水电资源的现状与未来浅析

水电资源的现状与未来一、发展水电的优越性　　召开第14届世界能源大会后的主要结论之一是：在21世纪的上半期，作为化石燃料替代品的再生能源中，只有水电资源成为主要资源。世界上还有70%以上的水能源可供开发，特别是水能资源丰富的发展中国家，水电开发潜力很大。　　通过国内实践，总结出水电有6大优点：　　1)它是再生能源，虽有丰枯年差别，但没有用完的顾虑；而火电、核电消耗的是有限的油、煤、气、铀等资源。　　2)发电成本低，水电的成本仅为火电的1/4左右；经济效益高，水电是火电的3倍左右。　　3)水电是清洁能源，可改善自然环境；而火电排放烟尘、氧化硫、氮氧化物、温室气体、放射性物资，特别是烧高硫煤会出现酸雨。核电则会产生很难处理的核废料。　　4)水电有防洪、灌溉、航运、供水、养殖、旅游等众多社会效益，火电效益相对较少。　　5)效率高，大中型水电站为80%～90%，而火电厂为30%～50%；厂用电率，水电站为0.3%，而火电厂为8.22%。　　6)水电机组起停灵活，输出功率增减快，可变幅度大，是电力系统理想的调峰、调频、调相和事故备用。　　然而一切事情总是一分为二的，水电也有负面影响，例如：坝后水流量减少，会增加泥沙淀积，江水自净能力降低；淹没地段要移民，搬迁文物；对鱼类产卵，回游产生影响；淹没地段容易产生滑坡；高坝容易诱发地震。近年对开发怒江，环保派与开发派有较大争论，使怒江开发陷入停顿状态。 　　现在，葛洲坝将到运行15年时，有关部门作了总结，充分说明经济效益非常显著。已向华中和华东电网输送电量1879亿kW•h，创造直接工业产值150亿元。葛洲坝电站通过革新挖潜，使其最大输出功率由设计时的271.5万kW提高到286.8万kW；机组运行的最低水头由设计时的8.3m降低到5.8m；即使遭受千年一遇的特大洪水，机组也能正常运行。近16年已累计节约原煤8000多万t，其节煤效益和煤运交通减荷效果约相当于3～5座装机60万kW的火电厂，年产煤1000万t的煤矿和一条综合运力达1100万t的铁路功能。1998年长江7次洪峰形成时，在隔河岩水库及漳河水库关闸同时，葛洲坝水利枢纽控制下泄流量，最多时削减流量2000m3/s，并维持29h，直接降低沙市水位25cm，大大减轻了洪水对长江中下游的危害程度。　　二、世界开发水电情况　　目前世界上大约21%的电量来自水电。近45年来世界水能资源开发仍然保持较快的速度。1950年共有水电装机容量7200万kW，1970年水电装机容量19065万kW，发电量11650亿kW•h，1990年达62843万kW和21615亿kW•h，1995年已达70893万kW和25325亿kW•h。45年内，水电装机容量的平均年增长率为5.2%。可以看出国土面积较小的发达国家开发率最高，而那些面积大而水能资源又处于边远地区的国家尚可进一步开发。又据另一资料刊载，2004年在各国电力系统中水电量所占比重，挪威为9819%，巴西为86.5%(2001年数据)，冰岛为83.3%，加拿大为58.9%，新西兰为68.1%，奥地利为71.7%(2001年数据)，瑞士为55.3%，瑞典为40.1%，意大利为17.4%，中国为15.1%，美国为6.6%。我国水电量比重尚低于世界平均水平。　　从水电工程规模来看，现已投入运行的1000万kW以上的工程有2处，即1991年建成的巴西、巴拉圭边界的伊泰普水电站为最大，装机1260万kW，其次为1986年投运的委内瑞拉古里电站，装机容量1030万kW，见表3全球10大巨型水电站。目前全世界正在建设的水电工程，中国以7000多万kW排名工程总量第一，其次是巴西。从中国在建的三峡、溪洛渡、龙滩、拉西瓦、小湾、锦屏一级、瀑布沟等工程规模来看，无疑都是世界上数得上的巨型或大型水电站。 　　近二三十年，世界发达国家抽水蓄能电站发展越来越快。1950年全世界抽水蓄能电站总装机容量为160万kW，1960年为342万kW，1970年为1160万kW，1980年为4652万kW，1990年为8068万kW，每10年平均年递增率顺次为7.89%，17.14%，10.8%，10.6%。1998年约达1亿kW。抽水蓄能电站装机容量发展最多的国家是日本和美国，其次是意大利、法国、德国、英国、奥地利等国家。1998年美国抽水蓄能电站装机容量为1889.9万kW，占水电总装机容量的25%；日本抽水蓄能装机容量为2395.3万kW，占52.8%。中国也很重视抽水蓄能电站的开发，广州抽水蓄能电站装机容量为240万kW，是世界上最大的抽水蓄能电站。第二是美国的巴司康坦抽水蓄能电站，装机容量210万kW。　　当今水轮发电机组的发展趋势是大容量、新材料、新技术、新结构、高效率。2003年84万kVA机组在三峡水电站投运，它为立轴半伞式三相凸极同步发电机，定子机座外径达21.4m，定子铁心内径达18.8m，铁心高度达3.13m，单台机组约重6600t，都是世界之最。世界上大型水轮发电机组(≥500MVA)。　　随着理论研究和实验技术的进步以及大型高效施工机械的发展，国外兴建的高土石坝日益增多，双曲薄拱坝发展迅速，碾压混凝土坝方兴未艾，面板堆石坝倍受重视。目前世界上最高的重力坝是瑞士于1962年建成的大狄克桑斯坝，坝高285m。目前世界上最高的拱坝是前苏联于1984年建成的格鲁吉亚英古里坝，坝高271.5m。最高的支墩坝是加拿大于1968年建成的丹尼尔•约翰逊连拱坝，坝高214m。最高的土石坝是前苏联于1986年建成的塔吉克斯坦罗贡坝，坝高335m。到1999年底，坝高200m及以上的坝已建成35座。我国二滩双曲拱坝高240m，居世界第12位。　　展望未来，世界水电发展将有如下趋势：积极开发水电；重视对现有工程的更新改造，从而提高效率；抽水蓄能电站将倍受重视；加深对水电环境影响评价的研究；对水电效率作出客观全面的评价；依靠科技进步推动水电建设。　　三、国内开发水电的情况　　我国水电事业发展极其迅速，2005年装机为1949年的714倍，发电量557倍，平均年增长率分别为12.5%及12%，即平均不到7年就翻一番。水电在电力工业中的比重，已分别由建国初期的8.8%(按装机)和16.5%(按电量)提高到22.9%和16%。从世界范围来看我国水电装机容量和发电量，从建国初期的第25位和第23位，都上升到第1位。　　根据2005年统计，全国已建的100万kW以上的大型水电站21座，总装机容量为3973万kW，占全国水电总装机比重的34.2%；正在建设大型水电站有22座。由此可见，水电站建造的规模越来越大，在这些电站中多数是以发电为主，兼顾防洪和灌溉；少数是水利枢纽，以防洪灌溉为主，结合水利工程发电，如：万家寨、小浪底等水电工程。 　　国内水电站多分布在当前缺煤及水能资源开发条件较好的省市自治区，如：辽、吉、浙、闽、赣、鄂、湘、粤、桂、渝、川、滇、黔、陕、甘、青16省区，其装机容量均超过百万kW，但开发程度不高，最高的辽宁为89.8%，其次为福建82.43%(以电量计)，水电比重超30%的有闽、鄂、湘、桂、滇、藏、青、川8个省区。　　可看出水能资源丰富的省区首推川、滇、藏、黔的西南地区，它们占全国可开发水能资源的66.7%；其次为鄂、桂、湘、粤等中南地区占全国的12%；再次为青、新、甘、陕等西北地区占全国的9.5%。水能资源依流域分，规划了全国13项水电基地，它们是金沙江、雅砻江、大渡河、乌江、长江上游及清江、红水河、澜沧江、黄河上游、黄河中游、湖南、闽浙赣、东北、怒江。如果全部开发将有装机容量27602万kW，将占全国可开发水能资源的50.95%。目前全国经济发达地区都在沿海，即：长江三角洲、珠江三角洲、环渤海地区，这些地区能源紧缺，急需廉价的水电。　　考虑到水能丰盛、淹没少、造价低、输电距离短等因素，这13项水电基地国家已优先发展黄河上游、红水河、长江上游及乌江4大水电基地。2000年国家提出西部大开发，为中国进入小康社会提供能源保障。水电开发将逐步推进到大渡河、澜沧江、金沙江、雅砻江等边远地区。仅目前在建项目中有不少属于世界级，如：世界装机容量最大的三峡电站、世界最高双曲拱坝的锦屏一级电站(305m)以及小湾电站(293m)、世界最高面板堆石坝(233m)的水布垭电站、世界最高碾压混凝土重力坝(216.5m)的龙滩电站等。 　　三峡工程的前期工作，20世纪50年代开始，已持续进行了近40年。1992年4月3日我国七届人大五次会议通过《关于兴建长江三峡工程的决议》，1994年主体工程开工。三峡工程位于西陵峡中的三斗坪镇，它具有防洪、发电、航运等巨大综合效益，是治理开发长江的关键工程。三峡工程由三部分组成：枢纽工程、移民工程、输变电工程。枢纽工程主要由大坝、水电站房和船闸、升船机等水工建筑物组成。水库正常蓄水位175m，初期蓄水位156m，大坝坝顶高程185m，总库容393亿m3，其中防洪库容221.5亿m3，可使荆江的防洪由现在的10年一遇提高到百年一遇。电站共安装26台水轮发电机组，每台发电出口70万kW，总装机容量1820万kW，年均发电量846.8亿kW•h，为了减少弃水调峰，最近又增建三峡地下电站，装机420万kW。水库蓄水后，使重庆以下川江多处险滩都深埋水下，可大大改善航运条件，万吨级船队可直达重庆港。三峡水库总面积1084km2，其中被淹没的陆地面积632km2，考虑到人口自然增长及其他因素，规划将移民113万人。三峡枢纽工程基础土石方开挖10283m3，土石方填筑3198m3，混凝土浇注2794m3，金属结构安装约26万t，工程总工期15年。三峡工程总动态投资约为2000亿元，其中半数投资来自三峡工程建设基金，其二是葛洲坝电站和三峡2003年后的发电利润，其三是国外卖方信贷、国家开发银行贷款及债券。1997年11月8日以三峡二期围堰截流为标志的一期工程早已结束，1998年起进入二期工程，其任务是截止2003年初期蓄水135m，形成50亿m3的防洪库容，双线5级船闸投运。2003年至2021年为第三期，施工6年，实现全部机组发电和枢纽工程全部竣工。2003年至2005年3年内相继以6台、5台、3台70万kW机组投运，提前打破原来安排的投运计划，2003年发电86.1亿kW•h，2004年发电391.6亿kW•h，2005年发电490.9亿kW•h，适时解决了我国严重电荒时期的燃眉之急。　　截止2005年，我国已在10省市建成11座抽水蓄能电站，装机容量约640万kW，占全国装机比例的1.3%。其中大型41座，即：广州、浙江天荒坪、北京十三陵和河北潘家口；中型电站7座，即：吉林白山、江苏沙河、浙江溪口、安徽响洪甸、湖北天堂、河南回龙、西藏羊雍卓湖。为达到必需的电网调节能力，电力系统至少应装有占装机总容量5%的抽水蓄能机组，为此目前已开工铜官山、泰安、西龙池、宝泉、桐柏、张河湾、惠州、黑麋峰、王郎琊山、白莲河电站，拟建设的还有深圳、仙游、呼和浩特、蒲石河、桓仁、荒沟、响水涧、板桥峪等抽水蓄能电站。　　我国的小水电资源十分丰富，理论蕴藏量约1.5亿kW，可开发装机容量6521万kW，相应年发电量2893亿kW•h。由于农村经济发展，同时政府采取了正确政策，小水电建设迅猛发展。到2005年底，小水电装机容量已达4390万kW，年发电量1380亿kW•h，占当年我国水电量的34.9%。开发程度已为67.3%，远高于大中型水电，共有1030个县实现了农村初级电气化县。统计资料表明，我国小水电装机稳居世界第一，已有 20多年了。小水电站的建设发展了农村工业，促进了城镇化，以电代柴，使山区的植被免遭破坏，农网改造降低了线损与电价，提高了农民的生活质量。“十一五”期间规划新增小水电装机1500万kW，建设400个水电电气化县。2005年水利部对21世纪开头20年我国小水电作出新的战略规划，到2021年我国将建成300个装机10万kW以上的小水电县，100个装机20万kW以上的小水电基地，40个装机100万kW以上的小水电强县。规划还确定，发展农村水电，实施小水电代燃料生态保护工程，通过大力发展小水电，规划到2021年解决1.94亿农民的生活燃料，每年减少砍柴1.49亿m3，每年减少CO2排放4100万t，获得了生态效益360亿元。　　自20世纪80年代对外开放以来又积极开展对外技术交流，认真吸取了欧美、日本等国的先进技术，我国水电机电设计、制造、安装和运行的技术水平已明显进步，正逐步达到世界先进水平。我国已有最大容量84万kVA、推力负荷达55000kN、转轮直径达10.6m的三峡混流式机组；最大水头189.2m、单机最大持续出力61万kW、空冷每极容量达1.457万kVA、转轮直径6.247m的二滩混流式机组；五强溪水轮发电机组转轮直径达8.3m，居世界第3；最大水头57.8m、额定容量20万kW、转轮直径8m、推力负荷达41000kN的世界单机容量最大的高水头轴流式水口水轮发电机组；最大水头27.3m、额定容量4.5万kW、转轮直径5.46m的洪江贯流式机组；最大水头637.2m、额定容量12万kW、转轮直径2.6m的冶勒冲击式水轮发电机组；采用蒸发冷却技术的单机容量40万kW的李家峡机组等。　　四、水电建设中存在的问题　　1.开发程度低，能源生产构成不合理　　2005年我国水能开发程度只有21.5%，而其他发展中国家如：巴西、印度分别达到29.2%(2000年数据)及31.5%(2003年数据)。我国水能资源在一次能源可采储量构成中占36.5%，而在能源生产构成中仅占8%，这样显然是不相称的。　　2.水电比重逐年下降 　　解放以来国家重视水电发展。水电比例从1949年的8.8%上升到1984年最高值为32%。改革开放后，由于政策、措施的调整跟不上市场经济发展，在缺电情况下，各地往往争上短平快的火电，使水电比例自1985年开始，一路下滑至2005年的22.9%。国家电力公司成立后，采取有效措施，调整电源结构，1997年提出了3年内原则上不开发新的火电项目(目前看来，这个决策是错误的)，优先发展水电。从1998年到2000年，投产水电分别为533、600、638万kW，2000年水电比例恢复增长到24.8%。但在2000年电力供应呈现短暂性过剩，各地又放松了水电建设，2001年和2002年仅投产水电280、155万kW，到2002年水电比重又跌到24%。其后又逢到电力紧缺，水火电项目又快马上鞭，2003年到2005年，投产水电分别为883、1036、1126万kW，创历史新高，但2005年水电比重却进一步下降到22.9%。　　3.未能给水电建设以优惠政策　　虽然从20世纪80年代起，确定了“水火并举，因地制宜，优先发展水电的方针”，却一直不能实现。究其原因是现行政策未能给水电建设以优惠。首先，水电是一次能源和二次能源同时完成的能源开发，大水电现行增值税率是17%，与火电相同，但火电在燃料和其他原材料进项税抵扣后实际增值税率为8%，大水电却因无进项税可扣而必须交17%，为优惠农村发展小水电，其增值税率仅收6%。其次，水电要征收设备进口税、耕地占用税、矿产资源税、矿产资源补偿费、场内公路养路费、货运附加费等，而且还有巨大的水库淹没处理补偿投资，包括有移民安置、耕地补偿、城镇迁建、专业项目复建，例如，在三峡工程中，这项费用约占三峡总投资的1/3。第三，由于水电站不是独立核算单位，而是由电力公司实行水火电统一核算，而且水电上网电价低，加上水电工期长，建设期贷款利息可占到工程总投资的20%～40%。第四，对综合效益显著的水电工程没有实行投资分摊。例如，百龙滩水电站的航运工程投资占总投资的12.8%；又如，防洪自古以来是社会公益事业，灌溉是水利事业，本应由有关受益部门分摊投资，而实际上却做不到，致使水电投资增大。　　4.各级领导的认识问题　　许多领导总认为水电工期长、造价高、移民难，其实仔细剖析也可很好地认识清楚的。第一，水电工程也可以做到工期短，如，装机120万kW的隔河岩总工期8年，36万kW的引子渡工程，总工期为37个月。这就要求，首先做好前期工作，开工的资金、材料、设备及设计资料按时到位；加强施工管理；处理好业主与地方关系；施工期间提前发电。第二，根据最近统计，水电与火电投资平均造价比为7∶5 ，也就是水电投资要比火电高出40%，但火电如果加上开拓煤矿矿井及修建运煤铁路等投资及电厂本身脱硫脱硝除尘等环保费用，据测算，水电与火电的投资也就相差无几了。水电如果推广碾压混凝土坝，隧洞开挖采用大断面掘进设备，造价是可以降下来的。第三，关于移民问题，过去是纯安置性，造成了移民的依赖性，自从三峡工程改为开发性移民，移民生活得到改善，效果就大不一样了。　　五、展望未来　　按原国电公司规划，2005年水电装机容量达9000万kW，而实际执行结果则为11652万kW，大大超出了原计划数，这说明了“十五”计划电力需求预测的失误。党的十六大以后，中央提出全面建设小康社会，在优化结构和提高效益的基础上，国内生产总值到2021年力争比2000年翻2番，综合国力和国际竞争力明显增强。在此背景下，电器工业协会发电设备专家组预测2021年水电装机16500～17000万kW，2021年为26600万kW。如果专家上述预测得以实现，水电装机比重2021年为2319%，2021年为23%。　　1.乘三峡之风，积极建设多项巨型水电站 　　三峡拥有10大世界之最的美称即：防洪效益最显著；年发电量最大；建设规模最大；工程量最大；施工难度最大；施工期流量最大；泄洪能力最大；级数最多、总水头最高的内河船闸；规模最大、难度最高的升船机；移民工作最艰巨。同时在输变电工程中还创造了直流输电工程规模世界最大、直流工程技术水平世界最高、单台换流变压器容量世界最大、直流工程建设工期世界最短、直流输电运行经济指标世界最优等5项“世界之最”。国家通过市场换技术的方针，向国外跨国公司付费1635万美元，实施“技贸结合、技术转让、联合设计、合作生产”的方法，使三峡左岸电站最后1台机组国产化率达到85%，右岸电站12台机组将有8台在国内生产，在水轮机组设计制造领域内，用五、六年时间内跨越了国外30年差距。正是通过三峡工程的实践，我国水电机电设计、制造、安装和运行的技术水平已明显进步，正逐步全面达到世界先进水平。根据表7，目前在建的三峡右岸电站及地下电站、龙滩、小湾、拉西瓦、溪洛渡5座电站，共需要70万kW机组51台。正如潘家铮院士讲的好：“世界水电在中国，中国水电冠全球”。我们不应妄自菲薄，要敢为天下先，既要有勇争世界第一的勇气，又要一步一步、脚踏实地地攀上顶峰。　　2.在西部开发中抓住机遇，重点开发龙头水库的大型水电站　　在梯级开发中，位于河流的大水库，对全河流量都有调节作用，影响极大，被称为龙头水库。在发电方面，上游水库的调节可以对下游的每一个梯级电站产生效益，增加其保证出力和发电量。例如，小湾水电站大坝形成水库总库容151.3亿m3，该电站建成后，除电站自身巨大的发电量外，还可使下游已建的漫湾和大朝山电站增加保证出力约79万kW，增加枯水期电量31.2亿kW•h。目前在建并具有龙头水库规模的有龙滩、小湾、锦屏一级和溪洛渡电站等。　　3.在有水缺煤地区，加快开发中型水电　　开发中型水电站(5～25万kW)，主要解决地方用电及调峰，使地方直接受益。它们具有“短、平、快”的优势，移民少，解决比较简单，见效快，发电工期在4年左右。我国中型水电技术可开发装机8773万kW，占全国的16.2%，年发电量3927亿kW•h，占全国的15.9%。正在开发中的有浙江滩坑、福建街面、湖南铜湾及淦田、湖北潘口、广西百色、四川紫兰坝及新政、重庆草街、云南泗南江及羊崖山等中型电站。　　4.满足调峰需求，建设一批抽水蓄能电站 　　近年来由于电网规模的扩大，30万kW及以上的燃煤机组增多，核电站的相继投入，加上第三产业的发展，家用电器的普及，致使系统负荷的峰谷差增大，加上西电东送的电量逐年增大(截止到2005年10月10日，南方电网送电至广东1191亿kW•h，至广西389亿kW•h)，为此受电端必须配备机动灵活的备用机组，需要兴建一批大型抽水蓄能电站。特别是在火电比重较大的东北、华北、华东及南方电网中，亟待建设大型抽水蓄能机组，用以代替目前不经济的火电机组调峰。根据发达国家的经验，为达到必须的电网调节能力，电力系统中应至少有总容量5%的抽水蓄能机组。据此，我国目前应该有抽水蓄能机组2540万kW，而目前已建成640万kW，在建项目1080万kW，其中：桐柏、泰安、铜官山、王郎琊山、西龙池、张河湾是从GE、伊林、富士、东芝、三菱等跨国公司进口，由于价格过于昂贵，已严重影响抽水蓄能电站的建设。国家发改委针对这种势态，总结三峡左岸电站机组技术引进的经验和燃气轮机捆绑招标的利弊，战略性地决定以宝泉、惠州、白莲河3座电站16台机组为依托工程，采取以市场换技术、联合设计、合作制作、技贸结合方式进行国际捆绑招标，积极扶植民族工业。最后由法国AL2STHOM公司中标，哈电及东电各分包2台机组。　　5.完善水电的滚动开发机制　　按照市场经济的原则和中央提出的“流域、梯级、滚动、综合”开发的方针，组建水电开发公司，实践证明是符合客观要求的一条加快水电开发的新路子。具有母体电站的滚动开发，就是以公司已还完贷款电站的高利润，解决在建电站的高投入和平抑还贷期新电站的高成本。目前已组建的大型水电滚动开发公司约10多家，多家发电集团还参股水电基地的滚动开发公司，在资金上给以支持。但由于水电项目投资巨大，还需要靠外资、国债、发行股票、债券、民营企业投资等融资方式以及政府的“政策投入”。　　6.大力加强水电科研工作　　今后10年，乃至20～30年间，我国修建大量高坝水电站、大蓄水库、特高压电网、制造巨型水轮发电机组和研发±800kV直流输电，许多项目属于世界级特大工程，需要解决的技术难题很多。如：200～300m高坝建设的成套技术、深埋长隧洞技术、巨型地下厂房建筑技术、高水头泄洪消能技术、优质高速施工技术。继续与国外合作开发70～80万kW混流式水轮发电机组并提高转轮效率；开发200～250m高水头大容量水电机组；20～30万kW可逆式抽水蓄能机组；4～6万kW贯流式机组；高水头大容量冲击式水轮机等。这就要求我们加强水电科研工作，完善水电站计算机监控和机组辅件的数字化和自动化