胡良和，朱 磊

(中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610)

1 概述

二氧化碳的排放，帶來(lái)全球氣候變暖等一系列氣候和環(huán)境問(wèn)題。為解決資源環(huán)境約束問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，中國(guó)制定了“力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)[1]。

水電作為綠色、清潔、靈活、可靠的可再生能源，一方面可以填補(bǔ)煤炭等化石能源發(fā)電量減少產(chǎn)生的電力缺口，另一方面可以調(diào)節(jié)新能源發(fā)電帶來(lái)的電網(wǎng)波動(dòng)，保障電網(wǎng)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定，是促進(jìn)碳中和實(shí)現(xiàn)的最佳能源方式之一[2-5]。

我國(guó)地勢(shì)特點(diǎn)西高東低，河流眾多且落差大，蘊(yùn)藏了豐富的水能資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水能技術(shù)可開發(fā)量6.87億kW[6]，主要集中于金沙江、長(zhǎng)江干流、瀾滄江干流等十三大水電基地[7-8]，截至2021年底全國(guó)裝機(jī)容量達(dá)3.9億kW，每年為我國(guó)提供15%～30%的電力電量[9-11]。長(zhǎng)江上游水電基地裝機(jī)容量0.33億kW，若開發(fā)完成每年平均可提供7 000億kW·h的清潔能源，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2.35億t，減少CO2排放5.76億t[12]。金沙江下游河段烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩4座梯級(jí)裝機(jī)容量合計(jì)1.58億kW，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤0.58億t，凈減碳量為1.46億t[13]。為進(jìn)一步建設(shè)清潔低碳、安全高效的能源體系，有關(guān)規(guī)劃要求將非化石能源消費(fèi)比重提高到20%左右，并提出加快西南水電基地建設(shè)[14]。水電發(fā)展遠(yuǎn)景規(guī)劃提出，2030年和2060年水電裝機(jī)容量分別為5.2億kW和7.0億kW，其中常規(guī)水電分別為4.2億kW、5.0億kW[15]。因此，水電開發(fā)在電力供應(yīng)和減排降碳中發(fā)揮著重要的作用，未來(lái)仍有較大發(fā)展空間[1,16]。

龍灘水電站位于南盤江紅水河水電基地，屬多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，汛期因?yàn)槌袚?dān)下游防洪任務(wù)在汛限水位運(yùn)行。由于受庫(kù)區(qū)淹沒(méi)等因素限制，現(xiàn)狀按375 m建設(shè)[17]，南盤江平班—龍灘河段尚有約28 m的發(fā)電水頭未被利用[18]。為合理開發(fā)水能資源，滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)清潔可再生能源、碳排放的更高要求，研究該河段的梯級(jí)開發(fā)方案，并對(duì)開發(fā)方案進(jìn)行效果評(píng)價(jià)，對(duì)其他大型多年調(diào)節(jié)水庫(kù)庫(kù)尾河段梯級(jí)開發(fā)具有一定參照價(jià)值。

2 平班至龍灘河段概況

南盤江紅水河水電基地是指從南盤江的天生橋到黔江的大藤峽，河段全長(zhǎng)為1 050 km，落差為760 m，規(guī)劃有天生橋一級(jí)、天生橋二級(jí)、平班、龍灘等11座梯級(jí)(見圖1)，總裝機(jī)容量為1 430萬(wàn)kW。其中，平班水電站為紅水河梯級(jí)規(guī)劃的第3座梯級(jí)，裝機(jī)容量為40.5萬(wàn)kW，正常蓄水位為440 m；龍灘水電站為紅水河梯級(jí)規(guī)劃的第4座梯級(jí)，裝機(jī)容量為490萬(wàn)kW。

圖1 紅水河梯級(jí)開發(fā)縱剖面及平面位置示意

龍灘水電站分兩期開發(fā)，即正常蓄水位按遠(yuǎn)期400 m設(shè)計(jì)，初期按375 m建設(shè)。龍灘現(xiàn)狀前汛期(4月1日—7月15日)庫(kù)水位在汛限水位359.3 m運(yùn)行，后汛期(7月15日—8月31日)庫(kù)水位在365.85 m運(yùn)行，枯水期逐步消落至死水位330 m運(yùn)行；龍灘遠(yuǎn)期正常蓄水位400 m方案(以下簡(jiǎn)稱龍灘400 m方案)前汛期庫(kù)水位在汛限水位385.4 m運(yùn)行，后汛期庫(kù)水位在394.2 m運(yùn)行，枯水期逐步消落至死水位340 m運(yùn)行。由于庫(kù)區(qū)涉及6.3萬(wàn)人的淹沒(méi)搬遷問(wèn)題，龍灘400 m方案實(shí)施的難度越來(lái)越大，短期內(nèi)實(shí)施的可能性變小。另外由于龍灘具有年調(diào)節(jié)性能和承擔(dān)下游防洪任務(wù)，庫(kù)水位在正常蓄水位375 m與死水位330 m間消落，汛期在汛限水位運(yùn)行，年內(nèi)大多數(shù)時(shí)間庫(kù)水位均較低，與上游平班梯級(jí)水位不銜接。因此，平班～龍灘河段尚有約28 m的發(fā)電水頭未被利用。

此外，平班壩下31 km河段航道灘多流急，水位時(shí)變幅最高可達(dá)3 m，年內(nèi)出現(xiàn)水位時(shí)變幅大于1 m的天數(shù)約320 d，航道維護(hù)困難且費(fèi)用較大，難以滿足規(guī)劃的IV級(jí)航道要求。

3 梯級(jí)開發(fā)方案

3.1 河段發(fā)電水頭分析

龍灘梯級(jí)工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼有防洪、航運(yùn)及水資源配置等綜合利用，屬多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，受運(yùn)行調(diào)度要求和水情限制，庫(kù)水位在正常蓄水位375 m與死水位330 m之間消落。根據(jù)龍灘水電站2008—2012年共5 a的電站實(shí)際運(yùn)行水位資料統(tǒng)計(jì)，保證率95%、50%相應(yīng)的水位分別為333.21 m、351.17 m，實(shí)際運(yùn)行中大部分年份有較長(zhǎng)時(shí)間未與平班梯級(jí)銜接。遠(yuǎn)期正常蓄水位400 m雖然能與平班銜接，但庫(kù)水位變化范圍為340～400 m，水位變幅達(dá)60 m，年平均水位約為383.8 m，年平均消落水頭達(dá)16.2 m，同樣存在庫(kù)水位有較長(zhǎng)時(shí)間未能與上游梯級(jí)銜接的情況，且該方案由于淹沒(méi)太大、安置困難、補(bǔ)償費(fèi)用高，近遠(yuǎn)期均難以實(shí)施。因此，平班至龍灘河段內(nèi)尚有約28 m的發(fā)電水頭可轉(zhuǎn)變成清潔能源服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)。

3.2 梯級(jí)開發(fā)方案

1) 方案1：平班(440 m，40.5萬(wàn)kW)+龍灘(375 m，420萬(wàn)kW)。即現(xiàn)狀方案，龍灘受庫(kù)區(qū)淹沒(méi)限制按375 m建設(shè)，正常蓄水位未與平班尾水銜接，加上其多年調(diào)節(jié)的特性，水位大部分情況下偏低，因此南盤江下游平班～龍灘河段尚有較多的發(fā)電水頭未被利用。

2) 方案2：平班(440 m，40.5萬(wàn)kW)+八渡(402 m，32萬(wàn)kW)+龍灘(375 m，420萬(wàn)kW)(見圖2)。在現(xiàn)狀方案基礎(chǔ)上，以不影響流域防洪和水資源配置、盡可能改善通航條件為原則，綜合考慮河段地形地質(zhì)條件、庫(kù)區(qū)淹沒(méi)敏感點(diǎn)及與上下游梯級(jí)水位銜接等因素，在八渡鎮(zhèn)上游約5 km處尾祖村新增八渡水電站，上距平班水電站約31 km、下距龍灘水電站約223 km，河床高程為370.90 m;按庫(kù)水位與上游平班水電站尾水銜接考慮，正常蓄水位擬定為402 m；按年裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)約為3 000 h考慮，裝機(jī)容量擬定為32萬(wàn)kW。

圖2 平班—龍灘河段梯級(jí)開發(fā)方案示意

4 梯級(jí)開發(fā)方案效果評(píng)價(jià)

4.1 多年平均發(fā)電量

根據(jù)受上游天生橋一級(jí)電站發(fā)電調(diào)節(jié)影響后的1971—2012年徑流系列和水電站庫(kù)容曲線、水位流量關(guān)系、出力限制線、調(diào)度圖等資料和參數(shù)進(jìn)行電能計(jì)算。計(jì)算公式如下：

N=A×Q×H

(1)

E=N×t

(2)

式中:

N——發(fā)電機(jī)組出力，kW；

Q——機(jī)組過(guò)流量，m3/s；

H——凈水頭，m；

E——發(fā)電量，kW·h；

t——時(shí)間，h。

不同方案下，平班—龍灘河段水電站多年平均發(fā)電量見表1。由表1可知，增加八渡水電站32萬(wàn)kW裝機(jī)后，河段總裝機(jī)容量從530.5萬(wàn)kW增加至562.5萬(wàn)kW，約增加6.0%；河段多年平均發(fā)電總量從172億kW·h增加至182.5億kW·h，約增加6.1%。其中，八渡水電站多年平均發(fā)電量10.7億kW·h，平班水電站由于尾水受八渡回水影響多年平均發(fā)電量減少了0.2億kW·h，即多年平均發(fā)電量?jī)粼黾?0.5億kW·h。按上網(wǎng)電價(jià)0.4元/(kW·h)計(jì)算，則多年平均發(fā)電效益增加4.2億元。

表1 不同開發(fā)方案下河段水電站多年平均發(fā)電量

4.2 減少CO2排放量

水電開發(fā)一方面替代化石能源、增加植被面積而減少碳排放，另一方面水庫(kù)蓄水而增加碳排放，但絕大部分是替代化石能源減少的碳排放量[12]，因此本文僅計(jì)該部分減碳量。根據(jù)中國(guó)電力傳媒集團(tuán)能源情報(bào)中心《中國(guó)能源大數(shù)據(jù)報(bào)告(2019)》，單位發(fā)電量對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量為3.08萬(wàn)t/(億kW·h)，根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委公布的標(biāo)準(zhǔn)煤CO2排放系數(shù)為2.5 (t CO2)/(t標(biāo)準(zhǔn)煤)，因此可將水電站發(fā)電量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量和減少CO2排放量，計(jì)算公式如下：

C=E×S×P

(3)

式中:

C——減少CO2排放量，萬(wàn)t；

S——單位發(fā)電量標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量，萬(wàn)t/(億kW·h)；

P——標(biāo)準(zhǔn)煤CO2排放系數(shù)，(t CO2/t標(biāo)準(zhǔn)煤)。

不同開發(fā)方案下，平班—龍灘河段水電站年均減少CO2排放量見表2。由表2可知，與現(xiàn)狀梯級(jí)開發(fā)方案相比，增加八渡水電站32萬(wàn)kW裝機(jī)后，由于多年平均發(fā)電量?jī)粼黾恿?0.5億kW·h，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤32.3萬(wàn)t，減少CO2排放80.9萬(wàn)t。根據(jù)全國(guó)2020年碳排放權(quán)交易試點(diǎn)省市碳市場(chǎng)成交均價(jià)35.49元/t估算，減少CO2排放經(jīng)濟(jì)價(jià)值約為0.29億元/a。

表2 不同開發(fā)方案下水電站減少CO2排放量 萬(wàn)t

4.3 改善河段通航條件

受龍灘運(yùn)行方式及上游電站調(diào)峰限制，八渡梯級(jí)以上河段航道灘多流急，彎道大，通航安全性和保證率低，遠(yuǎn)達(dá)不到95%的IV級(jí)航道設(shè)計(jì)通航保證率標(biāo)準(zhǔn)。河段增加八渡梯級(jí)后，平班～八渡31 km天然河段變成庫(kù)區(qū)深水航道，顯著減少航道灘險(xiǎn)整治、疏浚與維護(hù)費(fèi)用，提高了航道的安全性和保證率。

5 結(jié)語(yǔ)

龍灘水電站由于庫(kù)區(qū)淹沒(méi)等因素限制現(xiàn)狀按375 m建設(shè)和運(yùn)行，未與上游平班尾水位銜接，通航保證率低，另外由于承擔(dān)防洪任務(wù)和年調(diào)節(jié)特性年內(nèi)大多數(shù)時(shí)間庫(kù)水位較低，因此平班～龍灘河段尚有較多的發(fā)電水頭未被利用。本文以不影響流域防洪和水資源配置、盡可能改善龍灘庫(kù)區(qū)通航條件為原則，綜合考慮河段地形地質(zhì)條件、庫(kù)區(qū)淹沒(méi)敏感點(diǎn)及與上下游梯級(jí)水位銜接等因素，在南盤江下游平班～龍灘河段增加八渡梯級(jí)，正常蓄水位402 m，裝機(jī)容量32萬(wàn)kW。

與現(xiàn)狀開發(fā)方案相比，增加八渡梯級(jí)后，渠化了平班～八渡31 km通航河段，提高了河段通航保證率。每年增加發(fā)電量10.5億kW·h，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤32.3萬(wàn)t，減少CO2排放80.9萬(wàn)t，平均每年增加經(jīng)濟(jì)效益4.49億元，其中發(fā)電效益4.2億元，減少CO2排放經(jīng)濟(jì)效益0.29億元。因此，在南盤江下游平班～龍灘河段增加八渡梯級(jí)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益顯著，有利于進(jìn)一步實(shí)施“西電東送”，減少北煤南運(yùn)，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化利用和可持續(xù)發(fā)展，有助于我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。