（水利水电工程专业论文）抽水蓄能电站效益综合评价研究.pdf

抽水蓄能电站效益综合评价研究 摘要 抽水蓄能电站启动快、调节灵活，在电力系统中可以承担调峰填谷、旋转 备用、事故备用、调频、调相等任务。随着我国电力市场改革，电网的调峰、 安全稳定运行和可靠供电面临更为严峻的形势，抽水蓄能电站对电网安全、稳 定和经济运行发挥着重要的作用。抽水蓄能电站效益的综合评价研究有助于科 学、系统、全面的认识抽水蓄能电站效益，对抽水蓄能电站的建设和发展起着 至关重要的作用，具有重要的理论研究价值和实际意义。 为了克服常规评价方法对抽象蓄能电站进行效益评价的片面性，本文从抽 水蓄能电站静态效益、动态效益及环境效益三方面，构建了全面的综合评价指 标体系，建立了抽水蓄能电站效益综合评价的属性识别模型。并将该模型运用 于实例，对抽水蓄能电站效益进行了综合评价分析，以期为今后合理、准确、 科学地评估抽水蓄能电站效益提供理论参考和决策依据。 关键词：抽水蓄能电站静态效益 动态效益环境效益综合评价 t h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ns t u d yo np u m p e ds t o r a g e p o w e rs t a t i o n sb e n e f i t s a b s t r a c t p u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o ns t a r t sf a s ta n da d j u s t sf l e x i b l y , s oi tc o u l dt a k e t h et a s k so f p e a kr e g u l a t i o n ，v a l l e yf i l l i n g ，s p i n n i n gr e s e r v a t i o n ，a c c i d e n t r e s e r v a t i o n ，p h a s em o d u l a t i o na n df r e q u e n c yr e g u l a t i o ni nt h ep o w e rs y s t e m a l o n g w i t ht h er e f o r mo fc h i n e s ee l e c t r i c i t ym a r k e t ，t h ep e a kr e g u l a t i o n ，s a f ea n ds t a b l e o p e r a t i o na n dr e l i a b l ep o w e rs u p p l yo ft h ep o w e rs y s t e mw o u l df a c em o r es e v e r e s i t u a t i o n p u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo nt h es e c u r i t y , s t a b i l i t ya n de c o n o m yo p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m t h ec o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o ns t u d yo fp u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n sb e n e f i t sc o u l dc o n t r i b u t et oa s c i e n t i f i c ，s y s t e m a t i ca n dc o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a t i n go fp u m p e ds t o r a g ep o w e r s t a t i o n sb e n e f i t s 。t h i sp l a y sav i t a lr o l eo nt h ec o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to f p u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n ，a n dh a sa ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e i no r d e rt oo v e r c o m eo n e - s i d e db e n e f i t se v a l u a t i o no fp u m p e ds t o r a g ep o w e r s t a t i o nm a d e b y c o n v e n t i o n a le v a l u a t i o nm e t h o d s ，t h i sa r t i c l eb u i l d sa c o m p r e h e n s i v ea n di n t e g r a t e de v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mf r o mt h r e ea r e a so fp u m p e d s t o r a g e p o w e r s t a t i o n sb e n e f i t s - s t a t i c b e n e f i t s ，d y n a m i c b e n e f i t sa n d e n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s ，a n de s t a b l i s haa t t r i b u t e r e c o g n i t i o n m o d e lo na c o m p r e h e n s i v ee v a l 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 sb e n e f i t s t h e nt h e m o d e li sa p p l i e dt oar e a lc a s e - t h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o na n da n a l y s i so f p u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n sb e n e f i t s t h er e s u l ti se x p e c t e dt op r o v i d ea t h e o r e t i c a lr e f e r e n c ea n dd e c i s i o n m a k i n gb a s i sf o rr e a s o n a b l e ，a c c u r a t ea n d s c i e n t i f i ce v a l u a t i o no np u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n sb e n e f i t si nf u t u r e 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 ；s t a t i cb e n e f i t s ；d y n a m i cb e n e f i t s ； e n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s ；c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 插图清单 图1 1抽水蓄能电站能量转换过程1 图3 1抽水蓄能电站效益综合评价指标体系3 3 表格清单 表1 1我国已建抽水蓄能电站一览表5 表3 1综合评价方法缺点和不足分析对比31 表4 12 0 0 5 年电网各类发电机组构成4 0 表4 2某省电网电力需求预测表4 1 表4 3某省2 0 1 5 年典型日负荷曲线：4 1 表4 4某省2 0 15 年火电机组构成4 2 表4 5各类火电机组煤耗特性4 2 表4 6抽水蓄能电站和燃煤火电站费用分析比较4 3 表4 7抽水蓄能电站不同容量划分4 5 表4 8不同方案下的抽水蓄能电站效益4 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，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 金壁王些盔堂 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谢意。 学位论文作者签字预蜘签字日期：y 肜年牛月z 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借 阅。本人授权 金胆王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 倾僦 签字日期：口年牛月叼日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 士园 导师虢 棚鼍 签字日期：o 卜年丫月多日 电话；【3 f o 了s lv 、c l 。 邮编q 一7 致谢 本论文是在我的导师徐得潜教授的悉心指导下完成的，论文的选题、撰写 与修改都倾注了徐老师大量的心血。在我研究生的学习生涯中，徐老师无论在 学习还是生活上，都给予了我无微不至的关怀与帮助。值此论文完成之际，谨 向徐老师表示我最诚挚的谢意和感激。 近两年半的时间里，徐老师认真负责的工作态度、崇高的敬业精神、理论 联系实际的教学风格、严谨求实的治学态度给我留下了深刻的印象，使我受益 匪浅，是我今后学习、工作和生活的楷模。 此外，我要感谢我的父母，他们多年以来对我的关心、理解、鼓励和支持， 使我顺利地完成了研究生阶段的学习。 感谢我的室友唐文超和陈欢，感谢我的同学刘倩倩、刘三奇、陈丽萍、花 能新、詹淼等人。 最后，感谢土木与水利工程学院各位老师对我的帮助。 作者：顾晓亮 2 0 1 0 年3 月2 4 日 1 1 抽水蓄能电站概述 1 1 1 抽水蓄能电站工作原理 第一章绪论 抽水蓄能电站是一种特殊形式的水电站，与常规水电站主要不同之处在于： 它有上、下两个水库将水循环利用；它的机组，不仅能像常规水电站一样发电， 而且也能像水泵站那样抽水；它不仅供给电网电量，进行调峰，而且也消耗电 网电能，用于抽水；它生产的产品是电，消耗的原材料还是电【l 】。 抽水蓄能电站的机组可以以水轮机和水泵两种方式工作，进行蓄能和发电。 但是，抽水蓄能电站发电之前需要利用电力系统中其他机组所产生的剩余电能 来蓄能，并没有自身的能源。因此，抽水蓄能电站可以说是电力系统和电力技 术发展到一定阶段的产物。在整个电力系统中，包括农业、工业、公共事业等 很多类型的用电户。这些用电户用电情况各不相同，从而导致电力系统的负荷 很不均匀。根据电力系统的日负荷图可以知道，电力系统每天上午、下午和晚 上各有一个高峰，唯一的低谷发生在午夜。午夜时，电力系统处于负荷低谷， 这时的抽水蓄能电站通过水泵利用整个电力系统中多余的电能，将下水库的水 抽到上水库。等到了电力系统用电高峰时，抽水蓄能电站再将上水库的水放到 下水库，并通过水轮机发电，以补充高峰电量，满足整个电力系统的调峰需求。 如此不断循环工作，其能量转换过程见下图【lj ： 图i i 抽水蓄能电站能量转换过程 抽水蓄能电站抽水时，用去电网中低谷时的电能，把水抽到上水库，变为 水的势能；在系统用电高峰时，放水发电，再把水的势能变为电能。由于存在 输水、发电、抽水的损失，显然放水发电的能量将小于抽水用去的电能。两者 的比值，称为抽水蓄能电站的综合效益系数”，其数值一般在o 6 5 o 7 5 之间。 这也就是通常所说的“四度电换三度电”。就是把电网用电低谷时多余的四度电， 变为用电高峰时的三度电。 1 1 2 抽水蓄能电站的作用 抽水蓄能电站为电网提供高峰电力，减少系统峰谷差，将系统价值低、多 余的低谷电能转换为价值高、必需的高峰电能。抽水蓄能电站启停迅速，具有 调峰填谷、无功调节、调频、备用、黑启动等辅助服务功能，运行灵活、可靠， 在保证电网安全、稳定运行中发挥着重要作用，是电网重要的保安电源，同时 具有节能与环保等显著的社会经济效益。随着我国电力体制改革的进行，抽水 蓄能电站将以其特有的优点发挥越来越重要的作用，主要体现在以下几个方面： 1 保证电网安全、经济和稳定的运行p j “厂网分开”后，电网经营企业维护电网安全稳定运行所面临的矛盾和困 难越来越大，主要表现在：第一，用电需求不断增长的同时，电网经营企业可 以直接调控的电厂却因为“厂网分开”的电力改革而越来越少，维护电网安全 稳定运行的调控手段明显不足；第二，全社会不断增长的电力需求及电网中不 断增大的峰谷，使得电力系统调峰容量不足；第三，用户对供电可靠性和供电 质量提出了越来越高的要求。为满足需要，电网经营企业必须拥有合适的调峰、 调频、事故备用等手段。抽水蓄能电站在电网中的调峰填谷、调频、调相等作 用以及技术经济上的优越性，可以满足电网的以上需求，抽水蓄能电站将成为 保证电网安全、稳定、经济运行的最有力工具。 2 调节长距离电力输送 西电东送是我国电力建设的一个主题，旨在利用西部丰富的水力资源产生 电能来提供给东部发达地区，缓解其用电矛盾，促进东部地区的发展。长距离 输电投资大，其连续满容量输送的通常都是基荷电量。但是受电地区的负荷每 日要随时间早晚而变化，因此需要在适当地点有一个调节环节，来解决直流输 电中遇到的难题。抽水蓄能电站是缓和电网与长距离输电矛盾的重要手段。我 国抽水蓄能电站的运行实践表明，其在保证“西电东送”与“全国联网”工程 的安全、稳定运行方面起到了至关重要的作用。 3 缓解发电与灌溉的用水矛盾 常规水电站一般都兼有航运、灌溉等综合任务，很多时候，为了保证灌溉， 难以按照电力系统的要求来发电。其在灌溉季节因灌溉需要而连续发电，所提 供的为基荷电力，无法起到调峰填谷的作用。在非灌溉季节，则会因为水量不 足而无法供电。在这样的水电站中如果装设抽水蓄能机组，则可以通过水泵和 水轮机往复循环利用水能，不受灌溉用水的限制，避免了发电与灌溉争水，使 2 水电机组得以发挥其调峰填谷作用。 4 降低电力系统的燃料消耗，改变能源结构，节约能源 随着经济的发展，全社会用电需求不断提高，这大大促进了电力行业的快 速发展。但是，快速的发展也带来了很多问题，如电源结构不合理导致供电矛 盾。这种情况在一些以火电为主的电网尤为突出。而抽水蓄能电站在电力系统 中可以起到调峰调谷作用，其在电力系统中的运行可以有效减少系统的峰谷差。 在以火电为主的电网中，建设适当的抽水蓄能电站，可减少火电的装机容量， 优化整个电力系统的电源结构，节省投资和运行费用。抽水蓄能电站的投入运 行可使电网负荷得到合理调整，使得原来因承担调峰任务而压负荷工作的火电 机组可以以额定功率承担系统的基荷和腰荷，煤耗大大下降，从而减少了煤炭 燃烧对环境的污染。在同常规水电站联合运行时，抽水蓄能电站的投入可减少 常规水电站在汛期低谷时段的弃水，提高水能利用率。当抽水蓄能电站同核电 联合运行时，可保证核电经济、安全、稳定运行，提高能源的利用效率。以北 京十三陵抽水蓄能电站为例，其投入运行以后，成为了京津唐电网的第一调频 厂。京津唐电网火电调峰的规模因为十三陵抽水蓄能电站的运行而减少了，从 而节约了7 亿多的煤电投资。整个电网的年运行费也减少了5 8 0 0 多万元。由此， 抽水蓄能电站的社会环境效益可见一斑。 1 2 抽水蓄能电站发展状况 1 2 1 国外抽水蓄能电站发展状况 最早的抽水蓄能电站兴建于瑞士的苏黎世，其扬程为1 5 3 m ，装机容量为 5 1 5 k w 。从那时至今，抽水蓄能电站已有百余年历史。尽管如此，由于技术的 限制以及对其认识的不足，19 6 0 年之前，抽水蓄能电站发展较为缓慢。1 9 6 0 年以后，抽水蓄能电站进入了快速发展的时期。从1 9 6 0 年开始，世界上很多国 家都开始大量兴建抽水蓄能电站。此后的3 0 年内，全世界抽水蓄能电站的总装 机容量增加了将近3 0 倍。 从抽水蓄能电站总装机容量上来看，美国、日本、意大利的装机规模最大。 美国在1 9 6 0 年以前抽水蓄能电站发展不多，全国的装机容量仅为9 0 m w 。此 后，发展迅速，到1 9 9 0 年已发展到2 8 0 0 0 m w ，其电站规模越来越大，水头不 断增高。美国装机容量百万以上的的抽水蓄能电站有8 座，其多数水头超过 3 0 0 m 。上世纪9 0 年代后期，美国又陆续兴建了2 7 座电站，新增加装机容量 2 0 0 0 0 m w ，到2 0 0 0 年，美国的抽水蓄能电站总装机容量达到4 9 0 0 0 m w 之多。 同其他地区相比，西欧地区的抽水蓄能电站发展较早，上世纪8 0 年代，西 欧抽水蓄能装机容量已达到了3 4 0 0 0 m w ，这一数字占到了全世界抽水蓄能电 站装机容量的4 0 。在所有西欧国家中，意大利发展抽水蓄能最为迅速，上世 纪9 0 年代其装机容量达到了8 6 0 0 m w 。法国处于西欧联合电网中心，。其核电 比重大，在7 0 年代和8 0 年代兴建了大批抽水蓄能电站，同核电联合运行。其 在上世纪9 0 年代装机已达到6 6 0 0 m w 。卢森堡、奥地利、德国等国也大量修 建了大容量、高水头的抽水蓄能电站。在世界上所有的抽水蓄能电站中，较为 著名的是英国的迪诺威克抽水蓄能电站，其水头超过了5 0 0 m 。 从当今世界各国发展抽水蓄能电站的情况，可以归纳出以下四点【2 】： 一、抽水蓄能技术从上世纪6 0 年代开始有了很大进步，全世界各地出现了 越来越多的高水头、大容量抽水蓄能电站。 二、抽水蓄能电站的建设是与电力系统的发展密切联系在一起的，系统中 高参数、大容量火电机组和大型核电机组的投入，导致电网供电负荷率的进一 步降低。抽水蓄能电站所能起到的调峰填谷作用，使其成为整个电力系统中一 个不可缺少的组成部分。 三、世界上很多国家都在大力发展抽水蓄能电站。那些水力资源比较丰富 的国家，如巴西等，由于水力资源分布不均，以及远距离输送调峰电力在技术 上和经济上存在着一定的困难，都尝试着在负荷中心地区修建抽水蓄能电站。 四、由于抽水蓄能电站运行灵活，除了担任调峰填谷外，还能承担调频、 负荷跟踪、事故备用、调相等任务。 1 2 2 国内抽水蓄能电站发展状况 我国江河纵横，湖泊众多，蕴藏着巨大的水能资源，是世界上水能资源最 丰富的国家之一。但是，其时空分布很不均衡。从空间上来说，集中在西南地 区，东北、华东、华北水能资源非常贫乏。我国从上世纪6 0 年代开始研究开发 抽水蓄能电站，旨在解决电力系统中的调峰问题。我国最早的抽水蓄能电站兴 建于岗南和密云。当时，由于对抽水蓄能电站的重视不够，对其经济效益缺乏 认识，致使因其发展缓慢。自1 9 7 8 年以来，随着我国国民经济不断发展，全社 会用电水平不断提高，电力负荷增长很快，峰谷差不断加大。尤其是在华北、 华东等以火电为主的电网，调峰填谷引起的矛盾日益突出。人们逐渐认识到， 在大城市等负荷中心附近，往往缺乏足够的调峰能力。在这些缺乏调峰电源的 电网中，修建抽水蓄能电站有着很大的合理性和重要性。这大大促进了抽水蓄 能电站的建设。此后，高水头、大容量抽水蓄能电站的建设也提上了议事日程。 我国台湾省的明湖抽水蓄能电站，装机1 0 0 0 m w 已投产发电；广州抽水蓄能电 站，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 ， 2 0 0 0 年3 月己全部投产发电。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，还有一大批抽水蓄能电站处于规划立项阶段。截 至2 0 0 7 年底，我国大陆已建成投产抽水蓄能电站l8 座( 表1 1 ) ，总装机容量 将近8 9 0 0 m w ，占我国发电总装机容量的1 3 左右，比例相当低，发展潜力很 4 大。表1 1 整理了我国已建抽水蓄能电站和部分拟建的大中型抽水蓄能电站的 有关资料，从中不难看出我国抽水蓄能电站的建设现状及广阔的发展前景。 表1 1我国已建抽水蓄能电站一览表 装机容量 序号电站名称 所在省份 电站类型投产时间 ( m w ) 1岗南 河北 混合式 l 1 l 1 9 6 8 2密云北京混合式2 l l1 9 7 3 3 潘家口 河北混合式3 9 01 9 9 2 4寸塘口四川纯蓄能 l 1 1 9 9 2 5广州一期 广东 纯蓄能 4 x3 0 0 1 9 9 4 6 十= 障 北京纯蓄能 4 2 0 0 1 9 9 7 7羊卓雍湖西藏纯蓄能4 2 2 51 9 9 7 8溪口 浙江 纯蓄能 2 4 0 1 9 9 8 9天荒坪浙江纯蓄能6 3 0 02 0 0 0 1 0广州二期 广东纯蓄能4 3 0 0 2 0 0 0 1 1响洪甸安徽混合式 2 4 0 2 0 0 0 1 2 天堂湖北纯蓄能2 3 52 0 0 1 1 3沙河江苏纯蓄能 2 5 0 2 0 0 2 1 4桐柏浙江纯蓄能 4 x3 0 0 2 0 0 5 1 5白山吉林混合式2 1 5 02 0 0 5 1 6回龙河南纯蓄能2 6 02 0 0 5 1 7泰安 山东 纯蓄能 4 2 5 0 2 0 0 6 1 8 琅琊山 安徽纯蓄能4 1 5 02 0 0 7 1 3 抽水蓄能电站经济评价现状 从抽水蓄能电站诞生至今的百余年发展过程中，人们对于抽水蓄能电站的 认识，经历了一个由浅入深的动态过程。早期的抽水蓄能电站大多只用于在汛 期抽水，然后枯水期发电，只起到补充枯水期电量不足的作用。进入2 0 世纪5 0 年代，抽水蓄能电站开始承担调峰、调频等动态任务，逐渐显示出其动态效益 并在电力系统中发挥着不可替代的重要作用。进入8 0 年代，各国对动态效益的 研究有了新的突破，从过去的定性分析发展到定量评价，实现了质的飞跃。1 9 8 4 年5 月7 日至11 日在美国波士顿召开的“蓄能电站运行动态效益国际研讨会， 迈出了抽水蓄能动态效益由定性分析到定量评价的关键一步。美国电力研究院 ( e p r i ) 的a f e r r e i r o 和麻省理工学院( m i t ) 的c e c a r v e rj r 首次将动态效 益划分为6 个方面，即旋转备用、调频、负荷跟踪、同步调相、增加系统可靠性 和满足爬坡效益。正是在此基础上，人们提出了抽水蓄能动态效益定量评价的 分项要求和模型，即先分项解析求出上述6 种动态效益功能所取得的效益，然后， 将各单项动态效益算术相加得到总的动态效益。北京勘测设计院、合肥工业大 学和华东勘测设计院、中南勘测设计院等单位，在评价抽水蓄能电站的动态效 益时均采用了分项求和模型。文献【4 】全面介绍了当前抽水蓄能电站效益评估的 研究现状，包括静态效益、动态效益以及静、动态效益的综合评估；总结了各 种效益评估方法的优缺点和适用范围，并针对抽水蓄能电站动态效益现有分类 方法的不足，对动态效益重新进行界定和分类。 在各种数据库的文献查阅中，发现直接对抽水蓄能电站效益综合评价的具 体方法进行研究或论述的中外文献并不多，且大多数都只是对抽水蓄能电站效 益的定性评价。文献【5 j 针对欧洲东南部地区区域电力市场的特点主要是从定性 的角度分析了水电站和抽水蓄能电站的作用与价值问题。文献1 6 儿7 】基于特定电 网和电站，分析了南阳回龙和隔河岩抽水蓄能电站的效益，但仅仅是简单的描 述性定量分析。文献【8 j 针对抽水蓄能电站在电力系统中的功能和效益，阐述了 抽水蓄能电站静态效益和动态效益的评价方法。通过系统中“有”、“无”抽水 蓄能电站时的电源扩展方案对比及电站运行方式的变化，分析评价了抽水蓄能 电站的静态效益和动态效益。文献一j 通过对抽水蓄能电站作用和影响的分析， 构建了抽水蓄能电站技术经济综合评价指标体系，并利用g 1 法计算了指标体系 的权重，模糊综合评判法建立了评价模型，最后应用此模型对桐柏抽水蓄能电 站进行了实证。文献【l o j 采用项目经济评价中“有无对比 分析方法，建立了抽 水蓄能电站经济效益和环保效益的计算模型，形成了抽水蓄能电站节煤、节油、 减少投资及运行维护费用、污染物减排的系统计算方法。文献i l l 】将抽水蓄能电 站的效益指标分为经济效益、电网效益、社会效益以及环境效益四个方面，构 建了全面的综合评价指标体系，建立了基于粗糙集和支持向量机的抽水蓄能电 站效益综合评价模型。文献i l2 j 研究了市场条件下抽水蓄能的经济效益问题。在 分析传统效益划分方法的基础上，以市场运行的视角，对经济效益的分析进行 基于市场观点的重新描述，并采用模糊层次分析法，对抽水蓄能电站经济效益 进行综合评价，进一步分析电力市场条件下抽水蓄能电站经济效益问题。 1 4 论文研究目的与内容 随着国民经济的持续发展和人民生活水平的提高，电力需求将进一步增加， 加大电力工业建设的同时，需要解决电网运行安全问题以及缓解节能减排压力， 而抽水蓄能电站正是有效途径。抽水蓄能电站在电力系统中承担调峰填谷、旋 转备用、事故备用、调频、调相等任务。它对增加系统的稳定性、灵活性、改 善供电质量，提高电网的安全性和经济性具有重要的意义，是调控电力系统运 6 行的有效手段。因此它的兴建可以大大改善电力系统各类发电机组的运行状态， 获得较好的系统效益。传统上对于抽水蓄能电站经济效益的评价，通常只考虑 了静态效益( 调峰填谷、节煤) ，对其进行经济评价。这种评价方法，没有考虑 到抽水蓄能电站因其特殊性而在电网中承担各项辅助功能( 即动态功能) 所产生 的效益，也没有考虑到其对社会经济、自然资源和生态环境带来的影响，可以 说是不全面的。 抽水蓄能电站建设不可避免地会对地区的社会经济、自然资源和生态环境 带来影响。因此，从抽水蓄能电站的实际出发，多角度综合考虑抽水蓄能电站 的综合效益十分必要。 本文的研究内容主要有： 1 ) 基于抽水蓄能电站的特殊性，研究其在电网中所起的作用：调峰填谷、 旋转备用、事故备用、调频、调相等，并将抽水蓄能电站在电网中因其不同作 用而产生的各项效益纳入电站效益综合评价的指标体系。 2 ) 分析抽水蓄能电站的环境效益，并选取若干合适指标作为抽水蓄能电站 效益综合评价指标体系的一部分。 3 ) 在分析抽水蓄能电站各项效益的基础之上，构建抽水蓄能电站效益综合 评价指标体系，建立抽水蓄能电站效益综合评价模型，对抽水蓄能电站效益进 行综合评价和分析。 7 第二章抽水蓄能电站效益分析 抽水蓄能电站在世界各国电力系统中发展如此之快，主要是由于它以较低 的成本，为系统提供调峰填谷、调频、调相、事故备用、负荷跟踪等功能，对 提高电网的稳定性和可靠性，起到积极作用。因此，抽水蓄能电站通常被认为 是电网运行的保安电源，成为确保电网安全稳定运行与提高供电质量的重要工 具。目前对其效益的界定也总是从以上诸方面来展开的。 毫无疑问，身为电网中的一个成员，抽水蓄能电站对电网中其他电站必然 产生各种各样的影响。同时，也会对地区的社会经济、自然资源和生态环境带 来影响。本章从抽水蓄能电站的实际出发，基于抽水蓄能电站本身的特性，研 究分析了抽水蓄能电站的各项静态效益、动态效益和环境效益。 2 1 静态效益分析 抽水蓄能电站在电力系统中发挥静态功能，由此可以产生相应的静态效益， 比如其调峰填谷作用可以减少电网为保证高峰负荷需求所必需的火电装机容 量，同时能够改善系统中部分火电机组的带负荷特性，优化机组运行，提高这 部分火电机组的运行效率，从而给电力系统中的发电厂等相关企业带来一定的 经济效益。抽水蓄能电站的静态效益主要归结为容量效益和调峰填谷节煤效益。 2 1 1 容量效益 抽水蓄能电站是调节电网负荷曲线高峰和低谷之间差距的有效措施。负荷 高峰时段，它可以作为水电站发电，担任电网高峰容量；用电低谷时段，则可 作为电网用户，吸收低谷时多余的电量用来抽水蓄能，减少负荷峰谷差。因此 抽水蓄能电站可减少火电机组日出力变幅，使起在高效区运行，增加发电量， 并使核电和大型火电机组稳定经济运。常规水电站一般需承担防洪、灌溉、航 运等综合任务，与之相比，抽水蓄能电站则不需要承担这些任务，其建设成本 更低，建设周期也更短。同火电站相比，抽水蓄能电站建设成本和运行费用都 较低。抽水蓄能电站能有效地承担系统的工作容量和备用容量，从而可减少火 电装机容量，节省电力系统的投资和运行费用，由此产生的经济效益称为容量 效益。 抽水蓄能电站容量效益的测算模型可以表示为： ，、，、 b l = 【c 0 + 厶似尸，f ，玎) 卜【c 芦+ ，芦恤尸，f ， 卵) ( 2 - 1 ) 式中，马为抽水蓄能电站的容量效益；c o 为火电站的年固定运行费用：厶为火 电站的建设投资；c 甜为相同容量抽水蓄能电站的年固定运行费用；，甜为相同 容量抽水蓄能电站的建设投资；f 为折现率；刀为火电站投资回收期；刀。，为抽 水蓄能电站投资回收期。 抽水蓄能电站土建工程量较少，设备相对简单，其单位造价低于常规火电 站。根据我国近期拟建大型抽水蓄能电站设计资料分析，单位静态投资为 3 0 0 0 4 0 0 0 元千瓦。己投产的广州抽水蓄能电站工程造价是全国最低的。其一 期工程单位动态投资约为2 2 3 6 元千瓦，二期工程单位动态投资约为2 5 8 0 元 千瓦。广东惠州抽水蓄能电站，单位投资估算为2 2 3 2 元千瓦。火电站的单位 静态投资约为4 0 0 0 5 0 0 0 元千瓦。实际证明，用抽水蓄能电站替代部分火电承 担调峰任务，可大量节省电力建设投资。此外，与火电厂相比，抽水蓄能电站 运行及维护所需的工作人员数量较少，在很大程度上减少了电站的固定运行费 用。根据以往的统计资料，抽水蓄能电站固定运行费用一般为固定资产的 1 5 2 5 。与之相比，燃煤电站的固定运行费用则较大，达到了固定投资的 3 5 4 5 。 2 1 2 调峰填谷效益 一、抽水蓄能电站调峰填谷效益概述 在满足电力系统同一供电要求的前提下，根据抽水蓄能电站投入前、后火 电机组运行方式与运行特性指标的改变，以及抽水、发电两种工况下的电量平 衡与系统燃料平衡的关系，文献【2 1 1 得出了抽水蓄能电站发电煤耗的表达式： ”羽1 降一铆 。一臀 p 2 ， 式中，刁是抽水蓄能电站综合效率系数；为压荷系数；三。为抽水用电线损率； f 未抽水蓄能电站投入运行后，火电站的厂用电率；f ，为抽水蓄能电站未投入 使用前，火电站的厂用电率；瓦为抽水蓄能电站未投入使用前火电机组的压荷 时间；b 。为火电机组额定工作时的发电煤耗率；b ，为火电机组压负荷工作时的 发电煤耗率。 上述公式把抽水蓄能电站本身的煤耗量与抽水蓄能电站投入运行后电力系 统节省的煤耗量混淆，文献【2 1 】中例题根据此公式计算出的抽水蓄能电站的发电 煤耗率会比基荷火电机组煤耗率还要低。本文认为两者性质不同，抽水蓄能电 9 站利用基荷发电，但是由于能转换过程中存在一定能量的损失，其综合效率小 于1 ，所以抽水蓄能电站本身的发电煤耗必然比承担基荷的火电机组煤耗要高。 但是，由于抽水蓄能电站把四度的基荷电量转换为三度的峰荷电量，其在电网 中的投入运行可以替代发电煤耗高的调峰火电机组，使原来压负荷运行的火电 机组可以在低煤耗的额定工况下运行。抽水蓄能电站在系统中的投入运行，提 高了系统中其他机组的运行效率，使整个电力系统的燃料消耗减少，产生一定 的节煤效益。抽水蓄能电站投入运行后，电力系统中其他火电机组因此节约的 燃料消耗大于提供抽水蓄能电站抽水发电的燃料消耗，两者的差值即为抽水蓄 能电站的节煤效益。 抽水蓄能电站投入电网与火电联合运行，使整个电力系统产生的燃料节约 主要体现在以下两个方面： ( 1 ) 调峰节煤。抽水蓄能电站能有效承担系统的调峰任务，从而代替了煤 耗率高、发电成本贵的调峰火电机组，使系统燃料总消耗减少，这部分燃料的 节约称为调峰节煤。 ( 2 ) 填谷节煤。在系统低谷时，抽水蓄能电站利用腰荷的火电机组所发出 的电能作为抽水电源，从而使这部分腰荷转为基荷，改善了火电机组的运行条 件，提高了机组设备利用率，降低了厂用电率和耗煤率，这部分燃料的节约称 为填谷节煤。 上述两方面节煤效益的总和，扣除提供抽水蓄能机组抽水发电的燃料消耗， 即为抽水蓄能电站的调峰填谷节煤效益。 二、抽水蓄能电站调峰填谷效益计算分析 本文假设火电机组调峰填谷的方式为压负荷调峰填谷，据此对抽水蓄能电 站调峰填谷效益进行计算分析。 ( 1 ) 调峰节煤量计算 1 火电机组压负荷峰荷 在这种情况下，火电机组非调峰时以压负荷( 高煤耗率) 运行，调峰时以额 定负荷( 低煤耗率) 运行，单位时间内( 一天) 机组的煤耗量为： b f q = t f n f b y q 淫一t f ) 。n f 于b y2 - 3 ) 式中，0 为调峰时间，单位，办；，为承担调峰的火电机组的容量，单位，k w ； 6 如为火电机组额定工作时的发电煤耗率，单位，g ( k w h ) ；f 为压荷率；b ，为 火电机组压负荷工作时的发电煤耗率，单位，g , ( k w h ) 。 2 抽水蓄能机组调峰 抽水蓄能机组参与后，可以替代原来的火电机组承担调峰任务，减少火电 1 0 机组的容量，原来在非调峰时压负荷( 高煤耗率) 运行的火电机组在一天中都能 以额定负荷运行在基荷位置。抽水蓄能机组参与调峰后单位时间内( 一天) 机组 的煤耗量为： b ，o = 2 4 r f b 加 ( 2 - 4 ) 式中，m 为承担调峰的火电机组的容量，单位，七缈；厂压荷率；b y 。为火电机 组额定工作时的发电煤耗率，单位，g ( k r v h ) 。 由此，可以计算出抽水蓄能机组承担调峰任务后，单位时间内( 一天) 系统 节约的煤耗量为： b f = t f 。n f 。b 闪+ i 4 一t f l n f f b y 一2 4 nf 。，b y 口 q 一 ( 2 ) 填谷节煤量计算 抽水蓄能电站投入前，火电机组在谷荷时压负荷( 高煤耗率) 运行，其他时 间里以额定负荷( 低煤耗率) 运行；抽水蓄能电站投入后，火电机组可以始终以 额定负荷( 低煤耗率) 运行。两者相比，在抽水蓄能机组投入运行后火电机组工 作效率有所提高，煤耗率降低。抽水蓄能电站承担填谷任务时，单位时间内( 一 天) 系统节约的煤耗量为： 色= t 。g ( 6 y b y 。) ( 2 - 6 ) 式中，t 为填谷时间，单位，乃；g 为承担填谷的火电机组的容量，- 单6 7 _ ，后既 f 为压荷率；6 加为火电机组额定工作时的发电煤耗率，单位，g ( k w h ) ；6 ，为 火电机组压负荷工作时的发电煤耗率，单位，g ( 1 c w h ) 。 ( 3 ) 抽水蓄能电站抽水发电燃料消耗 抽水蓄能电站抽水发电时，在电力系统中提供这部分电力的是处在基荷工 作的煤耗率较低火电机组。抽水蓄能电站单位时间内( 一天) 抽水发电的煤耗量 为： b ，= 乙n p b y o 力 ( 2 - 7 ) 式中，为抽水蓄能电站发电工作小时数，单位，办；n p 为承担填谷的抽水蓄 能机组的容量，单位，忌形；6 仰为火电机组额定工作时的发电煤耗率，单位， g ( k w h ) ；r l 是抽水蓄能电站综合效率系数，其数值一般在o 6 5 0 7 5 之间。 由此可以得出，抽水蓄能电站承担调峰填谷任务时的年节煤效益为： b = 3 6 5 魄+ 刀g b p ) e o 即 b 2 。3 6 5 【弓，。b y 。( 2 4 一m n f f b y - 2 4 m f +( 2 8 ) t g ng y b y o ) 一t p np b y o , 7 、p o 式中，弓为调峰时间，单位为办；，为承担调峰任务的火电机组的容量，单位， 七阢6 y o 为火电机组额定工作时的发电煤耗率，单位，g ( k w h ) ；f 为压荷率； 钆为火电机组压负荷工作时的发电煤耗率，单位，g ( k w j i z ) ；t 为填谷时间， 单位， ；g 为承担填谷的火电机组的容量，单位，k w ；乙为抽水蓄能电站发 电工作小时数，单位，办；。为承担填谷的抽水蓄能机组的容量，单位，k w ； 叩是抽水蓄能电站综合效率系数，其数值一般在0 6 5 0 7 5 之间；忍为煤炭价格， 单位，元t 。 需要说明的是，为了简化起见j 这里并未考虑电厂的线损率和厂用电率。 对于日调节抽水蓄能电站，抽水蓄能电站发电工作小时数乙等于调峰时间乃， 其发电调峰时间与抽水调谷时间应满足t = 孑，7 是抽水蓄能电站综合效率 系数。 抽水蓄能电站由于其运行灵活，能够在电力系统中发挥一定的动态功能， 由此可以产生相应的动态效益。对机组构成不同的电力系统来说，抽水蓄能电 站在其中所体现出来的动态效益性质十分相近，但数量上有所差别。一般而言， 抽水蓄能电站的动态效益主要包括调频效益、调相效益、负荷备用效益、快速 负荷跟踪效益和提高供电可靠性效益等。 2 2 1 调频效益 一、电力系统中的频率调整 频率是电力系统的主要变量之一，电力系统的频率一般都会限定在一个一 个范围内。如果频率超出了允许偏移的范围，就会影响供电质量，严重的时候 甚至会对整个电力系统的安全运行造成危害。频率的稳定依赖于发电功率与负 荷功率间复杂的平衡关系。不平衡可能是由于负荷预测的误差、缺少跟踪负荷 变化的发电容量或由于故障造成的突然失去发电功率或负荷功率等【4 1 1 。频率调 整可以保证电力系统的供电质量，为了保证电网的频率稳定，传统电力系统的 调频采用多次调频措施配合使用。一次调频由发电机的调速器实时调节，目的 是完成负荷实时跟踪，将频率变动控制在允许的范围之内。二次调频由调频机 组负责，目的是消除功率不平衡，使频率恢复到5 0 h z 。三次调频通过合理安排 发电计划，减少不平衡发生的机会。 通过频率调整，可以完成以下功能1 4 l j ： ( 1 ) 使发电功率自动跟踪负荷功率的变化； ( 2 ) 响应负荷功率或发电功率的随机变化，维持系统频率为规定值； ( 3 ) 在区域内分配系统发电功率，维持区域间净交换功率为计划值； ( 4 ) 对周期性负荷变化，按发电计划调整发电功率，对偏离计划的负荷功 率，实现在线经济负荷分配； ( 5 ) 监视、调整备用容量，满足安全需要。 二、抽水蓄能电站的调频效益分析 电力系统由于负荷波动和计划外负荷增减，均会导致系统频率的变化。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，即压负荷运行， 这种情况下机组运行效率低，燃料消耗大。火电厂调频不仅受到汽机和锅炉出 力增减速度的限制，而且还受到锅炉最低出力的限制。而抽水蓄能电站自动化 程度高，增减负荷灵活，对负荷随机、瞬间变化的反应速度快，具有很强的应 付突荷能力，能保证电网频率稳定，起到调频作用。我们称抽水蓄能电站在调 频过程中体现出的效益为调频效益。 。 抽水蓄能电站在电网调频过程中发挥了很重要的作用。火电机组承担调频 任务时，其处于压负荷运行状态，启停次数也将增加，这将增加系统燃料费用。 此外，火电机组因承担调频而导致出力变化，使火电机组的检修次数和检修时 间发生变化，导致检修费用的增加。抽水蓄能电站承担调频效益，就是指抽水 蓄能电站替代火电站机组承担调频任务时，减少的火电站机组启停及燃料费用， 以及减少的检修费用。必须指出的是，抽水蓄能电站承担调频任务时，由于水 电机组的频繁启停，会产生一定的能量损耗。 文献【4 1 】从电力系统运行实际出发，首先对电力系统中的频率调整进行了详 细介绍，指出电力系统中频率异常所带来的危害，并介绍了电力系统中的调频 现状，最后基于抽水蓄能机组自身的特点，分析了抽水蓄能电站在电力系统中 所具有的调频效益。虽然该文献对电力系统调频及抽水蓄能电站调频进行了详 细解释，但是并没有提出抽水蓄能电站调频效益的详细评估方法及给出相应的 数学模型，其对抽水蓄能电站的调频仅仅做了定性分析。 文献【2 2 】首先定义了抽水蓄能电站的调频效益：“抽水蓄能电站由于具有活 动导水叶设备而运行灵活，出力变化范围在0 - 1 0 0 ，调整灵活，运行效率变化 较小，适应负荷随机变化，代替火电机组完成调频任务，由此而产生的效益称 谓调频效益。 在此基础上，得出了抽水蓄能电站调频动态效益计算公式： s d 2 - ( b 2 ”6 巩h 一袅咿月z + 】，( 2 - 9 ) 式中，s d ：为抽水蓄能电站调频动态效益，万元；b ：为燃汽轮机启动燃料 消耗率或火电机组由最小技术出力到带满负荷的煤耗率，g k w h ；n ：为日启 动或升荷次数，次；b 为机组调峰时标准煤耗，g k w h ；t 为一天内一台机组 调频运行时数，h ；口为一台机组容量，万尼矾m ，为相应机组台数，台；厂为 煤价，元力；矿为水轮机启动空载水量消耗，m 3 ；h 为水电站平均水头，m ；，7 表示水轮发电机组效率；n 胃为水轮机日启动次数，次；m 珂为相应水轮机台数， 台；f 为电价，元k w h ；y 为速度滞后损失，万元。 上述公式只考虑了系统中同型号机组承担调频工作的情况，且忽略了检修 费变化值。实际情况下，抽水蓄能机组替代火电机组承担调频任务后，原来因 承担调频而变出力运行的火电机组，变成了