王鑫鑫 郝鴻晨 褚霄楊

(北京市南水北調(diào)團(tuán)城湖管理處，北京 100195)

2021年7月，國家發(fā)展改革委印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步完善分時(shí)電價(jià)機(jī)制的通知》，部署各地進(jìn)一步完善分時(shí)電價(jià)機(jī)制，服務(wù)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè)，促進(jìn)能源綠色低碳發(fā)展。此前發(fā)布的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二○三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》中已明確了力爭在2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)?！笆奈濉笔俏覈歼_(dá)峰的窗口期和關(guān)鍵期，電力調(diào)水泵站如何實(shí)現(xiàn)削峰填谷、改善電能使用狀況、促進(jìn)新能源消納，瞄準(zhǔn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)降本增效，保障電力輸水泵站安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成為需要研究一個(gè)新課題。

1 工程概況

1.1 泵站工程

密云水庫調(diào)蓄工程是南水北調(diào)中線北京市內(nèi)配套工程之一，總長103km。南水北調(diào)來水從團(tuán)城湖“出發(fā)”，加壓輸送至密云水庫，增加密云水庫蓄水量，提高北京市水資源戰(zhàn)略儲備和城市供水率。南來之水通過京密引水渠上的9級提升泵站“爬高”133m，再流入密云水庫。團(tuán)城湖—懷柔水庫段設(shè)計(jì)輸水流量為20m3/s，中途從李史山泵站通過小中河向密懷順?biāo)吹匮a(bǔ)水，補(bǔ)水設(shè)計(jì)流量為10m3/s；懷柔水庫—密云水庫段輸水流量為10m3/s。

1.2 渠道工程

密云水庫調(diào)蓄工程9級泵站中，1～6級、7～8級泵站利用京密引水渠進(jìn)行反向輸水，8～9級泵站使用PCCP管道輸水，9站至密云水庫采用鋼管和輸水隧洞進(jìn)行輸水。京密引水渠道全長110km，橫貫密云、懷柔、順義、昌平、海淀5區(qū)。渠首從密云水庫白河壩下的調(diào)節(jié)池出水口，經(jīng)六次跌水進(jìn)入懷柔水庫調(diào)節(jié)后，再從水庫峰山口閘出口，西經(jīng)李家史山、西崔村、大辛峰，沿西部山前地帶南折至青龍橋，穿流昆明湖，在海淀區(qū)羅道莊與永定河引水渠匯合后，流入玉淵潭。南水北調(diào)中線一期工程通水后，一方面自來水廠使用南水替代密云水庫向北京城區(qū)供水，另一方面通過京密引水渠反向輸送南水至密云水庫存蓄。

2 能耗分析

2.1 泵站運(yùn)行現(xiàn)狀

能源消耗水平，大的方面反映出一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和社會發(fā)展綜合水平，小的方面反映出一個(gè)單位或一個(gè)企業(yè)的管理水平和發(fā)展能力。節(jié)能降耗是一項(xiàng)重要的工作，在高耗能生產(chǎn)單位尤為重要，節(jié)能降耗就意味著為單位或企業(yè)增效，對于直接消耗電力的長距離、高揚(yáng)程梯級泵站工程，電能消耗也是直接反映該工程管理水平和高效節(jié)能工程的重要指標(biāo)。密云水庫調(diào)蓄工程是北方少有的長距離、高揚(yáng)程、長時(shí)間運(yùn)行的梯級泵站工程。主要工程內(nèi)容包括9座泵站、8座節(jié)制閘，22km的PCCP管道，以及泵站水泵、電機(jī)、電氣自動化設(shè)備等，裝機(jī)33臺，裝機(jī)容量36.32MW，全年運(yùn)行天數(shù)在250天左右，年耗電量在2000萬kW·h 左右。因此，研究節(jié)能降耗運(yùn)行方式是一項(xiàng)重要的、具有現(xiàn)實(shí)意義的工作。

2.2 峰谷電價(jià)

《泵站技術(shù)管理規(guī)程》(GB/T 30948—2014)8.2.8要求：有條件的泵站，宜根據(jù)供排水需要實(shí)行電能峰谷調(diào)度。如能夠利用輸水渠的有效容積，通過峰谷運(yùn)行，減少電力輸水泵站能源消耗，就能夠達(dá)到多級電力泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、減少電費(fèi)支出的目標(biāo)。

目前，指導(dǎo)電能無法大規(guī)模存儲，生產(chǎn)與消費(fèi)需要實(shí)時(shí)平衡，不同用電時(shí)段所耗用的電力資源不同，供電成本差異很大。在集中用電的高峰時(shí)段，電力供求緊張，為保障電力供應(yīng)，在輸配環(huán)節(jié)需要加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)、保障輸配電能力，在發(fā)電環(huán)節(jié)需要調(diào)動高成本發(fā)電機(jī)組頂峰發(fā)電，供電成本相對較高；反之，在用電較少的低谷時(shí)段，電力供求寬松，供電成本低的機(jī)組發(fā)電即可保障供應(yīng)，供電成本相對較低。分時(shí)電價(jià)機(jī)制是基于電能時(shí)間價(jià)值設(shè)計(jì)的，是引導(dǎo)電力用戶削峰填谷、保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一項(xiàng)重要機(jī)制安排。分時(shí)電價(jià)機(jī)制又可進(jìn)一步分為峰谷電價(jià)機(jī)制、季節(jié)性電價(jià)機(jī)制等。峰谷電價(jià)機(jī)制是將一天劃分為高峰、平段、低谷，季節(jié)性電價(jià)機(jī)制是將峰平谷時(shí)段劃分進(jìn)一步按夏季、非夏季等作差別化安排，對各時(shí)段分別制定不同的電價(jià)水平，使分時(shí)段電價(jià)水平更加接近電力系統(tǒng)的供電成本，以充分發(fā)揮電價(jià)信號作用，引導(dǎo)電力用戶盡量在高峰時(shí)段少用電、低谷時(shí)段多用電，從而保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提升系統(tǒng)整體利用效率、降低社會總體用電成本。以北京市的非居民分時(shí)電價(jià)規(guī)定為例，夏季執(zhí)行四時(shí)段電價(jià)，其他時(shí)間執(zhí)行三時(shí)段電價(jià)(不含尖峰)：

尖峰：11 ∶00—13 ∶00,16 ∶00—17：00(每年7—8月)

峰段：10 ∶00—15 ∶00,18 ∶00—21 ∶00;

平段：07 ∶00—10 ∶00,15 ∶00—18 ∶00,21 ∶00—23 ∶00；

谷段：23 ∶00—07 ∶00。

北京市分時(shí)電價(jià)見圖1。

圖1 北京市非居民用電分時(shí)電價(jià)

3 方案研究

3.1 渠道蓄水量

密云水庫調(diào)蓄工程1～6站采用明渠輸水，輸水至懷柔水庫，7站從懷柔水庫取水通過明渠輸水至8站，8站通過22km管道輸水至9站調(diào)節(jié)池，9站通過兩條鋼管輸水至密云水庫。正常調(diào)度模式下，各站采用雙機(jī)24小時(shí)不間斷運(yùn)行，1～6站通過調(diào)節(jié)機(jī)組角度和頻率來控制站前水位在合理范圍內(nèi)，流量穩(wěn)定在10m3/s。7～9站調(diào)度采用雙機(jī)24小時(shí)不間斷運(yùn)行，流量穩(wěn)定在10m3/s，因受PCCP管道設(shè)計(jì)因素限制，基本不做調(diào)節(jié)(根據(jù)設(shè)計(jì)文件和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)1～9站前池各水位可控制調(diào)蓄量見表1)。

表1 各站站前可調(diào)蓄量

3.2 峰谷運(yùn)行方案

結(jié)合北京市分時(shí)電價(jià)規(guī)定、近幾年工程調(diào)度運(yùn)行情況和各站站前可調(diào)蓄量，選取1～6站為峰谷運(yùn)行泵站，考慮1站前水廠取水需求，水位可調(diào)節(jié)范圍小，可調(diào)蓄量不可控，仍采取雙機(jī)24小時(shí)運(yùn)行，輸水流量穩(wěn)定在10m3/s。

2站在電費(fèi)平段開雙機(jī)，全站流量約15～15.2 m3/s；峰段(含尖峰)不開機(jī)，全站流量0m3/s；谷段開雙機(jī)，全站流量約15m3/s，站前渠道水量站前變化不超過+17.8萬m3，可得24h內(nèi)前2站前渠道水量整體平衡情況。

3站在電費(fèi)平段開雙機(jī)，全站流量約10m3/s；峰段(含尖峰)不開機(jī)，全站流量0m3/s，；谷段開三機(jī)，全站流量約20m3/s，站前渠道水量變化不超過-28.8萬m3，可得24h內(nèi)3站前渠道水量整體平衡情況。

4、5、6站在電費(fèi)平段開雙機(jī)，全站流量約10m3/s；峰段(含尖峰)不開機(jī)，全站流量0m3/s，；谷段開三機(jī)，全站流量約20m3/s，站前渠道水量站前基本無變化，可得24h內(nèi)4、5、6站前渠道水量整體平衡情況。

7～9級泵站因揚(yáng)程較高且為PCCP管道需保持24小時(shí)滿管運(yùn)行要求，因此無法按照分時(shí)電價(jià)調(diào)節(jié)頻繁開停機(jī)，調(diào)水期間保持24小時(shí)雙機(jī)運(yùn)行，流量10m3/s(峰谷運(yùn)行情況見表2)。

表2 1～6站峰谷調(diào)度

3.3 數(shù)據(jù)核算

3.3.1 日輸水量計(jì)算

本項(xiàng)計(jì)算目的為核對各站日輸水量是否相近，假設(shè)各站流量計(jì)準(zhǔn)確且無明顯波動，根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果如下：

1站日輸水量：10m3/s×3600s×24h=86.40(萬m3)(以下計(jì)算單位省去)；

2站日輸水量：15×3600×3+15.2×3600×5+14.88×3600×8=86.40(萬m3)；

3、4、5、6站日輸水量10×3600×8+20×3600×8=86.40(萬m3)。

由此，各站日輸水量完全相同，說明峰谷調(diào)度運(yùn)行，可以滿足日常調(diào)水工作要求，能夠完成日常調(diào)水任務(wù)需求。

3.3.2 日用電量計(jì)算

本項(xiàng)計(jì)算目的為核對峰谷調(diào)度用電量，經(jīng)查詢機(jī)組出廠特征曲線圖及參數(shù)表在5～7.5m3/s時(shí)機(jī)組功率變化不大，因此為簡化計(jì)算過程，結(jié)合日常運(yùn)行工況，設(shè)各站單臺機(jī)組在5～7.5m3/s時(shí)耗電量均為200kW·h，根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果如下：

正常調(diào)度模式下各站用電費(fèi)用(不含尖峰)：

2×200kW×(8h×1.2884+8h×0.7697+8h×0.3023)=7553.3(元)(以下計(jì)算單位省去)；

1～6站單日總用電費(fèi)用：6×7553.3=45319.8(元)。

峰谷調(diào)度模式下各站用電(不含尖峰)：

1站日用電費(fèi)用：2×200×(8×1.2884+8×0.7697+8×0.3023)=7553.30(元)；

2站日用電費(fèi)用：2×200×8×0.7697+2×200×8×0.3023=3430.04(元)；

3、4、5、6站日用電費(fèi)用：4×(2×200×8×0.7697+3×200×8×0.3023)=15659.20(元)。

1～6站單日總用電費(fèi)用：7553.30+3430.04+15659.20=26642.54(元)。

根據(jù)以上費(fèi)用計(jì)算：26642.54(元)/45319.8(元)=58.79%,采用峰谷調(diào)度模式的梯級調(diào)度日耗電量為目前控制站前水位調(diào)度模式下的58.79%，由此，在不計(jì)算尖峰費(fèi)用和其他輔機(jī)費(fèi)用的情況下節(jié)能電量也是相當(dāng)可觀的。

4 結(jié) 論

隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，各個(gè)行業(yè)對于電能的需求更加迫切，需要更加科學(xué)合理制定用電方案，才能響應(yīng)國家發(fā)展需求，降低能耗，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)標(biāo)。在本工程調(diào)度運(yùn)行方案研究中充分利用渠道容量和峰谷電價(jià)政策，結(jié)合機(jī)組實(shí)際工況，制定合理的調(diào)度方案，在發(fā)揮工程效益，節(jié)能降耗，降低工程運(yùn)行成本，體現(xiàn)綠色發(fā)展理念等方面的突出優(yōu)勢。

然而，在實(shí)際工程運(yùn)行管理過程中，仍需根據(jù)轄區(qū)天氣情況、機(jī)組運(yùn)行效率、機(jī)組工況等適時(shí)適度的調(diào)節(jié)，以調(diào)水工程安全穩(wěn)定運(yùn)行為重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能降耗運(yùn)行。