水利发电现状和制约因素的思考

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  摘  要:水利资源具有洁净性、可再生性、可调节性及综合利用的特点。对水利水电工程综合开发还有利于带动地区经济发展的作用。从水利发电长期运营而言,其清洁性的特点符合环境保护的理念。可水利水电工程建设规模相对较大,投资大,建设周期长,建设施工对周边生态环境还是会造成破坏。一直以来,水利发电的能源与环境问题之间的争议成为影响水利发电的重要影响。此外,水利发电还受自然条件限制影响发电效能及其水利事业的整体发展。本文第一部分介绍了水利发电概况;第二部分分析了国内水利发电发展现状;第三部分讨论了水利发电的优缺点,并在此基础上探讨制约水利发电发展的因素;第四部分展望水利发展发展趋势。旨在为水利发电事业健康可持续发展提供一些参考。
  关键词:水利发电;现状;制约因素;思考;发展趋势
  目前统计的国内水能资源自己开发量约为2.25万亿千时,位居世界第一.发电总量占全世界水电总量的15%,可人均占有量较少。按照目前国内水电规划开发的现状,水电比例占电力中桩基的30%-40%。中国的人口缺战全世界的21%。反映出国内水电规划开发程度相对较低。近些年,不少专家就水利发电过程中能源与环境问题存在较多的争议。有专家提议扩大水电发展规划,有人提议适度开发水利水电工程。在全球能源与环境保护的大背景下,国内水利发电面临着怎样的发展困境?未来水利发电又会呈现什么样的趋势?我们首先应当搞清楚水利发电所受的制约因素。研究该课题对维持国内水利发电能源与环境保护平衡及促进水利发电健康可持续发展有着重要的意义。
  一、水利发电概述
  (一)定义及生产过程
  水利发电指利用能量转换设备将水能转换为机械能,再转换为电能的生产过程。它的生产过程是通过压力水管将水引到水轮机螺旋形蜗壳,推动水轮机组转子旋转,再将机械能转换为电能。从生产过程来看,水利发电的生产过程及工艺较火电发电要简单的多。
  (二)水电站生产形式
  常见的水电站生产形式包括坝式、引水式、混合式、潮汐式、抽水蓄能式等几种形式。水电站生产形式与水能存在的形式有关。具体选择何种生产形式,还要看水利水电工程规划区域的水能。最常见的水能有河流水能、潮汐水、波浪能、海洋热能等。目前,国內利用河流水能开发的水电站占比做大。
  (三)水电站枢纽构成
  水电站枢纽一般由淡水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物及水电站厂房构成。
  (四)水利发电的动力设备
  水利发电的主要动力设备包括压力水管、水轮机、发电机等。压力水管提供水位能,水轮机负责将水位能转换为机械能,发电机负责将机械能转换为电能。水位能是决定水利发电效能的关键因素。它由河水的流量与落差决定。
  (五)水利发电的电气设备
  水利发电的电气设备主要包括发电机、变压器、电动机、绕组、隔离开关、交直流系统、断路器、电力线路等等。它分为一次设备和二次设备。目前国内水利发电站已全面实现信息化管理、自动化管理。
  (六)水利发电的特点
  水利发电能源具有洁净性、可再生性、可调节性、综合利用性及经济带动性的特点。以河水能源为例,随着河水的流动而产生,不论开发与否,河水能都存在。河水能能直接被开发利用,发电过程并不会向火力发电会生产的污染,洁净性良好。投资水利发电的主要成本在前期水电站与枢纽工程的建设,以及后期水电站的运维管理。河水能本身并无成本,无须长期投入较大成本。建设运营后在生命周期内可长期使用,还可根据降雨量、河流水位及流量调节,这符合可再生性、可调节性及经济性特征。对大型水电站的综合开发,还可以作为调节航道水位的基础工程,带动水运运输、地区旅游等,符合综合开发和带动经济性的特征。
  此外,水利发电还具工程投资大、建设周期长、对建设区域生态环境有一定破坏性的特点。特别是大型水电站,前期水电枢纽及其配套设施建设投资巨大,成本回收周期漫长,存在较大的投资风险。对生态破坏主要体现在造成河流、海洋或湖泊水电站周边生物多样性的减少,对原生态景观系统的破坏,以及对水生态系统的污染。可从调节旱涝灾害的功能处罚,水力发电还对生态环境发挥着一定的保护作用。因此,在生态方面我们暂且可以认为水利发电具有保护与破坏的双重作用。
  二、国内水利发电发展现状
  (一)工程建设水平
  我国水利发电虽然起步较晚,但发展迅猛。目前,国内水利发电工程建设已出具规模。初步统计已建成各类水电站及水库85108座,水库容量5624立方米。其中大型水库水利水电工程及工程有470座,水库通量,41977亿立方米。中小型的水利水电工程数量占比较大。国内水利系统中水电累计装机总容量高达4841万千瓦,站全国水利系统装机总容量的41%。农村水电装机容量累计4309万千瓦,占全国水利系统装机容量的38%,发电量为1357万千瓦。国内已经探明的水能源、坦然器、原煤、原油的能源储量中,水能源占比高达45%,为水利发电工程建设奠定了良好的水平。
  (二)设备制造水平
  近些年,随着国内大型水电站枢纽工程的建设,大型化的、高效化的、自动化的水电机组需求上升。在大型水电枢纽工程建设的带动下,国内水利发电设备的制造水平也在不断提升。一些大型、中心水电站纷纷采用了串联梯级高效水轮机组。为加强水利发单设备的研究,国内还组建了树立发电设备国家重点实验室,用以专门研究水利发电设备及其制造。在高效水轮机组研发制造方面,中国水力发电设备制造企业只用了5年时间就完成了国外发达国家用30年时间才完成的研究,并制造出当时世界上最大的水轮发电机组,将其应用于长江三峡水电站。长江三峡水电站采用了32外装机容量为70万千瓦及的水轮发电机组,通过串并联的形式构成超大水轮发电机组,将中国的水利发电设备制造技术提升到国际水平。长江三峡总装机容量高达2250万千万。这个装机容量相当于20座百万千瓦级核电站,伊泰普水电站装机容量超出850万千瓦。除混流式水轮机组外,长江三峡所采用的压力水管、发电机及其他一些辅助设备、电气设备,均采用了世界一流的技术。   (三)水能资源及开发
  国内水能资源总量丰富,但人均资源不足,却存在着水能资源分布不均衡,水能发电与地区经济发展不匹配的问题。水利发电预计规划到2050年全国水利发电总装机容量达到15-16亿千瓦,将大部分常规水电能源全部开发出来。目前,已开发的大部分大型水利水电枢纽工程主要集中在东部地区,而水能资源相对集中,占有全国水能资源71%的西部地区,因经济发展滞后水利发电受到较大的限制,较全国水利发电水平而言明显滞后于东部地区。如云南、贵州、四川、重庆、陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆、西藏等省、自治区水能资源约占全国水能资源的60%,水利水电的开发率不足30%。东部地区的水利发电开发率却高达70%。西部地区水能资源开发率却远远落后于水能资源仅占7%的东部发达地区。
  当前全国水能资源平均开发率仅占9.12%,位居世界低83为,水利发电开发率远远落后硬度、越南、巴西、泰国等国。在水利发电规划中,未来20年将主要以西南地区为主,在西南地区开发建设大型水利枢纽工程,来提高西南地区水能资源的开发率,平衡国内水利发电及电力结构。
  三、水利发电的优缺点及制约因素
  (一)水利发电的优缺点
  1.水利发电优点
  水利资源是一种可再生资源,它所赋有的水能资源自然也是取之不尽、用之不竭的清洁能源。现有的水电站枢纽工程让我们认识到合理开发、科学管理水电站,不仅水利发电效率高,而且可持续性效能好,还能调节水流量,起到治理旱涝灾害,解决灌溉及洪涝灾害的问题。从这个角度而言,水力发电具有较好的抗灾害能力和抗环境冲击能力。
  2.水利发电缺点
  虽然水利发电优势明显,但水电站的建设及其发电容量会受地形的限制。因建设周期长,前提投资成本高,具有一定的投资风险。此外,河流、湖泊等易受风水灾害影响,电力数据具有波动性,导致水利发电事业存在一定程度的不确定性。一般水电站建成后扩容难度较高,建成后不易在扩容。水电站建设过程也会对流域内动物、植物、居民、土壤肥力等产生不同程度影响。建成后下水流侵蚀剧烈,对河床及动植物都会有不同程度影响。
  (二)水利发电的制约因素
  1.水能因素
  水能资源是决定水电站建设大小的核心因素。根据水力发电的缺点,水能资源的限制因素包括河流流量、河流梯度落差、地形等等。河流水能受降雨量、蒸发量影响较大。水利发电建设只能在由开发潜力的流域内进行。因此水能资源限制了水利发电的建设与发展区域。
  2.环境因素
  水电站建设对周边环境的改变,会导致陆上生物、水域内生物物種的减少。这对于濒临灭绝的生物而言是灭顶之灾。因而水利发电会伴随生物多样性减少问题的发生,还会对周边生态系统整体性造成破坏。这与当前全球提升的生态环保环境相悖。
  3.行业垄断因素
  在国内,水利发电一直带有显著的行业垄断行政。电力行业垄断体制直接影响着水电资源的配置情况。不合理的管理会导致水电资源浪费,降低水利发电效益,长期以往严重制约国内水利发电健康可持续性发展。
  4.投资资金因素
  大型水利发电站的建设投资成本较高,后期设备运维管理也是一笔不小的费用。因投资资金的限制,以及较长的投资回收周期,极大的限制了经济落后地区水利发电站的建设及水利发电事业的发展。
  四、国内未来水利发电发展趋势
  (一)大型化发展趋势
  随着国内水电站建设技术水平的提升,大型化、信息化水电站的比例将不断提升。虽然大型水电站建设周期长,但其装机总容量大,生产效能高,且综合利用价值高。国内的三峡水电站、溪洛渡水电站、白鹤滩水电站、乌东德水电站、金沙江流域水电站等,这些大型水电站大开发为未来国内水利发电大型化发展奠定了技术基础。此外,我国西南地区拥有的高梯度河流开发难度较大,规划建设西南水电站都将向大型化、综合化发展。
  (二)智能化发展趋势
  随着水利发电站动力设备、电气设备及监测系统自动化水平不断提升,水利发电智能化将成为必然的趋势。国内已有部分大型水电站实现了无人化管理,为水利发电智能化发展奠定了基础。未来,在水电调峰方面,智能化的管理将充分发挥信息化统筹资源配置的优势,最大程度的实现电力资源的优化配置。
  (三)综合开发趋势
  生态可持续发展战略要求水利发电在进行流域规划时要将生态环境问题、经济问题及水资源问题进行协调平衡,加强水资源与社会发展、经济发展的关系。这也表明未来水利发电有综合化开发的趋势。综合开发简言之就是在流域规划中融入多功能结构,将水利发电与水资源生态保护、旱涝治理相结合,使水利发电的综合效益最大化。此外,还要注重水电站建设移民问题,解决移民搬迁及移民地群众经济发展的问题。大型水电站还可以开展特色生态旅游,建设生态移民村,用旅游和发电效益共同促进当地经济发展,使水利发电真正的参与到带动当地经济及社会的建设与发展中。
  五、结语
  从能源发展的角度分析,水利发电的洁净性、可再生性及经济性都使其在未来具有广泛的应用前景。从水环境保护的角度分析,水电发展无形中对水电站周边生态环境及沿线的水生态环境造成了一定污染与破坏。整体而言,水利发电的利大于弊。通过本文研究,我人为水利发电深度开发是在国内是必不可少的。开发的关键在与如何做好生态环境的保护。未来,在水利发电建设与规划中,应该将生态环境保护放在核心的位置,围绕生态保护对水利水电工程进行综合开发,构件生态循环系统,来预防不可抗力因素所致的自然自还对周边路上生态、河流生态及水生态的破坏与污染问题。只有始终将生态环境保护放在核心的位置,做好环境污染控制与生物保护,确保环境保护与能源开发的平衡,才能时国内水利发电的环境效益、经济效益及社会效益最大化,可持续的带动地区经济绿色环保发展。
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  作者简介:黄俊龙(1988—   ),男,汉族,广东惠州人,本科, 助理工程师,新丰县新源水力发电有限公司副总经理,研究方向:电力系统及自动化。
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