首页  >  媒体动态  >  媒体动态详情

马洪琪院士:“十四五”能源领域科技创新规划水能发电部分解读

2022-04-15   中国电力报   阅读量:458

    一、背景和意义

    能源安全是关系国家经济社会发展的全局性、战略性问题,对国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至关重要。我国能源禀赋的特点是富煤、少油、缺气,能源消费结构中,化石能源超过80%,石油对外依存度达70%,能源产业面临保安全、转方式、调结构、补短板等严峻挑战。此外,我国发展起步晚,累计二氧化碳排放量是美国的二分之一,但碳排放增长迅速,2020年全国碳排放超过100亿吨,占世界的28%,为世界上最大的碳排放国。面对气候变化、环境风险挑战、能源资源约束等日益严峻的全球问题,世界主要国家纷纷加快了低碳化甚至“去碳化”能源体系发展步伐。党的十八大以来,我国积极践行“四个革命、一个合作”能源安全新战略,2020年9月22日,习近平主席在第75届联合国大会代表中国政府郑重承诺,中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,力争于2030年前实现二氧化碳排放达峰,并努力争取于2060年前实现碳中和。

    (来源:微信公众号“中国电力报”作者:中国工程院院士 马洪琪)

    当今世界正经历百年未有之大变局,我国能源发展不确定性因素增加,约束条件增多,新一代信息技术快速发展和变革,在“碳达峰、碳中和”、生态文明建设和“六稳六保”等总体要求下,我们应牢牢把握能源科技创新在能源革命中的决定性作用,积极推进云计算、物联网、大数据、区块链、人工智能、金融科技等技术与能源产业深度融合,助力能源产业高质量发展和低碳化转型。

    实现碳中和的关键是能源系统的低碳转型,其中关键的着力点是提高水、风、光等可再生能源在一次能源消费中的占比。风电、光伏具有随机性和间歇性,大规模上马对电网安全稳定和电能质量提出巨大挑战,而水电具有良好的调节性能,以水电为基础,统筹汇集风光新能源电力,实现源-网-荷-储一体化开发,可避免新能源单兵突进带来的系统风险。

    我国的水能资源极为丰富,技术可开发容量达6.87亿KW,年发电量约3万亿KW·h。2020年水电装机3.7亿千瓦(含抽水蓄能3149万千瓦),发电量1.36万亿KW·h,相当于替代4.1亿吨标煤,减排10.5亿吨二氧化碳。目前,我国水电开发率为49.3%,剩余水电开发潜力仍然巨大,仅藏东南部分河段,装机约6000万KW,年电量3000亿KW·h,相当于3个三峡工程,每年可提供近3000亿度清洁、可再生、零碳的电力。水电作为绿色清洁能源,在我国实现双碳目标中扮演着独特作用,2013年我国曾因为水电的大发展,而一度实现了碳达峰。

    21世纪以来,以三峡、南水北调工程为标志,中国水电开发进入了自主创新、引领发展的新阶段,先后建成了龙滩、水布垭、小湾、溪洛渡、锦屏一级等工程,这一阶段我国更加关注巨型工程和超高坝的安全,注重环境保护,建设技术不断刷新世界纪录。新阶段水电开发必须贯彻新发展理念,开创新发展格局;必须创新设计思维,统筹水电开发与生态环境保护、移民致富和新能源建设的关系;必须增强科技创新引领和信息化支撑作用才能更好面对后续一系列世界级电站的挑战。

    “十四五”是“两个一百年”奋斗目标的历史交汇期,是加快推进能源技术革命的关键时期。“十四五”能源领域科技创新规划,分析了世界和我国能源科技发展形势,提出了拟列入规划的发展目标和重点任务,建议了相关保障措施和政策支持等,抓住了能源领域的技术关键和行业痛点,规划编制对保障我国能源安全、应对气候变化和节能减排等方面具有重要作用,相关内容可为我国全面构建绿色低碳、安全高效的现代能源产业体系提供技术支撑,对推动能源革命,掌握核心关键技术话语权具有深远意义。

    二、规划编制的思想和重点任务

    规划编制的指导思想是:以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,深入贯彻党的十九大和十九届二中、三中、四中、五中全会精神,全面落实“四个革命、一个合作”能源安全战略和创新驱动发展战略,聚焦保障能源安全、促进能源转型、引领能源革命和支撑“碳达峰、碳中和”目标等重大需求,坚持创新在能源发展全局中的核心地位,统筹发展与安全,以实现能源科技自立自强为重点,以完善能源科技创新体系为依托,着力补强能源技术装备“短板”和锻造能源技术装备“长板”,支撑增强能源持续稳定供应和风险管控能力,引领清洁低碳、安全高效的能源体系建设。

    在水能发电技术方面,规划列出了三项重点任务,第一是藏东南水电开发关键技术,主要开展Ⅷ度地震烈度区超深厚覆盖层上筑坝技术攻关;开展复杂条件下超大型地下洞室群建设关键技术研究;研发750~1000米水头水斗式和600米级水头混流式大容量水轮发电机组关键装备;研发高寒高海拔地区生态保护技术,做好藏东南地区水电绿色开发技术储备。第二是水电基地可再生能源多能互补协同开发运行关键技术,主要开展基于气象水文预报和流域综合监测技术,考虑综合利用多目标协调,关注重点区域生态保护,面向电力市场需求的流域梯级水电站联合调度研究;构建基于水电和新能源发电预报预测技术的多能互补调度模型,支撑梯级水电、抽水蓄能电站与间歇性可再生能源互补协同开发运行,研究基于梯级水电站的大型储能项目技术可行性及工程经济性,适时开展工程示范。第三是水电工程健康诊断、升级改造和灾害防控技术,主要开展大坝性态及库区智能监测与巡查、大坝健康诊断技术研究;突破结构增强、渗漏检测与治理、增容改造、水下修复、金属结构维护、大坝拆除和重建等升级改造技术。开展流域大型滑坡稳定性、致灾机制与预警指标、滑坡灾害监测体系、堰塞湖形成与溃决、灾害风险防控等研究。研究和示范满足防灾应急和维护检修的高坝大库放空关键技术。

    三、水能科技发展的重大研究方向和技术挑战

    我国水能资源总量、水电装机容量和年发电量均居于世界首位,水电工程建设能力和百万千瓦级水电机组成套设计制造能力领跑全球,水电工程建设技术已达到世界领先水平。然而,与引领能源革命的要求相比,水能科技创新仍存在一定差距,原创性和引领性颠覆技术偏少,技术创新体系建立仍不完善,“卡脖子”问题依然存在。我国剩余水电资源主要集中在我国西部地区,尤其是青藏高原及其周边,水电开发面临着诸多挑战,包括更为复杂的建设条件、更高的生态环境保护和社会公共要求、更严峻的经济性挑战以及大规模新能源建设和上网对水电的调峰运行需求等,同时,我国水电国际化发展也对水电行业高质量发展和技术创新提出了新的更高要求。

    (一)重点开展藏东南水电开发重大技术问题研究

    “十三五”期间及后续水电开发主要集中在青藏高原及其边缘地带,特别是藏东南水电基地,基地采用“截弯取直+小沿江”的开发方案,包括一个多年调节水库,一个调节池,三个大型地下厂房发电系统和一个反调节水库,总装机约6000万千瓦,年发电量约3000亿度,这个规划方案是一个比较好的方案,可以避开沿江大型滑坡地质灾害等很多问题。下面集中谈谈几个重大难题。

    1.高坝坝基深厚覆盖层

    藏东南水电开发位于高山峡谷高地震烈度区,存在超深厚覆盖层问题,坝基抗滑稳定、抗震安全、变形稳定和渗透稳定给我们提出了巨大挑战,采用振冲碎石桩对深厚覆盖层进行处理,试验已取得成功,能够处理,但是造价非常高昂。

    “十四五”期间,需要重点对深厚覆盖层的物理力学特性进行深入研究,这是安全评估和处理方案研究的基础。传统的钻孔取样存在扰动,不能真实反映覆盖层物理力学特性,除钻孔外,应打一个沉井,开展现场原位试验,搞清楚坝基持力层的物理力学性状,这样可以准确分析评估抗滑稳定和地震液化。

    2.高坝坝型选择

    超深厚覆盖层上最适宜的坝型是砾石土心墙堆石坝,但是藏东南工程坝址区土料性状复杂,处理难度大、运距远,因此可与沥青心墙堆石坝方案进行技术经济比较,沥青心墙堆石坝方案存在的主要问题是对坝基变形适应能力较差,需要进行专题研究,另外需要研究沥青心墙坝对藏东南地区气候的适应性。

    3.复杂地质条件下深埋大直径引水隧洞和超大型地下洞室群

    深埋大直径引水隧洞宜采用TBM施工,但深埋隧洞地应力高,面临岩爆和大变形问题,同时超大型地下厂房需要布置数十台大型水轮发电机组,这样的工程规模前所未有,大型地下洞室群的稳定和厂房安全问题需要特别关注,应重点开展岩爆的预报和防治措施研究,还要预防复杂地质条件下涌水突泥等地质灾害。

    强烈岩爆的预报及治理可借鉴锦屏二级工程经验,涌水突泥的治理可借助我国有关调水工程的治理经验,白鹤滩水电站左右岸大型地下厂房各布置了8台百万千瓦机组,也可为我们提供相关工程经验。

    4.超高水头大容量水轮发电机组

    超高水头大容量水轮发电机组设计制造是引水发电系统最难的问题。分两条线路研究两种机组,分别是1000m级水头大容量冲击式和600m级水头大容量混流式。1000m级水头的冲击式水轮机,目前世界上最大42万千瓦,现在要做到70万千瓦,设计制造难度很大,而且每个厂房装几十台,布置难度也很大。混流式机组,我们现在能做到100万千瓦,但水头只有300m级,国外600m级混流式机组的最大单机容量35万千瓦,要做到70万千瓦难度也很大。混流式机组可借鉴抽水蓄能机组,抽水蓄能600m水头做70万千瓦单机是可以的。该领域研究要坚持自主创新与国际合作相结合。

    5.环境影响

    藏东南水电开发位于生态脆弱地区,涉及国家级自然保护区及国家珍惜保护植物,需对相关问题进行专题研究,开展环境影响评估。

    藏东南水电开发位于高山峡谷区,山坡陡峻,施工总布置难度大,土石方开挖量巨大,如何选择合适堆渣点、保障堆渣稳定安全、实现堆渣绿化,避免造成次生灾害及对环境造成有害影响,也给我们提出了很大挑战,需要开展绿色施工新技术新工艺的研究。

    (二)加强流域地质灾害监测预警和应急管理

    我国已建成以澜沧江、金沙江、雅砻江、大渡河等为代表的流域梯级水库群,库岸稳定及流域地质灾害问题日益突出,亟需加强监测分析和应急管理,研究库岸空天地一体化的非接触式变形监测技术,逐步建立完善流域地质监测预警体系。

    库岸变形监测对滑坡早期识别、分析评价、灾害防治及应急管理具有重要意义,但是传统监测方法难以适应大范围、连续、快速监测的要求。为此,我们提出了空天地多层次非接触式变形监测的总体思路:采用星载InSAR进行大范围普查,获取变形异常部位的大致范围;采用车/船/无人机载InSAR对库岸边坡进行区域巡查,确定重点部位;采用固定式InSAR进行重点核查和持续观测,获取重点部位重点时段的变形时序数据;特别重要部位进一步采用接触式安全监测方式进行长期观测。

    后续应结合地质勘察成果、巡查成果、影像及各监测手段的数据等资料,研究提出滑坡预警指标;建立完善梯级库群岸坡安全监测手段与设施,采用5G、物联网、智慧计算等先进技术,集成监测数据收集处理、稳定性分析、预警预报、紧急应对预案为一体的梯级库群运行安全管理快速预警体系。

    (三)全面推进水电工程智能化

    西部高海拔地区水电工程普遍面临“地质条件复杂,施工条件恶劣,生态环境脆弱”等制约性问题,给工程建设和运行管理带来了很大困难,常规开发方式难度巨大。因此,应充分应用“智能建造”新技术、新理念,研发应用最先进信息化、数字化、智能化技术,实现工程安全、高效建设和运行。风电、光伏等新能源的集群化管控同样离不开信息化和智能化手段。

    糯扎渡、溪洛渡、黄登、白鹤滩、乌东德等电站已进行了智能建设方面的有益尝试,但基本着重于“数字大坝”和“智能建造管控”,在工程智慧感知、无线传输、动态监控、BIM深化应用、各阶段数据融合、大数据分析、评价预警、决策支持等方面还存在很多不足。

    当前国内水电工程建设正处于全面数字化、部分智能化的阶段。“十四五”期间工程建设和管理要向全面智能化发展。建议从智能规划设计、智能建设、智慧运行管控等全方位、全过程开展水电工程智能建设技术研究,并研究建立行业统一的信息化体系及标准。

    (四)着力开展可再生能源多能互补技术研究

    风能和光伏发电具有随机性、间歇性和波动性的特点,造成电能质量不稳定,大规模并网对电网的安全稳定运行提出巨大挑战,同时单独远距离输电的经济性较差。西南尤其是西藏地区后续水电开发成本高,单一开发水电经济性较差;通过水风光协同开发、多能互补,可打破各自为阵的劣势局面,并利用大型水电外送通道及水库调节性能,将风能、光伏发电等不稳定电能调节为稳定可靠电力,从而大幅提高电能质量和电力系统安全,增加输电通道利用率,同时可利用风电、光伏低成本优势,平抑水电上网电价,实现综合效益最大化。

    建议以澜沧江上游、雅砻江等大型清洁能源基地为依托,攻克大型清洁能源基地水风光多能互补关键技术难题,提出多能互补成套技术体系,构建多能互补联合发电的协同优化调控系统,实现清洁能源高效消纳,保障电力系统安全,建成国家多能互补清洁能源示范基地。

    (五)加强大型流域梯级水库环境监测及联合调度技术研究

    根据“水环境安全保障,水生态持续改善,水资源综合利用”等生态文明发展需求,大型流域水电滚动开发形成巨型梯级电站水库群后,应从监测站网智能布控、深水分层高精度采样、原位实时监控分析、湖库健康评价指标、多库联动生态调度等方面着手,研究建立梯级深大水库水环境在线感知、数据挖掘、动态分析、智能评估、实时预警、联动调控等方法体系,形成引领国内流域梯级水库水环境实时动态监控、潜在风险事件提前预判预警和水资源综合利用高效调度成套技术,实现流域梯级水库水环境和水生态安全的“数字化、信息化、智能化”管理。

    为延长大型流域水文预报有效预见期、降低预报误差,应利用卫星数据反演技术、中尺度数值天气预报模型、分布式水文模型、实用水文预报模型、融雪径流模型等技术和方法,研发流域气象水文一体化预报系统,在此基础上,提出大型流域中长期径流预报优选方案和梯级电站群多目标联合调度模型。

    四、规划保障措施

    规划提出了健全能源科技创新协同机制、完善能源科技创新平台体系、推动能源科技成果是否应用、突出企业技术创新主体地位、优化能源行业技术标准体系、加大规划任务资金支持力度、加强能源科技创新国际合作、加速能源科技创新人才培养等方面保障措施,保障措施很健全,落实好可有效保障规划的实施。我认为应重点做好以下几点:

    第一是进一步强化以企业为主体,以市场为导向,产学研相结合的技术创新体系。企业直接面对水电市场,是市场的主体、创新的主体,也是科技和经济紧密结合的重要力量,激发企业创新主体作用,可以在很大程度上克服科技与产业“两张皮”现象。企业要主动发挥创新主体作用,构建产学研协同创新治理机制,培养产学研一体化的复合型创新人才,集中优势资源突破制约发展的关键核心技术。

    第二是积极将规划任务纳入中央预算内投资项目、科技创新2030—重大项目、水能相关重点研发计划重点专项项目以及其他各类国家科技计划项目和地方科技计划项目,加强财政资金支持力度。

    第三是充分发挥国家能源水电工程技术研发中心、国家能源水能高效利用与大坝安全技术研发中心、国家水能风能研究中心等水电技术创新平台的技术引领和示范作用,进一步优化和规范上述平台的管理和考核评价,加大支持力度。

    五、结语

    应对气候变化、控制碳排放是人类在21世纪面临的重大挑战之一,水能是可再生的清洁能源,能够更好地完善我们的能源结构,帮助我们更好地应对气候变化的挑战,在我国实现双碳目标中扮演着独特作用。“十四五”是加快推进能源技术革命的关键时期,《“十四五”能源领域科技创新规划》是“十四五”我国推进能源技术革命的纲领性文件,紧密围绕国家能源发展重大需求和能源技术革命重大趋势。规划部署了重大科技创新任务,提出了水能发电技术需重点研发的技术和示范试验,我们水电人员应根据规划,汇聚行业优势资源,加强科技创新,深度融合信息化手段,突破制约发展的关键核心技术,实现我国水电技术全面领跑全球。