青藏高原新能源发电抽水蓄能翻过唐古拉山实现西线调水设想

南水北调大西线设想是西北人民期盼已久的国家战略工程,朔天运河、藏水入疆、西线、大西线、超长隧道等调雅鲁藏布江之水济西北的设想方案很多,争议很大迟迟不能定案。一个科学合理可行的调水方案必须水源地水源充足、工程技术成熟可靠、风险小、投资少、调水可持续经济运行。结合当前新能源发展趋势及国家电网对储能设施的急迫需求,经分析研究过去一些不现实的设想,随着科技进步,今天已经完全成为经济可行的设想。

今天,随着新能源科技发展,光电风电逐步成为能源主力,每年新能源新增产能两亿千瓦,同时带动抽水蓄能需求快速增长。这为青藏高原新能源发电抽水蓄能翻过唐古拉山实现藏水北调提供了产业基础。国家能源局在十四五能源规划中规划了7000万千瓦抽水蓄能电站,我们为何不能利用这个抽水蓄能设施产能来实现藏水入疆入蒙入黄河?

青藏高原是我国光能风能都很丰富的地区,但是远离能源消纳区,巨大光能风能水能资源得不到开发利用。如果在青藏高原建设1500万千瓦光伏电场及1500万千瓦风电场,年发电600亿度电,可以提水200亿方翻过唐古拉山。翻过唐古拉山后到通天河落差300米,可发电185亿度,通天河到格尔木落差1450米,可发电1090亿度,出阿尔金山到河西走廊落差1000米,可发电625亿,共计发电1900亿度。减去提水耗电600亿,仍有1300亿盈余。相当于我们在青藏高原建造可年调水300亿方,发电1900亿度的巨大水利蓄能设施。

以安多县错那湖为最高程蓄水湖,最高蓄水位4600米,可蓄水48亿方。从错那湖北端4580米高程向北打通唐古拉200公里隧道,到达通天河支流布曲4500米高程,在沱沱河口建2000平方公里超级水库。在通天河曲麻莱河下游筑坝到4300米高程,回流至曲麻莱乡,打通昆仑山100公里隧道,到达格尔木河温泉水库,温泉水库大坝下移4公里,坝高4020米,水库以下建梯级电站发电,到达格尔木全程98公里,落差1150米,最大装机1900万千瓦。到达格尔木后沿2800~2750明渠一路向西,到达阿尔金山下,穿过32公里隧道到达河西走廊,一路向西去新疆,一路向东途径敦煌、瓜州、玉门、嘉峪关、酒泉、金昌、武威,从景泰县或腾格里沙坡头注入黄河。全程落差1000米,可装机1000万千瓦。

一期工程可先期打通通天河曲麻莱乡到格尔木河二大沟98公里隧道,预计后期工程需多条隧道。从通天河调水50亿方到温泉水库。二期工程打通唐古拉200公里隧道,从唐古拉南麓扎加藏布及、拉萨河上游念青唐古拉山南麓、怒江上游调水100亿方到沱沱河水库。三期工程从雅鲁藏布江、怒江中上游提水200亿到错那湖。远期仍可再增加300亿方。

水资源保障,由于很多河流季节流量不均,造成夏季用不完,冬季没水用。要确保足够的调水量必须有配套的蓄水设施。在雅鲁藏布江、怒江、通天河上游要层层蓄水,才能确保足够的调水资源。远期可规划从怒江上游提水到错那湖100亿方,从尼洋河上游调水100亿,通天河调水增加到50亿,雅鲁藏布江增加50亿方,共计调水300亿方。这些水源都在三千五百米以上,有很好的势能价值,可以确保抽水调水的经济可行性。

项目投资规模,1500万千瓦光伏工程及1500万千瓦风电工程共需投资1500亿元,可以开放给社会资本投资,电网收购电力即可。420公里隧道造价600亿(设计不同可能差异很大),500公里高压管道造价500亿(与输水量同比增加),3000公里特高压输电线路400亿,水泵工程2000万千瓦300亿,水电工程3200万千瓦2000亿,移民征地100亿。2500公里供水明渠或低压管道预算1000亿,共计投资5000亿。

柴达木盆地可分配30亿方,新疆可分配50亿,甘肃河西走廊可分配120亿方,调入黄河100亿方。每方水按2元收费,可以由用户承担一部分,地方承担一部分,中央转移支付一部分共同分担。共计收取水费600亿,分配给西藏200亿,青海100亿,项目还本付息300亿。大西线蓄能调水不但可以大量调水,还能生产巨大电力。由于300亿方水多数是在西北内陆消耗,能够很好的调节气候增加降雨,并且受高空西风影响,西风湿润对华北也是有利的。如果水源地水量充分,完全可以替代西线工程对黄河补水。

关键问题分析:

1、关于抽水蓄能调水的经济合理性

当前我国已建成抽水发电站3000万千瓦,在建2000万千瓦,规划7000万千瓦。预计到2050年,我国需要蓄能设施5亿千瓦,方能满足国民经济需求。让抽水蓄能结合水资源跨域调动,是发挥蓄能设施效益的最佳选择。

我国直流特高压输电技术的成功,让东西电网一体化成为可能。在用电低谷时,东部富余电力通过特高压电网输送到青藏高原抽水翻过唐古拉山到达高程4500米沱沱河水库储存起来,东部用电高峰时,再把西部的光电、风电、水电输往东部。调水工程巨大的抽水功耗,将有效避免电站弃水、弃风、弃光的发生。

调水翻过唐古拉后,由于巨大的海拔落差,抽水蓄能不像内地抽水蓄能工程还要耗4发3损耗25%,而是水能得到了放大释放。由此产生的巨大经济效益足够让调水工程成为经济企业市场化运营,而无需国家补贴。

按年调水300亿方规模计算,年总发电量1900亿度,如果按蓄能工程两部制电价计算,容量年租赁费可能高达150亿,入网电价为抽水电价乘4除3。实质上这样的工程,电价需要由国家发改委权衡特别制定,如果按新能源平价入网价0.35元/度抽水蓄能耗4发3,电价应当为0.466元/度。这个电价对国家电网来说有些偏高,但是0.4元应当是各方可以接受的电价。按此电价计算,1900亿度电年收入760亿,加上水费收入300亿,共计收入1060亿。抽水消耗电力600亿度支出210亿元,运维支出50亿,税收200亿,仍可保留600亿用于还本付息。预计12年还清本息。如果按滚动发展思路,前期由黄委会、南水北调集团、国家电网、地方政府共同投资3000亿,用20年建成一个年调水500亿方,年发电3000亿度,调峰功率4000万KW,资产2万亿的超级工程。每年可为国家实现千亿利税。

2、水资源问题

按工程分期依次可利用的水源为,通天河、唐古拉南麓、念青唐古拉山南麓、怒江上游、雅鲁藏布江中上游、尼洋河上游、山南曲惹曲,总资源为700亿方。通天河前期在4200米筑坝可利用水量为50亿方,后期在3500米以上河段层层筑坝提水至4300米,再调水50亿方。唐古拉南麓扎加藏布可直接改道至错那湖或直接隧道通往北麓,4700以上的桑曲及当曲也可改道至错那湖,可调水量不少于50亿方。在念青唐古拉山南麓沿4500米开挖明渠,提水至错那湖,可调水量50乙方。在怒江3800米以上可以层层筑坝提水到措那湖,可调水50乙方。雅鲁藏布江3500米以上筑坝蓄水,提水至错那湖可调水300乙方。在尼洋河上游3300米以上筑坝蓄水,然后打通至怒江隧道,通过怒江提水至错那湖,可调水量为100乙方。后期甚至可以从山南曲惹曲打通至雅鲁藏布江隧道调水50乙方。

青藏高原上河流季节水量差异很大,夏季水量占全年水量的50%~80%,抽水系统不可能把洪峰全部抽走,唯有截住洪峰才能确保可调水量。那就至少需要按可调水量50%建设水库,储存夏季洪水供冬季调配。

3、关于隧道

近年来国内盾构机发展迅速,直径越来越大,技术越来越先进,开挖的隧道单洞越来越长,相信未来没有最长只有更长。隧道专家王梦恕院士就曾提出打通青藏高原调水的设想,所以我相信即使是200公里的唐古拉隧道,并不是不可完成的任务,工期才是问题关键。由于考虑到后期工程需要多条隧道通过唐古拉山,那最好把200公里隧道分为十多个分段,每个工作面打一条永久化的引洞,便于后期多条隧道施工,这样就可以解决工期与成本问题。要使输水隧道效益最大化,在设计上就要使用满足技术要求的最大口径隧道,大口径不单是截面积大,而且水头动能损失更少,流速更快,还要选择合适的纵坡度,使工程投资效益及发电效益最大化。例如,隧道坡度加大会损失势能水位而减少发电量,减小坡度流速变慢需要增加隧道加大投资,所以要平衡坡度选择。也可以在隧道内壁喷涂二氧化硅超疏水涂层,可大幅降低内壁摩擦力加快流速。

4、关于冬季管线冻结问题

青藏高原地热丰富,隧道内温很高,经过隧道之后,温度都会得到提升。管道输送线路做好保温,一般也不会冻结。雅鲁藏布江中游多数情况下水温在0度之上,提升之后经过隧道加温更不会冻结。错那湖冬季会有表面结冰,结冰后也就停止了湖面蒸发,对深水层也有保温作用,不影响调水。

5、关于翻阅唐古拉的三个方案

一、从措那湖抽水到5150米高程唐古拉山顶天湖,缺点是投资大、能源损耗大、冻土层路段多,优点工期快有保障。

二、从措那湖直接打通唐古拉200公里隧道,缺点工期长。优点是投资小,能源损耗小。

三、从措那湖提水到4800米高程,与唐古拉山南麓的扎加藏布汇合后打通100公里隧道到唐古拉北麓汇入通天河。