基于富余風(fēng)光資源利用的調(diào)水線路評價研究

閻 平，趙 丹，許 珂，王 超，廖衛(wèi)紅，王曉穎

（1．北京洛斯達(dá)數(shù)字遙感技術(shù)有限公司，北京 100120；2.江蘇大學(xué) 流體機械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 研究背景

我國西北地區(qū)氣候干旱，降雨稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴(yán)重[1-2]。水資源作為限制西北地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的稀缺性資源，是西北干旱地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的生命線[3]。而以“五江一河”（雅魯藏布江、怒江、瀾滄江、金沙江、雅礱江、大渡河）為代表的我國西南地區(qū)，河流水量充沛、水質(zhì)優(yōu)良卻利用率極低[4-5]。西部跨流域調(diào)水工程作為解決水資源時空分布不均的關(guān)鍵措施，可以有效緩解西北地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺問題，顯著提高西南地區(qū)水系水資源利用率，此外，該調(diào)水工程對于實現(xiàn)大范圍水資源優(yōu)化配置、改變中國西部地區(qū)經(jīng)濟格局、全面保護西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要影響[6-10]。

另一方面，西藏、青海、新疆等西北地區(qū)是我國風(fēng)、光、水等清潔能源資源最富集的區(qū)域，區(qū)域內(nèi)風(fēng)、光能源理論可開發(fā)量約為120億kW，開發(fā)潛力巨大[11-14]。但是，近年來由于遠(yuǎn)距離大容量輸電、調(diào)峰能力不足，以及供給側(cè)嚴(yán)重過剩等問題，導(dǎo)致西北地區(qū)在新能源發(fā)展中面臨著嚴(yán)重的棄光、棄風(fēng)困局，制約了西北地區(qū)在新能源方面的進一步發(fā)展。根據(jù)國家電網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，2018年西北地區(qū)合計棄風(fēng)電量占全網(wǎng)總棄風(fēng)電量的60%，棄光電量占全網(wǎng)總棄光電量的86%。因此，提高能源利用率，減少棄風(fēng)棄光電量，成為未來西部地區(qū)新能源發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵問題。

由此而來，將風(fēng)光能源消納與跨流域調(diào)水工程相結(jié)合，提出適合西部地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展特點的水資源空間配置方案，對于推進西北地區(qū)可持續(xù)發(fā)展和社會穩(wěn)定具有十分重要的戰(zhàn)略意義。本文以擬定的西部調(diào)水工程中雅魯藏布江-怒江段調(diào)水為例，依據(jù)規(guī)劃的有利于開發(fā)西部地區(qū)風(fēng)、光資源的調(diào)水線路，建立跨流域長距離調(diào)水工程耗能計算模型。本文構(gòu)建的能耗計算模型可以用于計算調(diào)水線路的能耗情況，同時可為結(jié)合富余風(fēng)光資源利用的西部調(diào)水線路選定評價提供技術(shù)支撐[15]。

2 調(diào)水工程耗能計算模型

西部調(diào)水的線路已經(jīng)有了不少研究，但主要集中在工程的選線、調(diào)水規(guī)模、工程配置、調(diào)水方式及施工難易等，實際上，我國西南地區(qū)海拔高，太陽能、風(fēng)電、水電等可再生能源都比較豐富[16-18]。其次，由于山體眾多，調(diào)水線路都會存在線路長短以及工程規(guī)模和施工的博弈，若要線路短，勢必會設(shè)計出與自然高程走向不一致的線路，甚至是開鑿山體等；而要想施工容易，盡量按自然高程來設(shè)計線路，路線又會非常長。因此，本文研究了一個通用的調(diào)水工程耗能模型，只要設(shè)定一條調(diào)水線路，即可依據(jù)高程走向劃分自流段、提水段。自流段主要是通過重力引水，按照一定的規(guī)則規(guī)劃水電站發(fā)電，并確定水電站的年發(fā)電量和裝機容量，同時結(jié)合調(diào)水線路所在區(qū)域的風(fēng)光電出力特性確定水電站的調(diào)蓄能力；提水段則是規(guī)劃梯級泵站提水，按照一定的規(guī)則規(guī)劃梯級泵站的分級數(shù)和總裝機容量，并依據(jù)動能計算方法計算梯級泵站的年耗能情況。綜合沿線水電站的發(fā)電情況和泵站耗能情況，分析得出擬定調(diào)水線路的整體能耗情況。

2.1 引提水段劃分根據(jù)擬定的調(diào)水線路確定坐標(biāo)點陣序列，并按照如下規(guī)則確定自流段與提水段。（1）對調(diào)水線路點陣序列進行平滑處理?；贒EM數(shù)據(jù)擬定調(diào)水線路，受高程數(shù)據(jù)精度以及人為選線等因素的影響，所選出的高程序列數(shù)據(jù)存在毛刺現(xiàn)象，難以進行分段處理。因此，需要對所選線路進行平滑處理。卡爾曼濾波方法是一種經(jīng)典的數(shù)據(jù)平滑算法[19]，該方法對一個離散的序列數(shù)據(jù)，可按照如下公式對線路進行平滑處理：

式中：n維向量xk為k時刻的系統(tǒng)狀態(tài)變量；n維向量xk-1為k-1時刻的系統(tǒng)狀態(tài)變量；A為n×n階的轉(zhuǎn)移矩陣；B是可選的控制輸入u的增益；wk-1為過程激勵噪聲；zk為m階的觀測向量；H為m×n階的轉(zhuǎn)移矩陣；vk為觀測噪聲。

（2）確定調(diào)水線路中的極值點。根據(jù)平滑處理過后的高程序列數(shù)據(jù)，運用牛頓分解法確定高程序列的極大值點和極小值點。

（3）確定自流段和提水段。將極大值點開始、極小值點結(jié)束的區(qū)段劃分為自流段，將極小值點開始、極大值點結(jié)束的區(qū)段劃分為提水段，引提水段的劃分示意圖如圖1所示。

（4）結(jié)果驗證。將劃分好的自流段與提水段繪制到原始的線路中進行驗證，并確定提升段、自流段劃分的準(zhǔn)確性。

圖1 引提水段劃分示意圖

2.2 自流段水電站規(guī)劃與發(fā)電量計算

2.2.1 水電站規(guī)劃開發(fā)原則 本文擬定的調(diào)水線路主要在青藏高原，水電站可以布設(shè)于人工構(gòu)建的渠道，因此，規(guī)劃的水電站僅考慮引水和發(fā)電功能。為了充分利用調(diào)水線路沿線的風(fēng)能、太陽能資源，提水段所需電量可以由沿線的風(fēng)電、光伏聯(lián)合提供。而考慮到風(fēng)電、光伏的隨機性和波動性，規(guī)劃的水電站需具備一定的調(diào)蓄能力，從而可以降低風(fēng)光發(fā)電輸出功率的不確定性[20-22]。

2.2.2 水電站發(fā)電量計算

（1）確定年平均發(fā)電量。水電站依靠水的重力勢能驅(qū)動水輪機發(fā)電。根據(jù)自流段確定的總水頭，結(jié)合引水線路的調(diào)水規(guī)模，確定年平均發(fā)電量[23]。水電站發(fā)電計算的公式如下：

式中：η為機組總效率；a為出力系數(shù)，一般大中型水電站可取a值為8.0～8.5；Qi、Ni、Hi分別為某時段的流量、出力及水頭。

（2）確定裝機容量。根據(jù)自流段總水頭確定的平均出力和發(fā)電量后，還需根據(jù)水電站發(fā)電設(shè)備的年利用小時數(shù)，確定水電站的裝機容量。

式中：Ninstall為裝機容量；Navg為根據(jù)水頭測算的平均出力；R為發(fā)電設(shè)備的年利用小時數(shù)。

考慮到引水渠道規(guī)劃的梯級水電站流量比較穩(wěn)定，年利用小時數(shù)較一般水電站發(fā)電設(shè)備的年利用小時數(shù)高；本次調(diào)水線路中需要考慮風(fēng)電、光伏的隨機性和間歇性，因此，規(guī)劃的水電站要有一定的調(diào)蓄能力。綜合兩種因素，選擇5000 h作為規(guī)劃水電站發(fā)電設(shè)備的年利用小時數(shù)。

圖2 西藏風(fēng)電、光伏日內(nèi)綜合出力系數(shù)

（3）基于風(fēng)光出力隨機性確定水電站調(diào)蓄能力。西藏風(fēng)電、光伏日綜合出力系數(shù)如圖2所示，風(fēng)電和光伏的綜合出力系數(shù)白天大、晚上小，因此，要求調(diào)水線路上規(guī)劃的水電站可以對風(fēng)光資源驅(qū)動的梯級泵站進行日內(nèi)調(diào)節(jié)。

富余風(fēng)光資源驅(qū)動的調(diào)水工程模型中，通過利用規(guī)劃水電站的調(diào)蓄能力，在風(fēng)電、光伏綜合出力大于平均出力的時段，抽取的多余水量存儲在水電站的水庫中；在風(fēng)電、光伏綜合出力小于平均出力的時段，將水庫中的水用于補償發(fā)電，填補風(fēng)光電能出力不足導(dǎo)致的出力空缺。假定西藏平均電力需求為100萬kW，擬定調(diào)水線路中水電站補償存/供水的情況如圖3所示。

圖3 西藏水電補償存/供水示意圖

2.3 提水段泵站規(guī)劃與耗電量計算

2.3.1 梯級泵站開發(fā)原則 對于長距離、高揚程梯級泵站的輸水工程，分級數(shù)量和泵站選址將直接決定整個泵站工程的投資及運行費用[24-25]。通過比較國內(nèi)外跨流域調(diào)水工程中泵站分級數(shù)量和選址的研究成果，結(jié)合我國青藏高原的地理情況，以100 m左右的揚程為梯級泵站分級原則[26-27]。

2.3.2 測算梯級泵站耗電量 對于離心泵而言，確定其工況點流量Q和揚程H的方法包括圖解法和數(shù)解法。水泵的工況點是水泵特性曲線和管路特性曲線的交點，可以利用數(shù)解法列出兩條曲線方程，聯(lián)立求解得到水泵的工況點。

式中：H為水泵的實際工作揚程，m；HST為水泵的靜揚程，m；Q為水泵的實際工作流量，m3/s；S為管路沿程和局部阻力系數(shù)之和，S2/m5。

確定離心泵特性曲線函數(shù)關(guān)系的方法有拋物線法和最小二乘法。在實際應(yīng)用中，不是所有水泵的高效段都能符合拋物線方程，故在實際應(yīng)用中會存在一定的誤差。因此，采用最小二乘法擬合離心泵高效段的Q-H曲線，設(shè)曲線方程如下：

式中：α0、α1、α2、α3、…αn為水泵性能曲線方程的系數(shù)；n在實際工程中，一般取2次精度。

根據(jù)高效段的水泵參數(shù)便可擬合出曲線，當(dāng)管路系統(tǒng)確定時，HST和S均為已知數(shù)，則可以求解出水泵的工況點參數(shù)。而水在管道中的水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失兩部分，局部水頭損失可以按照沿程水頭損失的10%計算?；谒玫妮S功率和泵站運行時間可以計算水泵的耗電量，梯級水泵年運行耗電量可用下式概算：

式中：W為耗電量；P為水泵的軸功率；T為水泵的運行時間；ρ為密度；g為重力加速度；η為水泵的效率。

2.4 計算成果人工校核按照前述方法確定調(diào)水線路中規(guī)劃的水電站、梯級泵站，同時還需要對規(guī)劃結(jié)果進行人工修正。比如：提水段落差太小，不宜設(shè)置泵站，建議從規(guī)劃的梯級泵站中去掉該段；自流段落差太小，不宜設(shè)置水電站，建議從規(guī)劃的梯級泵站中去掉該段；前后的提水段組成新的提水段，整體考慮規(guī)劃梯級泵站等。

3 實例研究

3.1 調(diào)水線路設(shè)定調(diào)水線路的選定需要綜合考慮地形、氣候、地質(zhì)、土地利用、水資源稟賦條件、生態(tài)環(huán)境保護、移民拆遷、施工安全及便利、材料能源需求、成本核算乃至后續(xù)的運行管理等方方面面的問題，是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。本文僅從西南地區(qū)富余清潔能源利用的角度，來評價既定西部調(diào)水路線的能源需求和發(fā)電潛力，從富余能源利用角度，調(diào)水線路應(yīng)重點考慮以下方面：（1）充分利用西南地區(qū)的清潔能源資源，在有多余電能的地區(qū)可多規(guī)劃提水線路；（2）在高程變幅較大的自流段可規(guī)劃一些水電站，利用水頭發(fā)電，也對全線的能源進行調(diào)節(jié)。

3.1.1 長距離調(diào)水方式 長距離大規(guī)模輸水，主要有3種調(diào)水方式：隧道、管道和明渠。隧道輸水方式中水流主要是緩坡自流，對地面的擾動影響小，有利于保護生態(tài)，但在大量長距離輸水隧洞在建設(shè)過程中，將不可避免地需要穿越具有復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的山嶺地區(qū)，面臨著自然環(huán)境惡劣、地震烈度高、不良地質(zhì)多發(fā)等不利因素；管道輸水有流速高、占地小、工程相對簡單易行、調(diào)水利用率高的優(yōu)點，但也有壽命短和工程實施后的運行管理和維護的問題；采用明渠方式施工難度適中，但寒冷地區(qū)冬季水面易結(jié)冰，從而阻礙渠道正常運行，且由于蒸發(fā)滲漏等原因，輸水損失也相當(dāng)大，但相對容易維護和管理。

不同的調(diào)水方式各有優(yōu)劣和適用條件，應(yīng)根據(jù)實際情況和地質(zhì)地貌特征選用不同的調(diào)水方式。不僅要考慮施工技術(shù)水平，還要考慮長遠(yuǎn)的運行調(diào)度和管理維護難度和能力?？紤]到我國西部青藏高原地形特點，管道和渠道方式需要考慮山體起伏，不可避免的會遇到提水以及向下的陡坡輸水等工況需求，這就可以結(jié)合富余風(fēng)光資源進行綜合考慮。如果施工條件可行的話，大規(guī)模綿延山體可主要考慮隧道方式引水，減少能源的使用量和水能損失率。

圖4 調(diào)水工程線路

3.1.2 調(diào)水路線設(shè)定 本文以風(fēng)光資源豐富的西藏地區(qū)為研究對象，設(shè)定一條從雅魯藏布江支流帕隆藏布引水至怒江的線路開展研究，線路如圖4所示，首先采用翻山明渠方式從帕隆藏布引水，穿越大量山體部分采用自流隧道方式，出隧道后緩坡自流至怒江，這其中僅翻山明渠部分涉及到能源需求問題，其線路長約28.61 km，年引水量為230億m3。需要說明的是，本線路僅初步考慮地形和土地利用條件設(shè)定，隨后圍繞富余風(fēng)光資源利用角度來進行線路方面的評價分析。

圖5 調(diào)水工程線路高程

3.2 西藏地區(qū)風(fēng)光資源分析受地勢較高和高空西風(fēng)環(huán)流的影響，西藏大部分地區(qū)屬于風(fēng)能較豐富區(qū)和可利用區(qū)。初步估算西藏風(fēng)能資源在7 m/s以上的區(qū)域約占全區(qū)面積的30%，風(fēng)能資源理論蘊藏量為1.8×105萬kW，技術(shù)可開發(fā)量約為理論蘊藏量的十分之一（1.8×104萬kW）。此外，西藏太陽能資源居全國首位，是世界上太陽能最豐富的地區(qū)之一，大部分地區(qū)年日照時間達(dá)3100～3400 h，平均每天9 h左右。西藏小部分東南地區(qū)日照時間較少、太陽輻射較弱，年均總輻射低于5000×106J/m2；大部分地區(qū)日照時間長、輻射強，年均總輻射高于6000×106J/m2，局部地區(qū)高達(dá)8000×106J/m2。截止到2018年底，西藏地區(qū)電網(wǎng)裝機容量307萬kW，其中光伏101.5萬kW，占總裝機容量的33.06%；風(fēng)電0.75萬kW，占總裝機容量的0.24%。根據(jù)全國新能源消納監(jiān)測預(yù)警中心2019年底的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，西藏全年棄光量達(dá)4.1億kW·h，棄光率為24.1%。遠(yuǎn)期規(guī)劃中，僅光伏一項西藏地區(qū)可開發(fā)量就高達(dá)5000萬kW。

4 調(diào)水線路能源轉(zhuǎn)化分析

4.1 自流段、提水段劃分依據(jù)上述模型，本文設(shè)定線路在海拔2800～4000 m之間，共劃分自流段5段，總發(fā)電水頭為2581.07 m；提水段4段，總提水揚程為1777.33 m，具體自流段、提水段劃分如表1和圖6所示。表1中經(jīng)緯度與高程為自流段、提水段終點的位置信息。

4.2 水電站與梯級泵站規(guī)劃結(jié)果根據(jù)設(shè)定線路的自流段可規(guī)劃水電站5座，總引水年發(fā)電量1286.23億kW·h，總裝機容量2572.46萬kW·h，總儲能19632.96萬kW·h；該線路提水段需規(guī)劃梯級泵站20個，總引水年耗電量1391.95萬kW·h，總額定功率2783.90萬kW。水電站與泵站總體規(guī)劃如表2所示；水電站與梯級泵站位置設(shè)置如圖7所示。

表1 水段劃分結(jié)果

根據(jù)提水段水頭劃分規(guī)劃梯級泵站，共4段提水段累計20個梯級泵站，為便于安裝、管理、維護，規(guī)劃4種功率的泵站設(shè)備，具體梯級泵站分級規(guī)劃如表3所示。

表2 水電站與梯級泵站總體規(guī)劃

4.3 耗能計算結(jié)果合理性分析基于調(diào)水線路及前述方法確定的規(guī)劃水電站、梯級泵站，本文提出的調(diào)水工程耗能模型的計算結(jié)果基本合理；提水段、自流段的劃分結(jié)果與實際的地形起伏情況一致；各提水段梯級泵站的額定揚程、額定功率以及梯級泵站的分級數(shù)基本合理；各水電站的總發(fā)電水頭、裝機容量和調(diào)節(jié)容量基本合理。本文設(shè)定線路年總能耗為1391.95萬kW·h，經(jīng)線路自身年發(fā)電量1286.23億kW·h補充后，還需約105.72萬kW·h的外部供電。按目前西藏地區(qū)尚未消納利用的棄光量及將來規(guī)劃開發(fā)的風(fēng)、光資源量來看，完全足夠覆蓋所需外部供電量。

圖6 水段劃分示意圖

圖7 水電站和泵站設(shè)置圖

5 結(jié)論

本文將西部調(diào)水工程與沿線的風(fēng)光資源富集區(qū)的棄光、棄風(fēng)利用相結(jié)合，規(guī)劃調(diào)水線路時充分考慮沿線風(fēng)光電開發(fā)前景，將風(fēng)光能源消納與跨流域調(diào)水工程相結(jié)合。在線路規(guī)劃評價方面構(gòu)建了調(diào)水工程耗能計算模型。該模型通過劃分引提水段、規(guī)劃提水段梯級泵站與測算耗能、規(guī)劃自流段水電站與測算耗能，從而測算整個調(diào)水線路的整體年均耗能，并針對擬定的考慮富余風(fēng)光資源利用的調(diào)水線路進行實例研究。

表3 梯級泵站分級規(guī)劃

研究結(jié)果表明，從年均角度進行評價，翻山明渠輸水工程中，在其自流段發(fā)電量的補充下，提水段所需消耗的電量足夠利用沿途待開發(fā)的風(fēng)光資源來支持。所構(gòu)建的耗能計算模型能夠計算規(guī)劃調(diào)水線路的能耗，且計算結(jié)果合理。實際上，從能源角度來看，還應(yīng)考慮到季節(jié)、月度、日內(nèi)的水資源、風(fēng)光資源及用電的差異，后續(xù)還可深入進行分析?？偟膩碚f，實際調(diào)水線路的選擇要考慮的因素非常多，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本文研究可作為其中線路評價的一方面支撐，也可作為西部富余風(fēng)光能源利用的一個新的思路。