Виробництво гідроелектроенергії є одним із найзріліших методів виробництва електроенергії, який постійно впроваджується та розвивається в процесі розвитку енергосистеми. Він досяг значного прогресу з точки зору автономного масштабу, рівня технічного обладнання та технології керування. Як стабільне та надійне високоякісне регульоване джерело енергії, гідроенергетика зазвичай включає звичайні гідроелектростанції та гідроакумулюючі електростанції. Окрім того, що вони є важливим постачальником електроенергії, вони також відіграють важливу роль у зменшенні пікових навантажень, частотній модуляції, фазовій модуляції, запуску з повного згасання та аварійному резервуванні протягом усієї роботи енергосистеми. Зі швидким розвитком нових джерел енергії, таких як вітрова енергетика та фотоелектрична енергетика, збільшенням різниці між піками та низинами в енергосистемах та зменшенням інерції обертання, спричиненої збільшенням використання силового електронного обладнання, основні питання, такі як планування та будівництво енергосистеми, безпечна експлуатація та економічне диспетчеризація, стикаються з величезними викликами, а також є важливими питаннями, які необхідно вирішити під час майбутнього будівництва нових енергосистем. У контексті ресурсного багатства Китаю гідроенергетика відіграватиме важливішу роль в енергетичній системі нового типу, стикаючись зі значними потребами та можливостями інноваційного розвитку, і є дуже важливою для економічної безпеки будівництва енергетичної системи нового типу.
Аналіз поточної ситуації та інноваційного розвитку гідроенергетики
Інноваційна ситуація розвитку
Глобальна трансформація чистої енергії прискорюється, а частка нових джерел енергії, таких як вітрова та фотоелектрична енергетика, швидко зростає. Планування та будівництво, безпечна експлуатація та економічне планування традиційних енергетичних систем стикаються з новими викликами та проблемами. З 2010 по 2021 рік світові вітроенергетичні установки підтримували швидке зростання, із середнім темпом зростання 15%; середньорічні темпи зростання в Китаї досягли 25%; темпи зростання світових фотоелектричних установок за останні 10 років досягли 31%. Енергосистема з високою часткою нової енергії стикається з такими серйозними проблемами, як труднощі з балансуванням попиту та пропозиції, підвищені труднощі в управлінні роботою системи та ризики стабільності, спричинені зниженням інерції обертання, а також значне збільшення пікового попиту на потужність, що призводить до збільшення експлуатаційних витрат системи. Терміново необхідно спільно сприяти вирішенню цих проблем з боку енергопостачання, мережі та навантаження. Гідроелектростанції є важливим регульованим джерелом енергії з такими характеристиками, як велика інерція обертання, висока швидкість реакції та гнучкий режим роботи. Вона має природні переваги у вирішенні цих нових викликів та проблем.
Рівень електрифікації продовжує покращуватися, а вимоги до безпечного та надійного енергопостачання економічних та соціальних операцій продовжують зростати. Протягом останніх 50 років рівень глобальної електрифікації продовжував покращуватися, а частка електроенергії в кінцевому споживанні енергії поступово зростала. Заміна кінцевої електроенергії електромобілями прискорилася. Сучасне економічне суспільство все більше залежить від електроенергії, і електроенергія стала основним засобом виробництва для економічних та соціальних операцій. Безпечне та надійне енергопостачання є важливою гарантією виробництва та життя сучасних людей. Відключення електроенергії на великих територіях не тільки приносять величезні економічні втрати, але й можуть призвести до серйозного соціального хаосу. Енергетична безпека стала основним змістом енергетичної безпеки, навіть національної безпеки. Зовнішнє обслуговування нових енергосистем вимагає постійного підвищення надійності безпечного енергопостачання, тоді як внутрішній розвиток стикається з постійним зростанням факторів ризику, які становлять серйозну загрозу для енергетичної безпеки.
Нові технології продовжують з'являтися та застосовуватися в енергетичних системах, значно покращуючи ступінь інтелекту та складність енергетичних систем. Широке застосування силових електронних пристроїв у різних аспектах виробництва, передачі та розподілу електроенергії призвело до значних змін у характеристиках навантаження та системних характеристиках енергетичної системи, що спричинило глибокі зміни в механізмі роботи енергетичної системи. Технології інформаційного зв'язку, управління та інтелектуального аналізу широко використовуються в усіх аспектах виробництва та управління енергетичною системою. Ступінь інтелекту енергетичних систем значно покращився, і вони можуть адаптуватися до масштабного онлайн-аналізу та аналізу підтримки рішень. Розподілена генерація електроенергії підключається до сторони користувача розподільчої мережі у великих масштабах, а напрямок потоку електроенергії в мережі змінився з одностороннього на двосторонній або навіть багатосторонній. Різні типи інтелектуального електрообладнання з'являються нескінченним потоком, широко використовуються інтелектуальні лічильники, а кількість терміналів доступу до енергетичної системи зростає в геометричній прогресії. Інформаційна безпека стала важливим джерелом ризику для енергетичної системи.
Реформа та розвиток електроенергетики поступово входять у сприятливу ситуацію, а політичне середовище, таке як ціни на електроенергію, поступово покращується. Зі швидким розвитком економіки та суспільства Китаю, електроенергетична галузь зазнала величезного стрибка від малої до великої, від слабкої до сильної, від наступної до провідної. З точки зору системи, від уряду до підприємства, від однієї фабрики до однієї мережі, до розділення фабрик та мереж, помірна конкуренція та поступовий перехід від планування до ринку призвели до шляху розвитку електроенергетики, який відповідає національним умовам Китаю. Виробничі та будівельні потужності та рівень технологій та обладнання для електроенергетики Китаю є одними з найвищих у світі. Універсальні показники обслуговування та екологічні показники для електроенергетики поступово покращуються, і найбільша та найтехнологічніша у світі електроенергетична система була побудована та експлуатується. Ринок електроенергії Китаю стабільно розвивається, маючи чіткий шлях до побудови єдиного ринку електроенергії від місцевого до регіонального та національного рівнів, і дотримується китайської лінії пошуку істини у фактах. Такі політичні механізми, як ціни на електроенергію, поступово раціоналізувалися, і спочатку було створено механізм ціноутворення на електроенергію, придатний для розвитку гідроакумулюючих електростанцій, що забезпечує політичне середовище для реалізації економічної цінності інновацій та розвитку гідроенергетики.
Значні зміни відбулися в граничних умовах планування, проектування та експлуатації гідроенергетики. Основним завданням традиційного планування та проектування гідроелектростанцій є вибір технічно доцільного та економічно обґрунтованого масштабу електростанції та режиму роботи. Зазвичай питання планування гідроенергетичних проектів розглядаються з урахуванням оптимальної мети комплексного використання водних ресурсів. Необхідно всебічно враховувати такі вимоги, як боротьба з повенями, зрошення, судноплавство та водопостачання, а також проводити комплексне порівняння економічних, соціальних та екологічних вигод. В контексті постійних технологічних проривів та постійного збільшення частки вітрової та фотоелектричної енергії, енергосистема об'єктивно повинна повніше використовувати гідравлічні ресурси, збагачувати режим роботи гідроелектростанцій та відігравати більшу роль у зменшенні пікових навантажень, частотній модуляції та регулюванні вирівнювання. Багато цілей, які раніше були неможливими з точки зору технологій, обладнання та будівництва, стали економічно та технічно доцільними. Початковий односторонній режим зберігання води та виробництва електроенергії на скиданні для гідроелектростанцій більше не може відповідати вимогам нових енергосистем, і необхідно поєднати режим роботи гідроакумулюючих електростанцій, щоб значно покращити регуляторну здатність гідроелектростанцій; Водночас, з огляду на обмеження короткостроково регульованих джерел енергії, таких як гідроакумулюючі електростанції, у сприянні споживанню нових джерел енергії, таких як вітрова енергія та фотоелектричні установки, а також складність виконання завдання безпечного та доступного енергопостачання, об'єктивно необхідно збільшити ємність водосховища для покращення циклу регулювання традиційної гідроенергетики, щоб заповнити прогалину в регулювальній потужності системи, яка виникає при виведенні вугільної енергії.
Потреби в інноваційному розвитку
Існує нагальна потреба прискорити розвиток гідроенергетики, збільшити частку гідроенергетики в новій енергосистемі та відігравати більшу роль. У контексті мети «подвійного вуглецю» загальна встановлена потужність вітрової та фотоелектричної енергії досягне понад 1,2 мільярда кіловат до 2030 року; очікується, що вона досягне від 5 до 6 мільярдів кіловат до 2060 року. У майбутньому буде величезний попит на регулювальні ресурси в нових енергосистемах, а гідроенергетика є найякіснішим регулювальним джерелом енергії. Китайська гідроенергетика може розробити встановлену потужність 687 мільйонів кіловат. До кінця 2021 року було розроблено 391 мільйон кіловат, з темпом розвитку близько 57%, що значно нижче за 90% темпів розвитку деяких розвинених країн Європи та Сполучених Штатів. Враховуючи, що цикл розвитку гідроенергетичних проектів є тривалим (зазвичай 5-10 років), тоді як цикл розвитку проектів вітрової та фотоелектричної енергетики є відносно коротким (зазвичай 0,5-1 рік або навіть коротше) та розвивається швидко, необхідно пришвидшити процес розвитку гідроенергетичних проектів, завершити їх якомога швидше та якомога швидше виконати свою роль.
Існує нагальна потреба трансформувати спосіб розвитку гідроенергетики, щоб відповідати новим вимогам скорочення пікових навантажень у нових енергосистемах. З огляду на обмеження мети «подвійного вуглецю», майбутня структура енергопостачання визначає величезні потреби роботи енергосистеми у скороченні пікових навантажень, і це не проблема, яку можуть вирішити складові планування та ринкові сили, а радше базове питання технічної доцільності. Економічна, безпечна та стабільна робота енергосистеми може бути досягнута лише за допомогою ринкового керівництва, планування та контролю експлуатації, виходячи з того, що технологія є доцільною. Для традиційних гідроелектростанцій, що діють, існує нагальна потреба систематично оптимізувати використання існуючих потужностей та споруд для зберігання енергії, відповідно збільшити інвестиції в трансформацію, коли це необхідно, та докласти всіх зусиль для покращення регулюючої потужності; Для традиційних гідроелектростанцій, що нещодавно плануються та будуються, терміново враховувати значні зміни граничних умов, спричинені новою енергосистемою, а також планувати та будувати гнучкі та регульовані гідроелектростанції з поєднанням довгострокових та короткострокових часових масштабів відповідно до місцевих умов. Що стосується гідроакумулюючих електростанцій, будівництво слід прискорити за поточної ситуації, коли короткострокової регулюючої потужності вкрай недостатньо; У довгостроковій перспективі слід враховувати потреби системи в короткострокових можливостях зменшення пікових навантажень та науково формулювати план її розвитку. Для гідроакумулюючих електростанцій з перекачуванням води необхідно поєднувати потреби національних водних ресурсів для міжрегіонального перекачування води, як у рамках міжбасейнового проекту перекачування води, так і в рамках комплексного використання ресурсів регулювання енергосистеми. За необхідності це також можна поєднувати із загальним плануванням та проектуванням проектів опріснення морської води.
Існує нагальна потреба у сприянні виробництву гідроенергетики для створення більшої економічної та соціальної цінності, одночасно забезпечуючи економічну та безпечну експлуатацію нових енергосистем. Виходячи з обмежень цілей розвитку, пов'язаних з піком викидів вуглецю та вуглецевою нейтральністю в енергосистемі, нова енергетика поступово стане основною рушійною силою в структурі енергопостачання майбутньої енергосистеми, а частка джерел енергії з високим вмістом вуглецю, таких як вугільна енергетика, поступово зменшуватиметься. Згідно з даними багатьох дослідницьких установ, за сценарієм масштабного виведення вугільної енергетики, до 2060 року встановлена потужність вітрової та фотоелектричної енергетики в Китаї становитиме близько 70%; Загальна встановлена потужність гідроенергетики з урахуванням гідроакумулюючих електростанцій становить близько 800 мільйонів кіловат, що становить близько 10%. У майбутній структурі енергетики гідроенергетика є відносно надійним, гнучким та регульованим джерелом енергії, що є основою забезпечення безпечної, стабільної та економічної експлуатації нових енергосистем. Терміново необхідно перейти від поточного режиму розвитку та експлуатації «виробництво електроенергії на основі регулювання з доповненням» до «виробництво електроенергії на основі регулювання з доповненням». Відповідно, економічні вигоди гідроенергетичних підприємств слід враховувати в контексті більшої цінності, а вигоди гідроенергетичних підприємств також повинні значно збільшити дохід від надання послуг з регулювання системі на основі початкового доходу від виробництва електроенергії.
Існує нагальна потреба у впровадженні інновацій у стандарти, політику та системи гідроенергетики для забезпечення ефективного та сталого розвитку гідроенергетики. У майбутньому об'єктивною вимогою нових енергетичних систем є прискорення інноваційного розвитку гідроенергетики, а також термінове приведення існуючих відповідних технічних стандартів, політики та систем у відповідність до інноваційного розвитку для сприяння ефективному розвитку гідроенергетики. Щодо стандартів та специфікацій, терміново необхідно оптимізувати стандарти та специфікації для планування, проектування, експлуатації та технічного обслуговування на основі пілотної демонстрації та перевірки відповідно до технічних вимог нової енергосистеми для традиційних гідроелектростанцій, гідроакумулюючих електростанцій, гібридних електростанцій та гідроакумулюючих електростанцій для перекачування води (включаючи насосні станції), щоб забезпечити впорядкований та ефективний розвиток інновацій у гідроенергетиці; Щодо політики та систем, існує нагальна потреба у вивченні та розробці політики стимулювання для керівництва, підтримки та заохочення інноваційного розвитку гідроенергетики. Водночас існує нагальна потреба у створенні інституційних структур, таких як ринкові ціни та ціни на електроенергію, для перетворення нових цінностей гідроенергетики на економічні вигоди, а також заохочувати підприємства до активного інвестування в інноваційні технології розвитку, пілотних демонстрацій та масштабного розвитку.
Інноваційний шлях розвитку та перспективи гідроенергетики
Інноваційний розвиток гідроенергетики є нагальною потребою для побудови нового типу енергетичної системи. Необхідно дотримуватися принципу адаптації заходів до місцевих умов та впровадження комплексної політики. Для різних типів гідроенергетичних проектів, що вже побудовані та заплановані, слід застосовувати різні технічні схеми. Необхідно враховувати не лише функціональні потреби виробництва електроенергії та зменшення пікових навантажень, частотну модуляцію та вирівнювання, але й комплексне використання водних ресурсів, регульовану конструкцію потужності та інші аспекти. Нарешті, оптимальну схему слід визначити шляхом комплексної оцінки вигод. Покращення регулюючої здатності традиційної гідроенергетики та будівництво комплексних міжбасейнових гідроакумулюючих електростанцій (насосних станцій) забезпечує значні економічні переваги порівняно з новозбудованими гідроакумулюючими електростанціями. Загалом, для інноваційного розвитку гідроенергетики немає нездоланних технічних бар'єрів, що забезпечує величезний простір для розвитку та видатні економічні та екологічні переваги. Варто приділяти особливу увагу та прискорювати масштабний розвиток на основі пілотних практик.
«Виробництво електроенергії + насосне обладнання»
Режим «виробництво електроенергії + перекачування» стосується використання гідротехнічних споруд, таких як існуючі гідроелектростанції та греблі, а також споруд для передачі та трансформації електроенергії, для вибору відповідних місць нижче за течією від виходу води гідроелектростанції для будівництва водовідвідної греблі для формування нижнього водосховища, додавання насосів, трубопроводів та іншого обладнання та споруд, а також використання початкового водосховища як верхнього. Виходячи з функції вироблення електроенергії початкової гідроелектростанції, збільшується насосна функція енергосистеми під час низького навантаження, при цьому продовжуються використання початкових гідротурбогенераторних агрегатів для вироблення електроенергії, щоб збільшити потужність перекачування та зберігання електроенергії початкової гідроелектростанції, тим самим покращуючи регулюючу здатність гідроелектростанції (див. Рисунок 1). Нижнє водосховище також може бути побудоване окремо у відповідному місці нижче за течією від гідроелектростанції. Під час будівництва нижнього водосховища нижче за течією від виходу води гідроелектростанції доцільно контролювати рівень води, щоб не впливати на ефективність вироблення електроенергії початкової гідроелектростанції. Враховуючи оптимізацію режиму роботи та функціональні вимоги до участі у вирівнюванні, доцільно оснащувати насос синхронним двигуном. Цей режим загалом застосовується для функціональної трансформації гідроелектростанцій під час експлуатації. Обладнання та споруди є гнучкими та простими, з характеристиками низьких інвестицій, коротких термінів будівництва та швидких результатів.
«Виробництво електроенергії + виробництво електростанцій з насосного обладнання»
Основна відмінність між режимом «генерація електроенергії + перекачування» та режимом «генерація електроенергії + перекачування» полягає в тому, що перетворення насосного насоса на гідроакумулюючу установку безпосередньо збільшує функцію гідроакумулюючої установки оригінальної звичайної гідроелектростанції, тим самим покращуючи регуляторну здатність гідроелектростанції. Принцип налаштування нижнього водосховища відповідає режиму «генерація електроенергії + перекачування». Ця модель також може використовувати оригінальне водосховище як нижнє водосховище та будувати верхнє водосховище у відповідному місці. Для нових гідроелектростанцій, окрім встановлення певних традиційних генераторних установок, можна встановити гідроакумулюючі установки певної потужності. Припускаючи, що максимальна потужність однієї гідроелектростанції становить P1, а збільшена потужність гідроакумулюючої установки становить P2, діапазон роботи потужності електростанції відносно енергосистеми буде розширено від (0, P1) до (- P2, P1+P2).
Переробка каскадних гідроелектростанцій
Каскадний режим розвитку застосовується для розвитку багатьох річок у Китаї, і було побудовано серію гідроелектростанцій, таких як річка Цзіньша та річка Даду. Для нової або існуючої групи каскадних гідроелектростанцій, у двох суміжних гідроелектростанціях, водосховище верхнього каскаду гідроелектростанції служить верхнім водосховищем, а нижнього каскаду гідроелектростанції - нижнім. Залежно від фактичної місцевості можна вибрати відповідні водозабори, і розвиток може здійснюватися шляхом поєднання двох режимів "виробництво електроенергії + перекачування" та "виробництво електроенергії + перекачування". Цей режим підходить для реконструкції каскадних гідроелектростанцій, що може значно покращити регулюючу здатність та часовий цикл регулювання каскадних гідроелектростанцій, що дає значні переваги. На рисунку 2 показано схему гідроелектростанції, побудованої в каскаді річки в Китаї. Відстань від місця розташування греблі гідроелектростанції вище за течією до водозабору нижче за течією в основному становить менше 50 кілометрів.
Локальне балансування
Режим «Локального балансування» стосується будівництва вітрових та фотоелектричних електростанцій поблизу гідроелектростанцій, а також саморегулювання та балансування роботи гідроелектростанцій для досягнення стабільної виробки потужності відповідно до вимог графіка. Враховуючи, що всі основні гідроагрегати працюють відповідно до диспетчерської роботи енергосистеми, цей режим може бути застосований до радіальних електростанцій та деяких малих гідроелектростанцій, які не підходять для масштабної трансформації та зазвичай не плануються як традиційні функції зниження пікової навантаження та частотної модуляції. Робоча потужність гідроагрегатів може гнучко регулюватися, може бути використана їхня короткострокова регулювальна здатність, а також може бути досягнуто локального балансування та стабільної виробки потужності, одночасно покращуючи коефіцієнт використання активів існуючих ліній електропередачі.
Комплекс регулювання пікових значень води та електроенергії
Режим «комплексу регулювання води та пікової потужності» базується на концепції будівництва гідроакумулюючих електростанцій з регулюванням води, поєднаних з великими проектами водозбереження, такими як великомасштабне міжбасейнове перекидання води, для будівництва групи резервуарів та водозбірних споруд, а також для використання перепаду напору між резервуарами для будівництва групи насосних станцій, звичайних гідроелектростанцій та гідроакумулюючих електростанцій для формування комплексу виробництва та зберігання енергії. У процесі перекидання води з високогірних джерел води до низькогірних районів, «Комплекс перекидання води та скорочення пікової потужності» може повністю використовувати перепад напору для отримання переваг виробництва електроенергії, одночасно забезпечуючи передачу води на великі відстані та зменшуючи витрати на передачу води. Водночас «комплекс перекидання води та скорочення пікової потужності» може служити великомасштабним диспетчерським джерелом навантаження та енергії для енергосистеми, забезпечуючи послуги регулювання для системи. Крім того, комплекс також може бути поєднаний з проектами опріснення морської води для досягнення комплексного застосування розвитку водних ресурсів та регулювання енергосистеми.
гідроакумулюючі установки морської води
Електростанції з морською водою, що перекачують воду, можуть обрати відповідне місце на узбережжі для будівництва верхнього резервуару, використовуючи море як нижній резервуар. З огляду на дедалі складніший вибір місця розташування традиційних гідроакумулюючих електростанцій, гідроакумулюючі електростанції з морською водою привернули увагу відповідних національних відомств та провели дослідження ресурсів та перспективні технічні дослідницькі випробування. Гідроакумулюючі електростанції з морською водою також можна поєднувати з комплексним розвитком припливної енергії, хвильової енергії, морської вітрової енергетики тощо для будівництва гідроакумулюючих електростанцій з великою ємністю та тривалим циклом регулювання.
За винятком руслових гідроелектростанцій та деяких малих гідроелектростанцій без ємностей для зберігання енергії, більшість гідроелектростанцій з певною ємністю водосховища можуть вивчати та здійснювати трансформацію функції гідроакумулюючих установок. На новозбудованій гідроелектростанції певна ємність гідроакумулюючих установок може бути спроектована та організована як єдине ціле. Попередньо оцінено, що застосування нових методів розвитку може швидко збільшити масштаби високоякісної пікової потужності щонайменше на 100 мільйонів кіловат; Використання «комплексу регулювання води та скорочення пікової потужності» та виробництва електроенергії з гідроакумулюючих установок на морській воді також може забезпечити надзвичайно значну високоякісну пікову потужність, що має велике значення для будівництва та безпечної та стабільної експлуатації нових енергосистем, зі значними економічними та соціальними перевагами.
Пропозиції щодо інновацій та розвитку гідроенергетики
По-перше, якомога швидше організувати проектування інновацій та розвитку гідроенергетики на вищому рівні та на основі цієї роботи видати рекомендації щодо підтримки розвитку інновацій та розвитку гідроенергетики. Провести дослідження основних питань, таких як керівна ідеологія, позиціонування розвитку, основні принципи, пріоритети планування та схема інноваційного розвитку гідроенергетики, і на цій основі підготувати плани розвитку, уточнити етапи розвитку та очікування, а також скерувати суб'єкти ринку до впорядкованого виконання проектів.
Друге – це організація та проведення техніко-економічного аналізу доцільності та демонстраційних проектів. У поєднанні з будівництвом нових електроенергетичних систем, організація та проведення ресурсних досліджень гідроелектростанцій та техніко-економічного аналізу проектів, пропонування планів інженерного будівництва, вибір типових інженерних проектів для проведення інженерних демонстрацій та накопичення досвіду для масштабної забудови.
По-третє, підтримка досліджень та демонстрації ключових технологій. Шляхом реалізації національних науково-технічних проектів та інших засобів ми підтримуватимемо фундаментальні та універсальні технічні прориви, розробку ключового обладнання та демонстраційні застосування в галузі інновацій та розвитку гідроенергетики, включаючи, але не обмежуючись, матеріали для лопатей турбін насосів для перекачування та зберігання морської води, а також дослідження та проектування великомасштабних регіональних комплексів для перекачування води та зменшення пікових навантажень.
По-четверте, розробити фіскальну та податкову політику, політику затвердження проектів та політику ціноутворення на електроенергію для сприяння інноваційному розвитку гідроенергетики. Зосереджуючись на всіх аспектах інноваційного розвитку виробництва гідроенергетики, така політика, як знижки на фінансові відсотки, інвестиційні субсидії та податкові пільги, повинна бути розроблена відповідно до місцевих умов на ранніх стадіях розробки проекту, включаючи зелену фінансову підтримку, щоб зменшити фінансові витрати на проект; для проектів реконструкції гідроакумулюючих електростанцій, які суттєво не змінюють гідрологічні характеристики річок, слід запровадити спрощені процедури затвердження, щоб скоротити цикл адміністративного затвердження; раціоналізувати механізм ціноутворення на електроенергію потужності для гідроакумулюючих агрегатів та механізм ціноутворення на електроенергію для виробництва електроенергії гідроакумулюючими електростанціями, щоб забезпечити розумну прибутковість.
Час публікації: 22 березня 2023 р.
