专家访谈：抽水蓄能电站的环保节能之道
2013/11/29 0:50:11 新闻来源：中能建集团
11月27日，由21CN组织的"海南三日科普游"正式启动，网友科普团由广州出发前往海口，实地参观海南琼中抽水蓄能电站，开始为期3天科普之旅。
为了对抽水蓄能电站有更多了解，"海南三日科普游"活动开展前，21CN在官方微博上收集了大量网友的提问，并特邀水力能源研究领域专家梁兴博士为其解答。
以下为访谈内容：
问：抽水蓄能电站是干什么的?什么样的工作原理?能否用通俗的语言向网友们普及一下?
答：对一个国家或者地区而言，每一天用电量都存在着峰谷差异，比如上海市在上午10点-11点，下午2点-3点和晚上7点-9点左右存在着明显的用电高峰，一天中最高的用电量与最低用电量相差数百万千瓦，而电力是必须及时消耗的，电厂发多少电用户就要消耗多少电。为解决每日用电峰谷差异的问题，最直接的有两个办法，第一个是根据用电负荷的变化开启或者停止发电机组，但是火力发电机组、核电机组以及部分水电机组由于其自身设计特点和运行要求，如果频繁起停机组，将直接影响到机组的使用寿命和运行安全，因此对存在着明显用电峰谷差异的大电网而言，不宜采用该方法。第二种方法就是我们大家所关心的抽水蓄能，它能够在用电高峰将多余电能"存储"起来，在用电低谷则将存储的电能释放出来。在实际中，对于大电网而言，其供电量可以分为两部分，一部分是由火力发电机组、核电机组和大型水电机组等组成，在用电量发生变化时，其发电量却基本保持不变;同时利用抽水蓄能机组、小型水电机组等完成"调峰填谷"作用。
抽水蓄能工作原理：抽水蓄能电站的一个关键设备就是水泵水轮机，在用电低谷期，抽水蓄能电站在水泵工况运行，将水从下游水库(位置较低)抽到上游水库(位置较高)，把多余的电能转化成为水的势能存储起来;在用电高峰期，抽水蓄能电站在水轮机工况运行，水从上游水库流向下游水库冲击水轮机作功进而发电，将存储的水势能转化为电能，弥补用电高峰的需求。
问：抽水蓄能起哪些作用?
答：抽水蓄能电站的作用主要有调峰填谷、调频调相、事故备用和黑启动等。
(1)调峰填谷：在用电谷期，抽水蓄能电站将水从下游水库(位置较低)抽到上游水库(位置较高)，把多余的电能转化成为水的势能存储起来;在用电高峰，则利用水从上游水库流向下游水库冲击水轮机作功进而发电，将存储的水势能转化为电能，弥补用电高峰的需求。
(2)调频调相：简单的说，供电质量两个重要参数是频率和电压，比如家庭用电要求是220V50Hz，但是当电网电量供需发生变化(负荷变化)时，电的频率和电压等参数也会发生波动，直接影响到供电质量。而抽水蓄能电站起动速度快，其出力(相当于瞬时发电量)可以在一个较大范围内灵活调整，是一种优良的调频调相设施。
(3)事故备用和黑启动：由于抽水蓄能电站机组起动到满负荷只需1-2分钟，而且运行工况调整、转换的速度也快，也能够黑启动(黑启动是指出现系统解列事故后，要求机组在无电源的情况下迅速起动)，是电网最佳的紧急事故备用机组。
由于上述作用，抽水蓄能电站能够有效的提高火、水、核电站的综合利用率，降低系统能耗，提高电网的可靠性。
问：抽水蓄能电站是适合中国的选择吗?看到很多说国外建了这种电站的项目，但是这适合中国的情况吗?
答：抽水蓄能电站是否适合，与电网供电来源密不可分。电网供电来源一般可以分为两类：一类是以火电(或核电)为主;另一类是以水电为主或水、火比例大致相当。对于前者，由于火电机组、核电机组不宜频繁起动，电网需要抽水蓄能电站承担调峰填谷、调频调相和紧急事故备用等作用;对于后者，水电机组有一定的调蓄能力，但是如果电网中水电站属于年调节以下的情况较多，比如，电站属于季调节型，即所在河流有较明显的枯水期和汛期，在汛期时，若要利用水电调峰，则只能白白放掉水而不能用来发电，降低了电站经济效益，对于此类电网，配备了抽水蓄能电站后，就可以减少或避免汛期弃水，提高经济效益并改善水电汛期运行状况，也能增强电网调控能力。对我国而言，从发电总量上来看，2012年火力发电量占全国总发电量的78.6%，水力发电量占17.4%，其余为核电和风电等新能源发电量;从地域分布上分析，北方火电居多，西南地区水电居多，核电则多处于沿海地区;从水电特性上分析，相当大一部分水电站，比如三峡、葛洲坝都属于季调节水电站;因此，不论是从电网实际调控需求，还是从电站经济运行角度考虑，都是需要兴建大量的抽水蓄能电站。
问：网上有很多传言，"地球一小时"是作秀，实际上什么电也不省，真的吗?能否解释一下?
答：对于家庭或者个人而言，少用一个小时的电，那肯定是省电的，但是从国家或者电网安全的角度看，我们更应该推崇的是其节能思想，而不是这种活动。"地球一小时"活动建议在每年3月最后一个星期六20点30分到21点30分熄灯。对于这个时间段，首先，它处于枯水期，水电机组发电量较低，火电机组起主要作用;其次，这个时段家庭生活用电量占整个电网供电量的比重较大，突然熄灯一个小时，将会造成用电量急剧变化。从电网调控方面来看，一方面，火电机组起停需要一个过程，不可能像家用电器一样，开关键一按它就停机了，利用火电机组难以实现实时调控;另一方面，在电网中抽水蓄能电站相对较少，也没有办法在如此大的用电波动中保持电网的稳定，这将会对电网造成较大冲击，甚至会破坏一部分供电设备。因此，如果全国人民都参加这个活动，8点30分，电灯开关一关，其他家用电器也许会跟着跳闸。最后，即便单纯从能源消耗角度，不考虑电网破坏和电器设备损坏的损失，由于火电机组在完全停止后和正在运行中存在较大的温差，而活动中停机和起动时间仅相隔一个小时，火力发电机组需要不断燃煤来保证其设备温度，以便于1小时后开启，这部分煤炭也白白燃烧掉了，因此，它难以达到经济环保的作用。
问：抽水蓄能电站在我国能源开发与利用中起到什么样的作用呢?它能解决"地球一小时"活动引发的那些电力问题?
答：我国面临着能源紧张的问题，解决该问题一方面是节能，抽水蓄能电站的节能特点，主要体现在与电网进行配合，特别是与大型电站配合使用，它能够提高火力发电、水力发电和核电的综合利用率，保证火电机组、水电机组和核电机组等安全经济运行，有效的降低总能耗;另一方面则是开发新能源，特别是核电等能源，核电站单机容量大，能效高，但是它与火电机组类似，不宜频繁起动，不具有调蓄能力，需要与抽水蓄能电站等配合使用。
抽水蓄能电站不论是在理论中，还是在实际应用中，其节能特性已经被证实，和"地球一小时"完全不同，而且，由于抽水蓄能的"调峰填谷"特点，它能缓解或解决类似"地球一小时"所带来的用电峰谷差异对电网和用电设备所造成的电力冲击。
问：网上资料显示，这种抽水蓄能电站规模一般都比较小，这小的电站能对整一个省市片区的电力进行调控吗?
答：一般常用电站总装机容量来衡量电站的规模。但是抽水蓄能电站和常规电站的用途是不同的，常规电站是为了解决电力缺口兴建的，它们是主要的供电源，而抽水蓄能电站是为了解决电网调峰缺口而兴建的，在电网中发挥着重要的调控作用。另外，需要说明的是，现代大型抽水蓄能电站的规模也不能称之为小，比如，广州抽水蓄能电站一期工程装机120万千万，年发电量23.8亿度;二期工程装机120万千瓦，年发电量25.089亿度，比很多火电站和水电站的总装机容量都要大。
一个地方是否需要兴建抽水蓄能电站，兴建多大装机容量的抽水蓄能电站，与当地电网用电量峰谷差异密切相关。比如，截止到2012年年底，我国已投产的抽水蓄能电站总容量为2066.75万千瓦，其中广东就占了23.2%，而部分省份则共用一个抽水蓄能电站来调峰。随着我国经济的持续发展，用电量逐步提升，电网峰谷差异也呈扩大趋势，电网调峰压力也逐步增大，急需扩建和兴建一批抽水蓄能电站，据有关部门估计，到2020年，全国抽水蓄能电站总装机将达到5000万千瓦左右，抽水蓄能电站也将在电网的安全稳定运行中发挥更大的作用。
问：和葛洲坝、三门峡、小浪底等中国知名的水力发电站相比，抽水蓄能电站和它们有什么相似与区别呢?
答：抽水蓄能电站的发电原理与其他水电站是相同的，但是，它们在电网中的作用和地位有着明显的区别。从电力行业的角度来看，知名水电站的主要是用来发电，充当基荷，而抽水蓄能电站主要是用来调峰的。抽水蓄能电站在整个运作过程中，虽然部分能量会在能量转换间损失，但与采用迫使其他类型发电机组频繁起停来满足电网调控相比，抽水蓄能电站更经济，效益更好。除此以外，抽水蓄能电站还能担负调频、调相和事故备用等功能，它是确保电网安全、经济、稳定运行的关键设施之一。
问：相比于煤电、核电项目，抽水蓄能电站的优势在哪里?它对环境保护能起到什么样的作用?
答：煤电(火力发电的一种)主要是以煤炭为燃料，其发电过程中不仅伴随着大量的二氧化碳，而且还有氧化氮、氧化硫、粉尘等对大气、环境有害的伴生物;核电由于其原料自身特点，不会产生二氧化碳等温室气体或有害气体，正常运行时污染也较小。而抽水蓄能电站则可以称得上是纯净无污染的能源，即其抽水过程消耗的是电能，发电过程则利用的是无污染的水能，而且抽水蓄能电站基本上是利用现有的水库、湖泊，对水生生物、植被等影响也很小;另外，由于上下游水库的蓄水作用，在小区域内还能起到改善环境、与周边生态和谐发展的作用。抽水蓄能电站已经出现100多年了，我国也在上个世纪60年代就开始了抽水蓄能的研发，因此，抽水蓄能在技术上是成熟的，实际运行经验的积累也非常丰富，不仅在水资源高效利用和改善环境等方面也发挥着重要的作用，也是电力系统特别是大电网不可或缺的组成部分。
专家简介
梁兴，河南南阳人，博士，毕业于武汉大学，现于南昌工程学院能源与动力工程专业任教，从事水力机械内流理论，水力机械在线监测与故障诊断等领域的科研与教学工作，发表多篇EI论文。
为了对抽水蓄能电站有更多了解，"海南三日科普游"活动开展前，21CN在官方微博上收集了大量网友的提问，并特邀水力能源研究领域专家梁兴博士为其解答。
以下为访谈内容：
问：抽水蓄能电站是干什么的?什么样的工作原理?能否用通俗的语言向网友们普及一下?
答：对一个国家或者地区而言，每一天用电量都存在着峰谷差异，比如上海市在上午10点-11点，下午2点-3点和晚上7点-9点左右存在着明显的用电高峰，一天中最高的用电量与最低用电量相差数百万千瓦，而电力是必须及时消耗的，电厂发多少电用户就要消耗多少电。为解决每日用电峰谷差异的问题，最直接的有两个办法，第一个是根据用电负荷的变化开启或者停止发电机组，但是火力发电机组、核电机组以及部分水电机组由于其自身设计特点和运行要求，如果频繁起停机组，将直接影响到机组的使用寿命和运行安全，因此对存在着明显用电峰谷差异的大电网而言，不宜采用该方法。第二种方法就是我们大家所关心的抽水蓄能，它能够在用电高峰将多余电能"存储"起来，在用电低谷则将存储的电能释放出来。在实际中，对于大电网而言，其供电量可以分为两部分，一部分是由火力发电机组、核电机组和大型水电机组等组成，在用电量发生变化时，其发电量却基本保持不变;同时利用抽水蓄能机组、小型水电机组等完成"调峰填谷"作用。
抽水蓄能工作原理：抽水蓄能电站的一个关键设备就是水泵水轮机，在用电低谷期，抽水蓄能电站在水泵工况运行，将水从下游水库(位置较低)抽到上游水库(位置较高)，把多余的电能转化成为水的势能存储起来;在用电高峰期，抽水蓄能电站在水轮机工况运行，水从上游水库流向下游水库冲击水轮机作功进而发电，将存储的水势能转化为电能，弥补用电高峰的需求。
问：抽水蓄能起哪些作用?
答：抽水蓄能电站的作用主要有调峰填谷、调频调相、事故备用和黑启动等。
(1)调峰填谷：在用电谷期，抽水蓄能电站将水从下游水库(位置较低)抽到上游水库(位置较高)，把多余的电能转化成为水的势能存储起来;在用电高峰，则利用水从上游水库流向下游水库冲击水轮机作功进而发电，将存储的水势能转化为电能，弥补用电高峰的需求。
(2)调频调相：简单的说，供电质量两个重要参数是频率和电压，比如家庭用电要求是220V50Hz，但是当电网电量供需发生变化(负荷变化)时，电的频率和电压等参数也会发生波动，直接影响到供电质量。而抽水蓄能电站起动速度快，其出力(相当于瞬时发电量)可以在一个较大范围内灵活调整，是一种优良的调频调相设施。
(3)事故备用和黑启动：由于抽水蓄能电站机组起动到满负荷只需1-2分钟，而且运行工况调整、转换的速度也快，也能够黑启动(黑启动是指出现系统解列事故后，要求机组在无电源的情况下迅速起动)，是电网最佳的紧急事故备用机组。
由于上述作用，抽水蓄能电站能够有效的提高火、水、核电站的综合利用率，降低系统能耗，提高电网的可靠性。
问：抽水蓄能电站是适合中国的选择吗?看到很多说国外建了这种电站的项目，但是这适合中国的情况吗?
答：抽水蓄能电站是否适合，与电网供电来源密不可分。电网供电来源一般可以分为两类：一类是以火电(或核电)为主;另一类是以水电为主或水、火比例大致相当。对于前者，由于火电机组、核电机组不宜频繁起动，电网需要抽水蓄能电站承担调峰填谷、调频调相和紧急事故备用等作用;对于后者，水电机组有一定的调蓄能力，但是如果电网中水电站属于年调节以下的情况较多，比如，电站属于季调节型，即所在河流有较明显的枯水期和汛期，在汛期时，若要利用水电调峰，则只能白白放掉水而不能用来发电，降低了电站经济效益，对于此类电网，配备了抽水蓄能电站后，就可以减少或避免汛期弃水，提高经济效益并改善水电汛期运行状况，也能增强电网调控能力。对我国而言，从发电总量上来看，2012年火力发电量占全国总发电量的78.6%，水力发电量占17.4%，其余为核电和风电等新能源发电量;从地域分布上分析，北方火电居多，西南地区水电居多，核电则多处于沿海地区;从水电特性上分析，相当大一部分水电站，比如三峡、葛洲坝都属于季调节水电站;因此，不论是从电网实际调控需求，还是从电站经济运行角度考虑，都是需要兴建大量的抽水蓄能电站。
问：网上有很多传言，"地球一小时"是作秀，实际上什么电也不省，真的吗?能否解释一下?
答：对于家庭或者个人而言，少用一个小时的电，那肯定是省电的，但是从国家或者电网安全的角度看，我们更应该推崇的是其节能思想，而不是这种活动。"地球一小时"活动建议在每年3月最后一个星期六20点30分到21点30分熄灯。对于这个时间段，首先，它处于枯水期，水电机组发电量较低，火电机组起主要作用;其次，这个时段家庭生活用电量占整个电网供电量的比重较大，突然熄灯一个小时，将会造成用电量急剧变化。从电网调控方面来看，一方面，火电机组起停需要一个过程，不可能像家用电器一样，开关键一按它就停机了，利用火电机组难以实现实时调控;另一方面，在电网中抽水蓄能电站相对较少，也没有办法在如此大的用电波动中保持电网的稳定，这将会对电网造成较大冲击，甚至会破坏一部分供电设备。因此，如果全国人民都参加这个活动，8点30分，电灯开关一关，其他家用电器也许会跟着跳闸。最后，即便单纯从能源消耗角度，不考虑电网破坏和电器设备损坏的损失，由于火电机组在完全停止后和正在运行中存在较大的温差，而活动中停机和起动时间仅相隔一个小时，火力发电机组需要不断燃煤来保证其设备温度，以便于1小时后开启，这部分煤炭也白白燃烧掉了，因此，它难以达到经济环保的作用。
问：抽水蓄能电站在我国能源开发与利用中起到什么样的作用呢?它能解决"地球一小时"活动引发的那些电力问题?
答：我国面临着能源紧张的问题，解决该问题一方面是节能，抽水蓄能电站的节能特点，主要体现在与电网进行配合，特别是与大型电站配合使用，它能够提高火力发电、水力发电和核电的综合利用率，保证火电机组、水电机组和核电机组等安全经济运行，有效的降低总能耗;另一方面则是开发新能源，特别是核电等能源，核电站单机容量大，能效高，但是它与火电机组类似，不宜频繁起动，不具有调蓄能力，需要与抽水蓄能电站等配合使用。
抽水蓄能电站不论是在理论中，还是在实际应用中，其节能特性已经被证实，和"地球一小时"完全不同，而且，由于抽水蓄能的"调峰填谷"特点，它能缓解或解决类似"地球一小时"所带来的用电峰谷差异对电网和用电设备所造成的电力冲击。
问：网上资料显示，这种抽水蓄能电站规模一般都比较小，这小的电站能对整一个省市片区的电力进行调控吗?
答：一般常用电站总装机容量来衡量电站的规模。但是抽水蓄能电站和常规电站的用途是不同的，常规电站是为了解决电力缺口兴建的，它们是主要的供电源，而抽水蓄能电站是为了解决电网调峰缺口而兴建的，在电网中发挥着重要的调控作用。另外，需要说明的是，现代大型抽水蓄能电站的规模也不能称之为小，比如，广州抽水蓄能电站一期工程装机120万千万，年发电量23.8亿度;二期工程装机120万千瓦，年发电量25.089亿度，比很多火电站和水电站的总装机容量都要大。
一个地方是否需要兴建抽水蓄能电站，兴建多大装机容量的抽水蓄能电站，与当地电网用电量峰谷差异密切相关。比如，截止到2012年年底，我国已投产的抽水蓄能电站总容量为2066.75万千瓦，其中广东就占了23.2%，而部分省份则共用一个抽水蓄能电站来调峰。随着我国经济的持续发展，用电量逐步提升，电网峰谷差异也呈扩大趋势，电网调峰压力也逐步增大，急需扩建和兴建一批抽水蓄能电站，据有关部门估计，到2020年，全国抽水蓄能电站总装机将达到5000万千瓦左右，抽水蓄能电站也将在电网的安全稳定运行中发挥更大的作用。
问：和葛洲坝、三门峡、小浪底等中国知名的水力发电站相比，抽水蓄能电站和它们有什么相似与区别呢?
答：抽水蓄能电站的发电原理与其他水电站是相同的，但是，它们在电网中的作用和地位有着明显的区别。从电力行业的角度来看，知名水电站的主要是用来发电，充当基荷，而抽水蓄能电站主要是用来调峰的。抽水蓄能电站在整个运作过程中，虽然部分能量会在能量转换间损失，但与采用迫使其他类型发电机组频繁起停来满足电网调控相比，抽水蓄能电站更经济，效益更好。除此以外，抽水蓄能电站还能担负调频、调相和事故备用等功能，它是确保电网安全、经济、稳定运行的关键设施之一。
问：相比于煤电、核电项目，抽水蓄能电站的优势在哪里?它对环境保护能起到什么样的作用?
答：煤电(火力发电的一种)主要是以煤炭为燃料，其发电过程中不仅伴随着大量的二氧化碳，而且还有氧化氮、氧化硫、粉尘等对大气、环境有害的伴生物;核电由于其原料自身特点，不会产生二氧化碳等温室气体或有害气体，正常运行时污染也较小。而抽水蓄能电站则可以称得上是纯净无污染的能源，即其抽水过程消耗的是电能，发电过程则利用的是无污染的水能，而且抽水蓄能电站基本上是利用现有的水库、湖泊，对水生生物、植被等影响也很小;另外，由于上下游水库的蓄水作用，在小区域内还能起到改善环境、与周边生态和谐发展的作用。抽水蓄能电站已经出现100多年了，我国也在上个世纪60年代就开始了抽水蓄能的研发，因此，抽水蓄能在技术上是成熟的，实际运行经验的积累也非常丰富，不仅在水资源高效利用和改善环境等方面也发挥着重要的作用，也是电力系统特别是大电网不可或缺的组成部分。
专家简介
梁兴，河南南阳人，博士，毕业于武汉大学，现于南昌工程学院能源与动力工程专业任教，从事水力机械内流理论，水力机械在线监测与故障诊断等领域的科研与教学工作，发表多篇EI论文。
