。 2 2 1 2 调频、调相及负荷跟踪作用 电网除了要负担用电负荷的有功功率p ，还要负担负荷的无功功率q 。电力系 统对有功功率进行控制，有利于维持电力系统频率在允许范围之内、提高电力系统 运行的经济性。频率变化超出允许范围内，无论对电力用户还是电力系统，都会产 生不利的影响。例如，电力系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低，导致 其所带机械的转速和出力降低，影响电力用户设备的正常运行；对电力系统来说， 频率下降时，异步电动机和变压器的励磁电流增加，使异步电动机和变压器的无功 消耗增加。电力系统对无功功率进行控制以使其保持平衡，否则，将会使系统电压 下降，严重时，会导致设备损坏，系统解列。所以，为保证电力系统电能质量、电 压质量、降低网络损耗以及安全运行，对有功功率和无功功率进行控制是必要的。 图2 - 3 表达了有功功率p 、无功功率o 和视在功率s 之间的关系 视在功率：即交流电压和交流电流的乘积。 用公式表示为：s = u i 上式中，s 是额定输出功率，单位是v a ( 伏安) ； u 是额定输出电压，单位是v ；i 是额定输出电流， 单位a 。 有功功率是指直接做功的部分。用公式表示： p = s c o s 0 = u i c o s 0 = u i - f ，单位是w ( 瓦) 无功功率是储藏在电路中但不直接做功的那 部分功率，用公式表示： q = s s i n 0 = u l s i n 0 ，单位是v a r ( 乏) q ( v a r ) p ( w ) 图2 - 3p 、q 、s 关系示意图 d f = c o s = 鲁被称为功率因数，其物理意义是线路的视在功率s 供给有功功率的 消耗所占百分数。在电网的运行中，我们希望的是功率因数越大越好，如能做到这 一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，以减少无功功率的消耗。 0 是在非线性负载时电压电流不同相时的相位差。 抽水蓄能电站自动化程度高，增减负荷灵活，对负荷随机、瞬间变化可做出快 速反应，能保证电网周波稳定，起到调频作用。 华北电力大学硕士学位论文 抽水蓄能机组可作调相机运行，根据电网需要。提供或吸收无功功率，维持电 网电压稳定，从而减少设置专门无功补偿设备，节约投资和运行费用。 电力系统的负荷是不断变化的，特别在负荷高峰出现时，负荷变率更大。装机 容量在3 0 0 0 万千瓦以上的大电网，晚间高峰时负荷变率可达1 0 万千瓦分钟左右。 而火电机组( 除燃气轮机外) 很难适应负荷的这种急剧变化。抽水蓄能电站运行灵活， 对负荷的急剧交化能做出快速反应，能很好地跟踪系统负荷的变化，从而可顶替烧 气轮机的工作，节约燃油消耗，减少运行维修费用。 2 2 1 3 担任系统备用 抽水蓄能机组启动迅速，运行灵活，升荷速度快，调荷幅度大，是电力系统最 理想的备用电源。它在发电工况下能快速跟踪系统负荷变化，起到旋转备用( 同期备 用) 的作用。在静止工况下，遇到突发性停机事故，也能在2 3 分钟内从启动到带满 负荷，顶替事故停运机组工作，迅速恢复正常供电。即使在抽水工况下，遇到机组 跳闸甩负荷等紧急情况，它也会自动切泵面停止抽水，或抽水工况直接转换成发电 工况迅速补充容量、电量的缺额，防止事故进一步扩大。 抽水蓄能电站在电力系统中所起到的各种功能汇总如图2 2 图2 - 4 抽水蓄能电站功能图 2 2 2 抽水蓄能电站在能源利用上的作用 2 2 2 1 降低电力系统燃料消耗 电力系统中的大型高温高压热力机组，包括燃煤机组和核燃料机组，均不适于 6 华北电力大学硕士学位论文 在低负荷下工作。由于电网调节需要而强迫压低负荷后，燃料消耗和常用电都将增 加，机组的磨损也将加速。在采用了抽水蓄能机组与燃煤机组及核电机组配合运行 后，这些热力机组都得以在额定或较高出力下稳定运行，实现了较高的运行效率。 2 2 2 2 改变能源结构 抽水蓄能机组所代替的热力机组中有一部分是燃油的蒸汽机组或燃气轮机组。 抽水蓄能的动力来自燃煤，使用抽水蓄能以后就起到了以煤代油的作用，对改变燃 料结构有重要意义。 2 2 2 3 提高火电设备利用率 用燃煤机组调峰时要经常改变运行方式或频繁开停机，因而导致机器的磨损和 经常发生事故。抽水蓄能机组可以代替这些热力机组的调峰任务，使这些机组可以 担负更为稳定的负荷，设备的利用率因而得以提高，寿命可以延长。 2 2 ，2 4 降低运行消耗 抽水蓄能机组是水力机组，厂用电消耗比常规水电站多一些，但只有装机容量 的2 一3 左右，雨热力机组的厂用电一般在7 8 。采用抽水蓄能机组后可以有 效地降低运行消耗和辅助设备投资。 2 2 3 抽水蓄能电站在提高水电效益方面的作用 2 2 3 1 缓解发电与灌溉的用水矛盾 在缺雨地区水库的运用一般是以保证灌溉用水为原则，水库上虽建有水电站， 却不能按电力系统的要求来发电。在灌溉季节水电站需要连续发电，实际成为基荷 电站。在非灌溉季节因水量不足而不能发电，根本起不了水电机组应有的调峰作用。 在这样的水电站中如果装设抽水蓄能机组，则可以每天把顶尖峰放下来的水抽回 去，往复循环，从而避免了发电与灌溉争水，使水电机组得以发挥其调峰作用。实 际上，在这种水电站中装设了抽水蓄能机组后，其他的常规水电机组也可以多发电， 因而提高了全厂的调峰能力。 2 2 3 2 调节长距离输送的电力 将西部丰富的水力资源输送到东部沿海地区( 西电东送) 是我国电力建设的一 个特点。长距离输电的设备投资很高，因而要连续满容量输送，而实际上大部分输 送的是基荷电力。然而受电地区的负荷每目要随时间早晚而变化，还需要在适当地 点有一个调节环节。抽水蓄能电站是缓和电网与长距离输电矛盾的重要手段。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3 3 充分利用水力资源 抽水蓄能电站不仅对火电有节煤效益，对常规水电同样有充分利用水能的功 能。在汛期抽水蓄能电站的削峰填谷任务会更加繁重，因为具有调峰能力的常规水 电站，为了避免或减少弃水，一般都发满出力，在系统中实际担任了基荷或腰荷。 在此期间电网的调峰能力大为减少，特别是库容小的常规水电站在电网处于低谷 时，只有减负荷或完全停机而弃水。抽水蓄能电站此时正好可以利用常规水电站的 弃水负荷来抽水蓄能，达到充分利用水能的目的。 2 3 国内外抽水蓄能电站的发展状况 2 3 1 国外抽水蓄能电站的发展状况 世界上第一座蓄能电站是在瑞士苏黎世兴建的，功率仅5 1 5 k w ，抽水扬程 1 5 3 m ，是一座季节型的抽水蓄能电站。早期的抽水蓄能电站以蓄水为主要目标，大 多在汛期抽水储存在上水库中供枯水期发电用。2 0 世纪5 0 年代开始，随着电力系 统的发展，抽水蓄能电站进而以调峰和调频等为主要任务。6 0 年代后抽水蓄能电站 有了很快的发展，1 9 6 1 年世界各国投入运行的抽水蓄能电站装机容量为6 4 0 0 m w ， 1 9 7 2 年约达3 5 0 0 0 m w ，到1 9 8 0 年，世界上已建成的抽水蓄能电站有1 7 0 多座，总 装机容量已近7 0 0 0 0 m w 。据i n t e r n a t i o n a lw a t e rp o w e r d a mc o n s t r u c t i o n 统计， 到1 9 9 9 年底世界共有2 9 0 座抽水蓄能电站投入运行，总装机容量8 2 8 0 4 m w ；在建 抽水蓄能电站4 2 座，总装机容量2 7 3 9 9 m w ；规划中的抽水蓄能电站5 5 1 座，总装 机容量约为3 9 1 1 7 3 m w 。国外抽水蓄能电站的发展状况见表2 1 ：国外各种类型抽 水蓄能电站情况见表2 2 。 2 3 2 抽水蓄能电站在世界各国备受青睐的原因 抽水蓄能电站在世界各国，特别是工业发达国家备受青睐，主要原因是： ( 1 ) 随着工业和民用耗电量的增加，电力系统的峰谷差逐年增大，美、日和 欧洲国家的日负荷率只有5 0 6 0 ，发电系统中需要大量的调峰机组，抽水蓄能 机组已经证明是各种调峰机组中经济效益最好的一种。 ( 2 ) 核电、风力、地热、潮汐等电站的发展迅速，而这些电站无法变负荷运 行，需要抽水蓄能电站配合调峰。 ( 3 ) 西方国家电力系统地运用经验证明事故备用容量是十分重要的，只有水 力机组才能在事故发生后很短时间内发出足够出力来防止系统产生过大振荡。而在 没有合适条件开发常规水电时，要增加事故备用容量就应该首先考虑修建抽水蓄能 电站。 r 华北电力大学硕士学位论文 、 皇 o h= 堂 _ u葛 心 卫 羔 。舀 磊 h也世 鼋 c水 爱 o 甚 2 口 o 耋 卜 昌 酗 蔓镯( 港 暑 1 矗 8 三 q鼷 隧 砰 。 i = 鼠 专 桓峭 * q受 獬 。高 螓 专q c 澎 妪 皂 。 m 剞酥 粼球燃粼 皿蛙 w r皿 皿 叮黼 艚k燃 血 圃性 疆 心 h寸oo t 世 h 一一 餐口避糨*幂副粼嚣谁去团n文僻 仪秘迥扑州匿扑kr口罢爵 华北电力大学硕士学位论文 2 3 3 我国抽水蓄能电站的发展状况 我国水力资源丰富，但地区分布极不均衡，主要集中在西北、西南地区。东北、 华北、华东等地区水能资源贫乏。为解决电网调峰问题，我国自6 0 年代开始研究 开发抽水蓄能电站。最早在岗南和密云两座常规水电站上分别安装了1 x 1 1 m w 和 2 1 1 m w 抽水蓄能机组，建成了抽水蓄能机组与常规水电机组相结合的混合式抽水 蓄能电站。当时由于对抽水蓄能电站在电力系统中的作用和它的经济效益认识不 足，重视不够，因此发展不快。 自1 9 7 8 年以来，随着国民经济的持续稳定发展，工农业和人民生活用电水平 的不断提高，全国电力负荷增长很快，峰谷差不断加大。特别是东北、华北、华东 等以火电为主的大电网，缺乏调峰电源的矛盾日益突出。因此，在大工业基地和大 城市等负荷中心附近而又缺乏足够的水电调峰能力的电力系统中，修建抽水蓄能电 站的重要性和经济合理性日益为人们所认识，抽水蓄能电站的建设和规划选点工作 的步伐大大加快。7 0 年代后期兴建的潘家日混合式抽水蓄能电站，除常规水电机组 外，还安装了3 台9 0 m w 的蓄能机组。此后，高水头、大容量抽水蓄能电站的建设 也提上了日程。我国台湾省的明湖抽水蓄能电站，装机1 0 0 0 m w 己投产发电；广州 抽水蓄能电站，设计水头5 3 5 m ，一期1 2 0 0 m w 于1 9 9 4 年1 2 月全部投入运行，二 期1 2 0 0 m w 于2 0 0 0 年3 月投产发电。另外，北京十三陵、浙江天荒坪、西藏羊卓 雍湖等抽水蓄能电站也相继投产。截至2 0 0 4 年年底，我国大陆已建成投产的抽水 蓄能电站1 3 座，总装机容量5 8 4 3 m w ，占我国发电总装机容量的1 8 左右，比例 相当低。 预计表2 3 中所列的在建抽水蓄能电站在“十一五”全部建成后，随着西电东 送规模扩大，各电网峰谷差的加大，除湖北、拉萨外，可调峰的水电，包括抽水蓄 能电站在内占电网的总容量仍只为3 7 ，是难以满足届时电网调峰和紧急事故备 用需求的。所以说，抽水蓄能电站在我国的发展潜力很大。关于我国抽水蓄能电站 ( 已建、在建及已批准立项项目) 的统计，请详见表2 3 。 华北电力大学硕士学位论文 表2 3 我国抽水蓄能电站( 已建、在建及已批准立项项目) 统计表 序电站 所在地区 电站类型 装机规模水头 首台机组 建设情况 号名称( 台x m w )m 投产年份 l 岗南河北混蓄 l 1 16 4 1 9 6 8 已建 2密云北京混蓄2 x 1 3 7 01 9 7 3已建 3明湖台湾纯蓄4 x 2 5 03 0 9 1 9 8 4已建 4 潘家口河北混蓄 3 x 9 08 51 9 9 1已建 5 广蓄一期广东纯蓄 4 x 3 0 05 3 51 9 9 3己建 6 明潭台湾纯蓄 6 x 2 6 73 8 01 9 9 4已建 7十三陵北京纯蓄 4 x 2 0 04 5 01 9 9 5 已建 8 羊卓雍湖西藏纯蓄 4 x 2 2 58 4 01 9 9 7 己建 9溪口浙江纯蓄2 x 4 0 2 7 6 1 9 9 7己建 1 0 天荒坪浙江纯蓄 6 x 3 0 05 6 01 9 9 8 已建 1 1 广蓄二期广东纯蓄4 x 3 0 05 3 51 9 9 9已建 1 2 响洪甸安徽混蓄 2 x 4 06 42 0 0 0 已建 1 3天堂湖北混蓄2 x 3 54 32 0 0 0已建 1 4 沙河江苏纯蓄 2 x 5 01 2 02 0 0 2 已建 1 5固龙河南 纯蓄 2 x 6 03 7 92 0 0 4已建 计划 1 6 泰安 山东 纯蓄 4 x 2 5 02 4 5在建 2 0 0 6 1 0 计划 1 7 桐柏浙江纯蓄 4 x 3 0 0 3 0 0 ，3在建 2 0 0 6 0 3 1 8 安徽纯蓄 4 x 1 5 01 4 6 7 计划 琅琊山在建 2 0 0 6 】2 计划 1 9 张河湾河北纯蓄 4 2 5 03 4 3 在建 2 0 0 8 0 6 计划 2 0 宜兴江苏纯蓄 4 x 2 5 04 1 0 在建 2 0 0 7 1 2 计划前期工程 2 l宝泉 河南纯蓄 4 3 0 05 6 2 2 0 0 8 0 2 已开工 计划 2 2 西龙池山西纯蓄 4 x 3 0 05 3 0在建 2 0 0 8 0 8 白山蓄能 2 3 吉林纯蓄 2 x 1 5 01 2 4 泵站 资料来源：中国水力发电年鉴( 第七卷) 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 3 4 我国抽水蓄能电站发展滞后的原因 ( 1 ) 我国具有大量的适合修建常规水电站的站址，全国的可开发水能资源总 量为1 9 2 3 0 亿千瓦时，到1 9 9 9 年底常规水电站实际装机为2 1 1 2 亿千瓦时，约占全 部可开发水能资源的1 1 。 ( 2 ) 在六十年代，我国对电力的需求量很小，当时几乎每个城市附近都有一 个水电厂为其供电。例如，北京有永定河梯级电站( 1 2 5 万千瓦) ，上海有新安江 水电站( 6 6 2 5 万千瓦) ，广卅i 有流溪河水电站( 4 2 万千瓦) 和新丰江水电站( 2 9 万千瓦) ，武汉有丹江口水电站( 9 0 万千瓦) 和白莲河水电站( 4 5 万千瓦) 。这些 水电站已能满足当时城市用电峰荷的要求。 ( 3 ) 随着用电量的快速增长，电站建设已跟不上电量的需求。由于资金短缺， 全国到处都严重缺电，不但装机容量不足，而且发电量也不足。抽水蓄能电站被认 为是一种消耗电能的电站，未能在电力发展规划中得到合理的安排。 ( 4 ) 八十年代以前，在中国大多数地区家庭生活用电量所占的比例很小，因 此家庭用电峰荷不像发达国家那么高。 我国抽水蓄能电站建设虽然起步较晚，但有以往大规模常规水电建设积累的经 验，加上近2 0 年来引进的国外先进技术和管理经验，使我国抽水蓄能电站建设有 较高的起点。尽管目前已建的抽水蓄能电站数目不多，总装机规模也不算大，但单 个电站规模己居世界前列，例如广州抽水蓄能电站( 以下简称广蓄电站) ，总装机 容量为2 4 0 万k w ，是当今世界上装机规模最大的抽水蓄能电站。在建设速度方面， 广蓄一、二期，十三陵和天荒坪电站主体工程的实际施工工期，从地下厂房开挖到 首台机组投产运行。历时为4 9 5 4 个月，广蓄一期工程全部竣工仅5 8 个月，与世 界发达国家相比并不逊色。在单位千瓦装机容量投资方面，天荒坪、十三陵两个电 站约为人民币4 0 0 0 5 0 0 0 元( 相当5 0 0 6 0 0 美元) ，而广蓄电站一、二期平均更在 2 5 0 0 元以内( 相当3 0 0 美元) ，明显低于世界同类电站水平。 华北电力大学硕士学位论文 第三章抽水蓄能电站效益分析 通常人们将抽水蓄能电站的调峰填谷作用所产生的经济效益称为静态效益；将 抽水蓄能电站承担调频、调相、负荷跟踪和事故备用等“动态”任务、满足系统运 行上的需要而产生的经济效益称为动态效益。另外，抽水蓄能电站运行减少了电网 燃料消耗，也就相应减少了污染物排放及其治理费用，不仅自身清洁生产，而且具 有一定的环境效益。 3 1 静态效益 抽水蓄能电站的静态效益主要表现在以下两个方面 3 1 1 容量效益 等效替代法常用来计算抽水蓄能电站的容量效益。容量效益指有、无抽水蓄能 电站两个方案的费用差值。即构造一个包括抽水蓄能电站加常规火电机组( 调峰能 力为2 0 - 3 0 ) 的基本方案，和一个不包括抽水蓄能电站的替代方案( 一般以调 峰能力为5 0 的燃煤调峰机组为替代方案) ，分别计算两个方案的总投资和相应的 固定运行费，两个方案的这部分费用差额即为抽水蓄能电站的容量效益。 由于抽水蓄能电站的站址选择受到的限制较少，常能选在地形良好、地质条件 优越、地点靠近用电中心的位置，其造价一般低于常规水电站或火电站以及核电站 的造价。抽水蓄能电站单位静态投资为3 0 0 0 4 0 0 0 元千瓦，火电站的单位静态投 资约4 2 0 0 4 7 0 0 元千瓦。而且，抽水蓄能电站的建设工期比同容量的常规水电站 要短，运行费用更比火电机组要低。当电力系统中缺乏调峰电源时，建设抽水蓄能 电站可减少其他火电装机容量，改变能源结构，减少电力建设投资。 3 1 2 调峰填谷效益 调峰填谷效益指抽水蓄能电站吸收电力系统负荷低谷时间的电能，利用空闲的 火电容量抽水；在系统负荷高峰时发电，担任峰荷，从而改变火电机组的运行方式， 减少启停机次数，提高运转效率，降低发电煤耗，给电力系统带来节煤效益。以广 蓄联营公司1 9 9 6 年1 月份和8 月份实际资料为例，1 月份广蓄为系统节煤1 1 7 万 吨，8 月份为系统节煤1 7 万吨，全年节煤约1 8 万吨。 抽水蓄能电站调峰填谷节煤效益与系统中火电机组类型有关。具体计算方法和 数学模型种类很多，常用的模型以系统典型日负荷曲线为基础，进行逐小时电力平 衡进而算出耗煤量，这类模型在年电力电量平衡的基础上安排电源检修、按照日电 1 4 华北电力大学硕士学位论文 力平衡及调峰平衡确定开机容量，在以最优或近似最优的运行策略安排水、火电机 组的工作位置，据此计算有、无抽水蓄能电站各方案的系统耗煤量，其差值即为节 煤效益。 由于抽水蓄能电站的循环效益约为0 7 ，只有当抽水蓄能电站的发电调峰所替 代的峰荷机组平均热耗高于担负抽水负荷的腰荷机组的平均热耗1 ，4 3 倍以上时，抽 水蓄能电站才能显示出节约燃料的效益。 抽水蓄能电站调峰填谷节煤效益计算公式为： b = b 2 一b l = f 9 b ，只，d t + 2 b g f 9 b ，只，d t + e g 】b g b ：调峰填谷节煤效益： 廿i ：电力系统中有抽水蓄能电站方案，即设计电源组合方案的发电量日耗煤量； a 2 ：电力系统中无抽水蓄能电站方案，即替代电源组合方案的发电量曰耗煤量； 见：机组出力为p 时的煤耗率； 鼻，p 2 ，：时段i 两方案调峰火电机组出力； 出：计算时段，以h 计； 占g i ，占g 2 ：两方案基荷电量； ：基荷煤耗率； f 9 b , p , d t ：两方案变出力运行部分的煤耗量，按等微增率计。 为了使整个火电系统在最经济负荷下运行，需要合理分配各发电机组之间的负 荷，使系统煤耗最小。为此，按煤耗微增率相等的原则分配负荷。 计算时，先进行系统的年、日电力电量平衡，求出有无抽水蓄能电站时的系统 典型日火电总工作出力过程及各类火电机组各月开机容量，然后逐时段迭代求出满 足微增率相等时的各类火电机组的典型日工作出力过程，再逐小时计算各类火电机 组对应的发电煤耗及总发电煤耗，累加后，即可求得有、无抽水蓄能电站时系统同、 月、年各类火电机组发电煤耗及总发电煤耗量，其差值，即为所研究的抽水蓄能电 站的节煤效益。 3 2 动态效益 3 2 1 动态效益 除了调峰填谷作用外，抽水蓄能电站更大的作用在于其承担调频、调相、事故 备用和负荷跟踪等“动态”任务，从而保证电力系统的稳定经济运行，提高供电质 1 5 华北电力大学硕士学位论文 量和系统的安全可靠度，即其动态效益高于静态效益。抽水蓄能电站的动态效益有 以下几个方面： 3 2 1 1 调频效益 电力系统负荷常有瞬间或突然的变化，系统频率也将随之产生波动。为了维持 系统频率的稳定，要求有适量火电机组处于旋转状态，即不带足额定出力运行，预 留一定数量的负荷备用容量，降低机组效率，从而增加燃料消耗。 抽水蓄能电站自动化程度高，能够快速增加或减少出力，对负荷随机、瞬间变 化可做出快速反应，具有很强的应付突荷能力，能够保证电网频率稳定，起到调频 作用。由此而取得的效益称为调频效益。例如，由于电视的普及，当遇到有特殊吸 引力的节目播送时，能在几秒钟内出现几十万千瓦的电视突荷。如西德莱茵河西部 电力系统1 9 9 5 年某晚发生的电视突荷，其值达9 0 万千瓦。由于抽水蓄能机组处于 旋转备用状态，立即解除了这种突荷危机，并保证了频率稳定和系统安全运行。又 如，1 9 9 3 年以前，京滓唐电网主要依靠燃煤火电机组调频，而燃煤火电机组受设备 的限制，调整负荷速度慢，当电网频率稳定变化时还可以勉强满足要求，一旦电网 频率呈跳跃性变化，燃煤火电机组则显得无能为力。随着潘家口和十三陵抽水蓄能 电站相继投入，承担京津唐电网主要的调频任务，1 9 9 5 年、1 9 9 6 年电网频率合格 率分别达到9 9 9 9 9 $ 1 19 9 9 9 7 。除电网供电状况有所好转外，抽水蓄能电站调频 起了决定性作用。 3 2 1 2 调相效益 电力系统的无功电力不足会造成电网电压下降；无功过剩又会导致电压升高， 这不仅影响到供电质量，还直接影响电力系统的安全可靠运行。因此，在电力平衡 中，除进行有功电力平衡外，还要进行无功电力平衡。当系统无功电力不足时，常 需装置调相机，有时也将同步发电机改做调相运行或增发无功出力，以补充系统无 功的不足。抽水蓄能机组是同步电机，不仅在发电或抽水以外的时间可以做调相机 运行，在发电或抽水的同时也可以供给电力系统无功电力，从而减少设置专门的无 功补偿设备。由此而获得的效益称为调相效益。 广蓄电站自投产以来，无论在发电工况还是在抽水工况运行，频繁承担了广东 电网调相任务，春节假日更为电网调相单独开机，以稳定系统电压。从1 9 9 3 1 9 9 6 ， 共发出无功电量2 _ 3 8 亿千乏时，吸收无功电量6 8 4 亿千乏时。其中1 9 9 6 年全年吸 收无功电量4 6 亿千乏时，约为有功电量的三分之一，对稳定电网电压作用很大， 效益十分明显。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 3 2 1 3 负荷跟踪效益 抽水蓄能机组不仅可以顶峰发电，还可以迎峰发电，即在负荷高峰出现时，快 速启动带上负荷，弥补火电机组升荷慢的特点。有些大电力系统在高峰时，负荷变 化率有5 0 m w m i n ，在晚问高峰时可达1 0 0 m w m i n ，抽水蓄能机组可以做到跟随负 荷变化，而大型火电机组的负荷反应速率仅为百分之几，实际上做不到这样快的负 荷跟随，所以如果系统里没有蓄能电站就很难应付这样大的负荷变化。抽水蓄能机 组承担负荷调整和满足日负荷曲线陡坡部分的变化，这方面只有燃气轮机可以与之 相比。抽水蓄能机组可以替代燃气轮机承担调峰任务，以节约燃油消耗，减少运行 费用。 3 2 1 4 旋转备用效益 为满足电力系统的正常供电需要，除要求电站有足够的工作容量外。还必须预 留一定数量的备用容量。备用容量一般分为负荷备用、事故备用和检修备用三类。 负荷备用容量用以应付不可预测的负荷增加；事故备用容量用来迅速顶替发生事故 的机组，使系统快速脱离事故状态，避免大范围停电甚至系统瓦解的危险；检修备 用容量是替代需检修机组工作的容量。为保证系统安全可靠运行，负荷备用及事故 备用容量中的一部分要经常处于旋转状态，这部分称为旋转备用容量。 火电机组承担的旋转备用容量，一般分散于系统中若干效率较低的机组上，即 这些机组要处于空转或少负荷运行状态，由于这些机组偏离最优工况运行，使系统 中火电站的燃料消耗量增加。抽水蓄能电站能够快速启动，工况转换迅速，由它承 担系统旋转备用容量可以减少火电机组所承担的旋转备用容量，改善火电机组的运 行方式，减少系统的燃料消耗量，对稳定系统频率和缓解事故起到重要作用。由此 而取得的效益称为旋转备用效益。 从广蓄电站一期