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水电在可持续发展中的作用(一)

第七章 水电在能源市场中的作用


    水电是利用水的落差所产生的电能,发电过程简单。实际上,按照电力服务要求以及特定的站址情况,水力发电过程具有许多不同的用途。相应的,水电项目种类繁多,每一个水电项目将提供不同种类的服务,产生不同的环境和社会影响,以及取得不同性质和幅度的效益。因此,必须对每一个水电项目所提供的有关服务进行评估。在提供社会相同服务的基础上,必须对供电项目进行比较。水库的蓄水和状况成为最重要的影响因素。然而,水库也提供了最大限度的供电服务,因为它是储存大量能源的最有效方式,同时,电站能够通过大量释放能源对电力需求立即进行调节。而且,除了储存能源外,水库还有许多其它用途,例如,在下游进行低成本径流式电站的开发,而不会对环境造成任何影响。
7.1 水电对世界上目前电力供应的贡献
    2001年,水力发电量为2,740TWh(2740×109度),占世界发电总量的19%。在66个国家的电力供应中,水电占了至少50%;24个国家中占了90%多。欧洲和北美占了这些容量和发电量的一半左右。但是,随着亚洲和拉美对新的水电站进行大量开发,这一比例正在改变。对于那些贫穷的山区国家,如老挝或尼泊尔,水电出口为经济的增长提供了新的财政收入。在许多发展中国家,如:安哥拉、布隆迪、喀麦隆、扎伊尔、刚果、埃塞俄比亚、莫桑比克、纳米比亚、卢旺达、乌干达、阿富汗、不丹、格鲁吉亚、老挝、尼泊尔、斯里兰卡以及所有的中南美洲,水电已经在电力生产中占据主导地位。即便如此,水电的发展潜力仍然十分巨大。
7.2 充分利用现有的水电设施
    虽然我们对能源需求的增长深信无疑,但不必自动地按比例增加发电设施,改善现有电站的运行状况和容量将减少对更多发电设施的需求压力。事实上,对世界上已有方案进行升级的潜力巨大,从而能够增加新的容量而不必耗资进行新的施工建设。对水电而言,世界上只有大约20%的大坝用于发电,增加现有大坝的水力发电容量空间巨大。例如,美国最近对水电资源评估后得出,通过对约2,500个已经开发的坝址增加发电机组,可以获得大约20GW的新增水电容量。
    水电技术的蓬勃生机已经由无数运行上百年的项目验证。譬如,位于瑞士弗里堡的梅格洛基水电项目,自从1872年投入运行,在过去的120多年来为当地城市的经济发展起到了重要作用。由于在水库区域内建立了生物的多样性,此电站项目现在处于保护区内。
    通过采取不同的措施,水电项目的运行寿命能够超出最初规划的年限,得以延长几十年。同时,电站出力能够在其使用年限内得到优化以满足电力市场的需要。可以采用一系列的技术来增加现有设备的出力。通过用水管理,对能源产出进行优化,如使电站在最优的效率状态下运行,或者调整流量增加水头,能够获得重大的收益。这并不需要任何投资,唯一的耗费只是进行设备性能测试和对运行人员开展培训。在加拿大魁北克的博哈诺埃和盖提罗两电站采取了此种方法。一些土建工程能够增加水轮机的进水量,通过使水流通道更畅通并进行一些细微的变化,这利于减少水能损失。其中一个例子便是位于新西兰、1971年完工的马拉波里电站。2002年,此电站新增了一条10公里长的尾水渠,将尾水引出水轮机。对渠道的改造设计使电站的出力大大提高。升级改造常常能够利用水工建筑物较长的使用寿命,用改进的工艺来更换原有的设备。经过多年的运行经验和取得的水文数据,能够进行再投资,利用现有的技术来延长其运行年限和/或改变其运行方式。当具备季节性的较大流量时,通过增容,可以增加电站的发电量。巴西的许多电站就是通过这种方式进行升级的。一些情况下,决定用新的设备来全部更换电站的主要设备。例如,经过50多年的运行,位于斯洛文尼亚德拉瓦河上的德拉瓦格雷德电站、委瑞尼卡电站和马里博斯基电站中的所有发电设备都已经得到更换。升级换代后,流量增加了,三个电站的发电量增加了10%多。通过调整厂房内的一些特殊设备(如:引进先进的控制和调节设备),电站的能源产出、甚至容量都能得到增加。随着新技术和计算机模拟,专业承包商可以对原来陈旧的设备进行重新设定,如可以修正水轮机的转轮叶片,使机组的效率比以前大为提高,例如,新西兰的阿拉普尼电站。一个普遍的趋势是使带水库的电站容量更大,发电量能够满足电力系统的需要。因此,水轮发电机在运行时可以与电网联接,在干旱季节里能够立即满足突然增加的电力需求。当对电站进行长期升级时,可取得显著的额外收益和完善。甚至出力方面的小小收益和/或发电灵活性的完善将会带来实质上的区别。在成熟的系统中对水电站的陈旧设备进行升级换代所遇到的阻力比开发一个新的项目要小得多。当具备升级换代的潜力时,考虑到社会、环境和经济方面的因素,可以进行最小的投资。因而能在可持续发展中发挥重要作用。
7.3 水力发电容量新增潜力
    用于水电开发的资源全球广布。约150个国家仍存在开发潜力,大约70%经济可行的水电资源有待开发--大部分位于能源紧缺的发展中国家。
    有着良好的市场条件,大量新的水电开发将继续在南美、非洲和亚洲展开。在北美、欧洲和澳大利亚,水电市场将集中在对电站进行升级换代、可再生能源的激励措施和贸易上。欧洲已经开发了75%技术和经济上可行的水电潜力,这也为开发其它地方切实可行的水电潜力做出了好的示范。
7.4"水电的多样性":关于类型和规模的问题
    水电工程呈现多种形式,并且提供广泛的多种规模来满足多种需要及利用内容。根据国际能源协会(2000),水电项目可以采取多种方法进行分类,这些方法是相互包容的:
    ―按照利用目的,可分为单独利用和综合利用;
    ―按照储存容量方式,可分为径流式和水库类;
    ―按照规模可分为微型(容量小于100kW)、小小型(100 kW~1MW)、小型(1 MW~10 MW)、中型和大型水电项目。
    表10概括了水电项目的类型、每一类型的项目给电力系统产生的作用以及它们所带来的主要影响。所提供服务的程度与其容量直接相关,又大大决定了它们对环境的影响。


表10 水电项目类型、作用和主要影响

种类
作用
主要影响
水库类 全年能源生产;瞬间发电容量;提供基荷调节和峰荷服务 水库造成自然栖息地变化及社会影响;改变河流状态
径流式 提供基荷,调节受限 限制洪水,河流流向不变
抽水蓄能式 发电容量受时段限制;向纯用户供电 上水库造成影响
跨流域引水式 仅提供能源 减少流向下游的水量;增加注入河流的流量
电站升级改造类 延长项目运行年限,有时能增加产出 产生的影响很小
综合利用类 水力发电及其它水资源利用 主要是水库带来的影响需要评估其它用途带来的整体影响

资料来源:能源政策,2002年,第1226页

    大型水坝和小型水坝之间的争论正在展开。这场争论对能源政策造成了深刻的影响,也为以后的水电项目带来了一些启示。从环保的角度看,"可再生"小型坝体和"不可再生"的大型坝体之间的界线是颇受争议的。就物理原理而言,所有的水电项目都是可再生的。对一个项目是否可持续性进行定义不是根据其规模的大小,而是根据其特点、位置,以及规划、实施和运行的方式。
    而且,当人们在同等发电量的基础上将小水电和大水电进行比较时,小水电在环保方面的优势就不是那么明显了。哪一个对环境的损害更小?是在一条河流上建一座装机容量为2000MW的大水电站,还是在100条河流上建设400座装机容量为5MW的小水电站?如果考虑到将受到影响的河流及其支流的数量,一座2000MW容量的项目对环境总的影响比400座装机为5MW的小水电站的影响小吗?
    再者,几何学显示:在同等容量的情况下,一个小型物体的表面积比大型物体大得多,这种区别是相当大的。当立方体的边扩大一倍,它的表面积将扩大4倍,体积将扩大8倍。这预示着在获取同样的水库库容时,建造400座装机为5MW小水电项目的淹没面积将比建造一座2000MW的水电站的淹没面积大好几倍。这将比提供同样库容的一个大型水库对生物栖息地造成的影响大许多。表11显示了不同规模水电站造成的土地淹没面积,按单位发电容量在世界范围内进行抽样调查获得。

表11 单位容量水库的平均规模(Goodland,1995年)

电站规模(MW)
电站数量
每单位容量的水库平均面积(ha/MW)
3000~18200
19
32
2000~2999
16
40
1000~1999
36
36
500~999
25
80
250~499
37
69
100~249
33
96
2~99
33
249

   虽然多个小型项目造成的淹没面积可能比一个大型项目造成的淹没面积大,但是对环境带来的总的影响可能会小一些(例如:居民可以移往高处并仍旧住在村庄里,野生动物的活动也不会受到影响等)。显而易见,尽管人类对特定生物栖息地的小型干预比一个较大规模干预所带来的影响小得多,然而水电项目应该从能源和电力生产的角度来比较,即从对社会所提供的服务来看。基于此种观点,考虑到受影响生态系统的多样性以及相同容量的多个小水电项目造成的较大淹没总面积,小水电项目所造成的多方面的综合影响也许会比单个的大水电大得多。
    实际上,任何规模的水电项目都有其优点和缺点。项目的类型应该按照能源的需求量来确定,并考虑适合的利用条件,如下例所示。如果您打算进行一次野炊,要用一些牛奶来准备咖啡,您将愿意拥有多个为咖啡而备的单包牛奶,而不是一整盒一升的牛奶,因为多个小包牛奶更方便、更合适用来准备野炊咖啡。另一方面,如果您需要买一些牛奶作为日常家庭用,而且您又得考虑到环境,减少包装袋。那么,您是愿意买66只单盒装牛奶还是买一盒一升的牛奶?当然您将选择一盒一升装牛奶。它所需要的包装材料要少得多,因为这是由表面积和容积之间的几何学关系决定的:当您增加一个容器的尺寸,其表面积按平方率增加,而内部容积却按照立方率增加。同样的几何学定律决定了大型水电站和小水电站之间的区别,它们所采用的水库也是如此。
    在中国,水电规划阐述了如何利用小水电和大水电来满足不同需要。中国已经建造了43,000座小型和分散型水电站,容量总计26,260 MW,作为农村电气化战略的一部分,正在建设大型的三峡大坝工程,装机容量为18,200 MW。即使此项目的初级目标是防洪,而不是发电,但它将产生巨大的电能,从而替代老的火电站进而改善空气质量。
    表12显示,过去的大型项目提供了大量的电能。在将来,即使建造更多的小水电项目,大型项目由于大型河流和水库提供的经济规模,仍将做出更大的贡献。

表12 水电发展情况

位置
市场
1995年发展情况(TWh/year)
小型项目所占比例%(<10MW)
世界范围的发展比例%
预计2010年的发展情况(TWh/year)
小型项目所占比例%(<10MW)
世界范围的发展比例%
世界范围
大水电
2,265
3,990
小水电
115
5
220
6
欧盟和欧洲自由贸易区
大水电
401.5
18
443
11
小水电
40
10
50
11
中欧、东欧
大水电
57.5
3
83
2
小水电
4.5
8
16
19
前苏联各国
大水电
160
7
388
10
小水电
4
3
12
3
美国、加拿大、墨西哥
大水电
635
28
685
17
小水电
18
3
25
4
澳大利亚、日本、新西兰
大水电
131
6
138
4
小水电
0.7
<1
3
2
地中海地区
大水电
35.5
2
72
2
小水电
0.5
1
0.7
1
非洲
大水电
65.4
3
147
4
小水电
1.6
2
3
2
中东
大水电
24.8
1
49
1
小水电
0.2
<1
1
2
亚洲
大水电
291
13
1,000
25
小水电
42
14
100
10
拉美
大水电
461.5
<1
20
990
25
小水电
3.5
10
1

注:地中海地区-土耳其、塞浦路斯、直布罗陀、马耳他 ;亚洲-所有的亚洲国家,包括前苏联。

7.5 消除差距:附属服务和峰电
    6.4节讨论过,不同的发电方式提供的服务程度是一个电力系统稳定性和灵活性的一个非常重要方面。
7.5.1水电为电网提供了不同寻常的服务
    一般而言,带水库的大型水电站的大坝给一个电力系统带来独特的益处。首先,在负荷需求较小的时段,大量的能量可以储存在水库里,当需求增大时,所储存的能量可以立即投入使用。因此,水电峰荷能源允许用于对其它不易调节的电站,如核电和火电的基荷发电进行优化。其次,其迅速的反应能迅速满足能源需求的突然波动。这些是水电的附加优势,为许多整体优点的一部分,表13对这些优势进行了列举。其它任何电力生产系统都不能提供与之相比的服务。

表13 水电提供给电力系统的附属服务

旋转(同步)备用
接入电力系统时,能够空载以零负荷启动运行。当负荷增加时,更多的电力将输送到系统以满足需要。水电能提供这种电力服务而不用消耗燃料,因此保证了最少的有害物排放。
非旋转备用
能够使非并网能源进入电力系统。其它能源也可以提供旋转备用,但水电的快速启动能力是不可比拟的,与其它的30分钟启动和热电几小时的启动相比,它仅仅需要几分钟,为火电站的启动和关闭节约了费用,同时,使火电站的运行更加稳定(燃料节约、延长运行寿命)。
调节和频率响应
能够满足电力系统中时时波动的要求。当系统不能正确响应负荷变化时,其频率变化不仅将导致电力损失,而且将对系统连接的设备造成潜在的危害,特别是计算机系统。水电迅速响应的特点尤其利于通过迅速的负荷跟踪,满足大负荷变化幅度(坡降率)。
电压支持
能够控制无功功率,因此保证电力从发电端流向负荷端。
黑启动能力
不需要外来电力,能够启动发电。此项服务允许系统运行人员为需要几小时甚至几天来重新启动的更为复杂的发电系统提供附属电力。具有水力发电的系统比那些独立的火力发电系统能更快地重新投入运行。

   当其它可再生能源的输出经常中断,同时其它基荷方案,如核能设备和火电设备,缺乏灵活时,水电具有明显的优势。当其它可再生能源的比重增加时,给电网带来的服务变得越来越有用。
良好的灵活性是水电主要特征之一。水力发电机组能在几十秒钟内启动和停机。这种突出的灵活性是其它发电系统所不能比拟的一个显著优势。因此,许多水电站都被用于峰荷发电和频率控制,因为水电站能够迅速改变其输出以适应波动的电力需求。
7.5.2抽水蓄能电站的作用
    抽水蓄能电站是一个特殊类型的水电项目,特别适合于电力需求的峰荷调节。抽水蓄能电站的工作原理就像一个大型的蓄电池,按照电力的需求进行充电和放电。在负荷需求较低期间,如清晨,常规电站发出的多余电能可用来将下水库的水抽到上水库。峰荷期间,放出上库水,通过水轮机发出电能。这种将抽水蓄能设备和其它发电形式结合,通过对基荷电站更有效地利用,大大节约了生产成本。抽水蓄能设备具有以下一些显著特点:
    ―与常规水电站相比,利用小型水库能够取得相对较大的电力输出;
    ―重复利用水库中储存的水力资源而不必需要大的天然来水量;
    ―常规水电站只能用于发电,然而当系统能源过剩时,抽水蓄能电站能够吸收多余的电力。抽水蓄能电站比常规水电站具备更强的平荷能力。
    前两个特点意味着,抽水蓄能电站的建造在很大程度上不受水文和地形条件的限制,同时对周围生态系统的影响比大容量的常规水电站要小得多。这些特点使抽水蓄能电站为电网的运行提供了良好的辅助服务。在放宽监管的市场上,系统的可靠性和电力质量(频率和电压稳定)是一个主要的问题。由于抽水蓄能是一个能有效改善附属服务的方法,如今在不断放宽监管的电力市场上为大力改善电力系统的稳定发挥着重要的作用。抽水蓄能电站提供的附属服务包括:
    ―由于其快速的负荷跟踪运行能力,可进行频率控制;
    ―其负荷平衡功能能使大型火电站和核电站以常规输出运行;
    ―可储能运行以满足电力需求和系统故障的突然变化;
    ―其备用容量以备其它电站或系统的意外故障使用。
    常规水电站也能提供频率控制。然而,当系统中发电机的输出过剩,为平衡负荷需要容量来吸收多余的电能。通过吸收这些多余的电能,即使负荷需求很低,抽水蓄能电站也能使大容量的火电站或核电站高效率地以最优输出工况运行。这就有利于减少火电站产生的温室废气的排放。除了平衡负荷,抽水蓄能电站在峰荷之外能将风力和潮汐发电设备发出的低价值电能转换成更有用的能源,为峰荷期间利用。因此有利于联合发电系统效率的全面改善。
    抽水蓄能电站作为备用发电机的作用对于促进指定电力系统的稳定是非常重要的,而且,从环保的角度看,利于减少温室废气的排放,这是很有价值的。实际上,抽水蓄能在能源再生产过程中的循环效率大致为70~75%,并且使人误认为抽水蓄能会增加温室废气排放。然而,系统中若没有抽水蓄能电站,许多火电站运行时要将其部分负荷作为备用电力来应付电力需求的意外增加,或者系统故障造成的发电量的突然损失。这样,其备用运行迫使火电站以更低的效率运行,导致燃料消耗的增加和温室废气的排放。如果在电力系统中增加抽水蓄能,火电站的备用运行就不再需要。因此,抽水蓄能有利于减少系统中温室废气的排放。英国开展的最近一次研究显示,迪诺维格抽水蓄能电站(6台330MW机组)的运行每年减少了7,136~16,177吨二氧化硫SO2的排放(占所有英国电站的0.45~1%),使氮氧化物NOX的排放量减少了123~1,264吨(占全部电站的0.02~0.25%)。
    因此,抽水蓄能的作用不仅体现在促进电力系统的稳定,而且还消除了以火力发电为主的电力系统中的副作用。与所有其它水电一样,抽水蓄能电站促进了对能源部门更持续性的管理。
7.6 小水电:农村电气化的特定需要
    在将大电网延伸至边远农村地区不可行的地方,分散的水电大大改善了偏远地区人们的经济状况。一些可再生能源技术,例如小型和微型水电站,可以取代扩建电网或者孤立的柴油发电的微型电网,为农村地区提供廉价的能源。而且,即使大电网最终发展到偏远地区,建成的小水电站一般也不会成为让人遗憾的选择,可以简单地把它接入中央电网。事实上,对水电项目的总投资以及收益的最基本影响不是项目的规模,而是电站站址的特定情况。
    对小水电相对优势的实际了解导致了全世界成千上万小型水坝的建设。例如,在亚洲,小水电装机非常广泛,小水电资源进一步开发的潜力巨大。越南小水电(容量小于10MW)的装机容量达61,400kW,开发潜力大约为1,800MW。已经确定了装机容量为1kW-10kW范围内的3000个微水电站址。这些站址将用于满足灌排需要,同时为两百万家庭输送电力。在越南,由于联网耗费巨大,许多地区还没有并入电网。在这些地方,单个的家庭利用微水电机组发电进行照明和电池充电(用于电视和照明)。据估计,在越南安装了3,000多套容量为1kW或者更小的家庭用途的微水电机组。利用微水电资源的其它亚洲国家包括老挝、孟加拉国、菲律宾、巴布亚新几内亚和印度尼西亚。1998年,印尼政府宣布着手利用小型和微型水电方案来完成18,600村庄的电气化建设。在非洲也有小水电项目。几内亚共和国已经对150个微水电(<2 MW)和小水电站址进行了论证;尼日利亚计划开发236个不同的项目,容量总计700MW。在非洲的部分地区,如马拉维、埃塞俄比亚、坦桑尼亚或者乌干达,地形和水文条件也都利于中小水电站的开发。
    在地质稳定、无脆弱生物群、水头较高的小型河段,同时水电开发又得到当地居民的大力支持,能够选出技术上、环境上以及经济上可行的站址进行水电开发。 具备所有这些优势的小水电站址的比例是比较小的,而且,个体而言,单个被选出的站址不能产生较大的电能。但是待选站址的数量巨大。在经济规模方面失去的优势能够由大量前景较好的站址来进行部分补偿。小水电开发成功与否,取决于其在正确选择站址方面的优势。然而,仅仅根据容量的大小来决定小水电项目的投资建设是不可取的;必须考虑到所有的因素。而且,发展中国家在按照要求对几百个小水电项目开展研究时,可能会受到体制上的限制或者缺乏技术专家,然而从体制方面而言,对一个大型项目进行开发将会比较容易。
7.7 水电:可再生能源网中的支柱作用
作为所有可再生能源的先驱,水电,通过其服务的灵活性和可靠性,当间断的风能和太阳能可再生能源设施不能进行发电时,为电网的稳定提供了大量的电力补偿。水电站及其所属水库将成为多功能的在能源、电力和收益方面的调节者:
    --带水库运行的水电站作为其他可再生能源的能源调节者。当风力、太阳能以及径流式电站设备不能提供能源服务时,带水库运行的水电站能够减少自己的能源输出,从而在水库里储存更多的水。相反的,当风力、太阳辐射及河流流量减弱或断绝时,水电站将利用这些储存的水以增加电力输出。在以小时、周、年或者年际计算的基础上,水电向其他可再生能源提供这些替代能源服务。
    --带水库运行的水电站作为其他可再生能源的电力调节者。其他可再生能源的瞬时电力输出是不稳定的,容易受需求影响而产生波动。同样的,由于带水库运行的水电站能利用其迅速反应功能满足电力需求的快速波动,它将利用这种快速反应特点来满足(并校正)其他可再生能源电力输出中的瞬时波动。因此,它将给其他可再生能源提供所有辅助服务,详见表13。
    --带水库运行的水电站作为其他可再生能源的收益调节者。带水库运行的电站并不会由于向其他可再生能源提供服务而受到任何负面影响,这是因为,例如水库的年平均深度,不会在风力、太阳光变化的情况下,受小时、天或周的波动而显著改变。因此,带水库运行电站将有助于减少其他可再生能源的运行成本,而不会真正损害到自身的收益。然而,如果这些能源和电力调节服务由燃油发电站提供,其他可再生能源的效益将会受到更大的影响。
带水库运行的水电站和其他可再生能源构成了一个天然的融合。在过去一个多世纪中获得的经验和知识已经使水电成为一种已经得到验证的、可靠的技术,人们对其优势和劣势都有了很好地了解。虽然人们不能避免其所有的负面影响,但很多方面可以通过努力得到根除。


亚太地区小水电研究培训中心林凝翻译,程夏蕾校核。刊登于《小水电》2003年第3期)

来源:《小水电》编辑部编辑供稿

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