科技创新规划解读丨服务能源绿色低碳转型 科技创新引领水电发展
来源： 作者： 点击数： 日期：2022-05-23 15:19
服务能源绿色低碳转型 科技创新引领水电发展
规划编制水能专业组
2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会上郑重宣布我国力争实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的双碳目标。近日，中共中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，紧随其后出台的《2030年前碳达峰行动方案》提出了2030年碳达峰阶段重点领域和行业的主要任务和目标。能源领域作为关切热点，以能源绿色低碳转型行动位列“碳达峰十大行动”首位。
当前发布的《“十四五”能源领域科技创新规划》，作为能源领域“十四五”规划的重要内容，充分体现了双碳目标的导向作用和技术创新的引领作用。《规划》响应《2030年前碳达峰行动方案》因地制宜开发水电，以及建设新型电力系统、推动抽水蓄能电站中长期发展等相关要求，在可再生能源先进发电及综合利用技术中把水电（能）作为重要支点，紧扣“西南水电”“多能协同互补”“生态保护”“数字化智能化”等关键词，提出藏东南水电开发关键技术，抽水蓄能与可再生能源多能互补协同开发运行关键技术，水电工程健康诊断、升级改造和灾害防控技术，水电数字化智能化等技术发展方向，体现了双碳目标引领下的先进性和前瞻性。
一、国内外水电科技发展现状及趋势
（一）国际水电
自2015年联合国达成可持续发展目标以来，各国政府日益认识到水电在提供可负担和清洁能源、管理淡水、应对气候变化和改善生计的国家战略中的关键作用。国际能源组织在《世界水电发展现状2019》中介绍了加拿大、印度尼西亚、尼泊尔、乌干达和乌拉圭等国家的水电开发政策，普遍认为水电是能源转型的最前沿，均持积极开发水电的态度，其水电发展战略旨在促进工业增长，减少碳排放和实现能源独立。为应对气候变化，美国、加拿大、澳大利亚等发达国家均制定相关政策，积极促进水电等可再生能源发展；发展中国家，同时水能资源也非常丰富的非洲、南美洲、东南亚等区域，更是把水电作为国民经济发展和能源供应的重要支柱性产业，制定了大量政策积极促进水电和其他可再生能源开发。
国际水电协会指出“抽水蓄能已被证明是现代和未来清洁能源系统的重要组成部分。风能和太阳能等可变可再生能源的大幅增加，加上传统发电机的替代，给电网带来了越来越大的压力，并凸显了对抽水蓄能电站的需求。”在具备适宜资源条件的地方，欧美发达国家对抽水蓄能的发展普遍持积极态度。
根据世界水电发展情况，欧洲、北美洲以及亚洲的日本和韩国等发达国家和地区新增的水电建设项目相对较少，工程建设技术、机电设备设计制造难度基本在已有技术范围内，其技术创新主要包括大坝安全风险分析方法与技术、水库泥沙与可持续发展研究、修补加固技术、抽水蓄能与热能存储的耦合技术等。水电站安全风险防控和工程应急管理方面，发达国家形成了较为完善的应急管理体系和可操作性的应急响应机制。在水库泥沙淤积对于水库可持续利用的影响和泥沙管理方面，国际水电行业在水库和泥沙管理技术、排沙、形态学效应和综合管理、长期预测和气候变化的影响、社会环境和经济方面的综合评估等方面均进行了大量研究，取得了一系列成果。抽水蓄能与热能存储的耦合技术方面，奥地利专家2018年提出可进行有效热能储存的地下电站概念，将抽水蓄能发电与热能存储合二为一，与传统的抽水蓄能电站相比可增加40%~160%的能量输出。
亚洲、南美洲和非洲水电开发潜力仍很大，非洲绝大多数国家处于解决用电需求为主的阶段，未来发展空间较大。这些国家和地区即将建设的水电工程规模大，集成了世界水电建设的先进技术，也代表着建设技术发展的未来趋势。中国能源企业在国家“一带一路”政策的倡议下，积极投入国际水电市场，将中国水电技术的最新实践和创新成果应用推广，也进一步促进我国水电技术的高质量发展。
（二）我国水电
水电作为可再生能源的先行者，在我国发展历程悠远。自新中国成立以来，水电在电力工业中发挥中流砥柱的作用，发展水电一直是我国能源电力的重要战略方针。截至2020年底，常规水电装机容量33867万千瓦，年发电量13552亿千瓦时，占总发电量的17.8%。与此同时，我国抽水蓄能电站装机容量3149万千瓦，在建规模5373万千瓦，亦位居世界首位；《抽水蓄能中长期发展规划（2021-2035年）》中列出的4.21亿千瓦重点实施项目和3.05亿千瓦储备项目，展示出抽水蓄能的广阔前景。
总体而言，我国水电技术发展体现出以下成就、特点和趋势。
1. 水电建设技术世界领先，工程建设条件愈发复杂
经过多年的发展和实践，我国水电工程技术已达到世界先进水平，形成了全产业链整合能力。“十三五”期间我国持续推进金沙江白鹤滩、乌东德，雅砻江两河口、杨房沟，大渡河双江口，黄河玛尔挡等重大水电工程建设，重点开展了高寒高海拔高地震烈度复杂地质条件下筑坝技术、高坝工程防震抗震技术、高寒高海拔地区特大型水电工程施工技术、超高坝建筑材料等技术攻关。依托拉哇、古水等工程研究创新250米级面板堆石坝筑坝技术，依托双江口、两河口、如美工程研究创新300米级心墙堆石坝筑坝技术，依托乌东德、白鹤滩工程研究提升强震区300米级拱坝和大型地下洞室群关键技术。智能化建造方面，黄登、丰满、白鹤滩、乌东德等都建成了数字化综合信息集成系统，两河口工程实现了大坝无人碾压机群的应用。
我国水电装机持续增长，但工程建设条件愈发复杂。“十四五”期间将新增水电装机容量约4000万千瓦，主要集中在西南地区青藏高原及其边缘地带。工程建设将存在地震地质构造背景复杂，新构造运动强烈，地震烈度高，深埋隧洞高地应力，边坡高陡，滑坡、泥石流较发育等问题；复杂地质条件下超高边坡、超深厚覆盖层上筑坝、超埋深大跨度地下洞室群等诸多关键技术问题亟待突破；高寒、高海拔、交通运输不便等恶劣环境也加大了工程建设施工的难度。
“十四五”期间，结合后续水电开发重点，需突破的关键技术包括高地震烈度区超深厚覆盖层勘察技术、地基处理与加固技术、坝基砂层液化处理与大坝抗震安全设计、渗流控制等；深埋大直径隧洞和大规模地下洞室群极高地应力应对措施、围岩稳定关键技术等；流域大型滑坡致灾机制与风险防控关键技术。
2. 抽水蓄能技术稳步提升，系统调峰稳定要求更高
抽水蓄能电站作为清洁环保、响应灵活的电力系统调节手段，在系统安全保障和促进新能源大规模发展方面日益重要。“十三五”末，我国累计投运抽水蓄能电站超过3000万千瓦。伴随着抽水蓄能电站规模快速发展，我国抽水蓄能电站的设计、施工、设备制造和自主创新研发能力不断提升，高压钢板国产化和钢岔管自主制造技术已实践应用于内蒙古呼和浩特抽水蓄能电站，变转速机组在河北丰宁抽水蓄能电站工程初步应用。
“十四五”期间，随着以新能源为主体的新型电力系统建设，电力系统对储能调峰和安全稳定保障能力提出了更高要求，抽水蓄能作用愈发凸显。在抽水蓄能电站规模日益庞大的需求下，针对不同应用场景的关键技术更需提升。海水抽水蓄能项目在我国尚属首批，对于电站设计和调度中涉及的技术问题有待进一步研究。变速机组电站调节性能更为灵活，可更好服务于电网，并将在更多抽水蓄能电站中得到实证。随着间歇性电源大规模开发，构建抽蓄+风电+光伏一体化模式有助于电网安全可靠运行，未来将在较多区域应用和推广。
3. 水电机组技术跨越发展，后续所需设备仍存难题
我国水电设备经过引进再创新，实现了跨越式发展，并依托国家重大工程具备了自主研制大型水电机组的能力，混流式、轴流转桨式和灯泡贯流式水电机组的设计制造水平已达到世界先进水平；实现了中低水头百万级巨型混流式水电机组的自主研发和生产制造，技术水平均已处于世界领先地位。世界上单机容量最大的白鹤滩水电站1000兆瓦水电机组，在机组设备研制、设计、制造、材料等领域推动了我国特大型水电设备设计制造技术的全面发展。
目前国内独立成套设计制造并已投运的最大功率水斗式机组为500米级水头，单机额定功率91.97兆瓦；在制的最大功率水斗式机组为600米级水头，单机额定功率107.126兆瓦。国内独立成套设计制造并已投运的高水头混流式机组最高应用水头仅为400米级，单机额定功率270兆瓦。我国特高水头大容量水斗式水轮发电机组和超高水头大容量混流式水轮发电机组设计制造及材料等方面仍存在许多待研究的技术难题，“十三五”期间，初步开展了部分研究工作。
“十四五”期间，针对藏东南水电开发需求，需要重点突破1000米级水头大容量水斗式和600米级水头大容量混流式机组主要技术参数、结构型式及主要部件的制造。
4. 智能化支撑高质量发展，全面转型升级大势所趋
智能化已经成为世界各国及各行业公认的发展趋势。“十三五”期间，我国水电开发在关键节点上实现了智能化建设管理与智慧化运营，尤其是随着物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术的发展，大坝智能建设已经取得突破性进展，基本形成了以智能仿真、智能交通、智能碾压、智能振捣、智能温控、智能灌浆、智能管理等为核心技术的水电工程智能建造体系；智慧电厂雏形初显，基本实现了无人少人值守、智能调度、智能机器人巡检等。我国智能水电工程技术与管理水平已处于世界前列，极大提升了工程建设管理运行水平，有效助力了水电工程高质量精品工程建设。
但总体上看，水电工程智能化仍处于初级阶段，为支撑高质量发展，要求持续推进全面智能化、智慧化转型升级。“十四五”期间，需要面向国家发展需要，集中行业优势力量和资源，围绕水电工程智能化关键技术开展高水平、高站位的全面系统的研究，全面提升水电工程智能化建设、智慧化运营的创新能力和水平；面向雅鲁藏布江下游、澜沧江上游、金沙江上游等高海拔地区复杂条件下的水电工程建设，集合国内外技术力量，全面总结提炼已有成果，系统开展水电智能化基础理论体系和成套关键技术研究，推动形成智能化规划设计、智能建造、智慧运行管控和智能化流域综合管理等成套技术与设备。
5. 全生命期安全至关重要，运维和应急技术需创新
水电站大坝是保障国民经济发展的重要基础设施，其勘察设计、施工建设、运行维护、工程退役等全生命期安全管理和风险防控能力关乎人民群众生命财产安全。“十三五”期间，结合牛栏江红石岩堰塞湖、金沙江白格堰塞湖应急抢险和风险处置，在流域堰塞湖溃决洪水计算、风险分析、应急抢险等方面积累了宝贵的实践经验，有效提升了我国流域梯级水电站库群风险防控的能力和水平。在工程健康检查和诊断方面，初步开展了物联智能感知设备与技术研发、深水与超长距离水下探测关键技术及设备研发、大坝安全鉴定及评价关键技术研究等工作。在水电工程升级改造方面，开展了水下修复、渗漏处理、缺陷处理、加固处理、水库淤积处理、机组维修、生态流量设施改造、监测自动化系统改造等工作。高坝大库放空技术方面，提出了连续多级闸门联合挡水的新型放空系统及其自动化控制的创新技术。
“十四五”期间，为应对极端气候、超强降雨、超强地震、滑坡堵江等灾害风险，确保流域梯级水电工程安全运行，将重点研究流域水电系统安全、风险管控、应急处置与防灾减灾技术，构建流域水电安全与应急管理体系，创新流域灾害处置方法与措施，推进流域水电应急管理体系和能力现代化。水电工程健康诊断和升级改造方面，将重点围绕水电大坝性态及库区智能监测及巡查技术、大型滑坡致灾机制与预警阈值、大坝材料检测与结构缺陷探测技术、水下建筑物缺陷检查及修复、大坝安全智能评判决策及监控平台，以及增大泄洪能力、增容扩机、金属结构维护、高坝大库放空等关键技术和设施设备开展研究。
6. 秉持生态优先绿色发展，统筹水电开发生态保护
生态系统整体保护技术的研发是水电绿色发展的优先选题。党的十八大把生态文明建设纳入中国特色社会主义事业五位一体总体布局，明确提出大力推进生态文明建设，努力建设美丽中国，实现中华民族永续发展。“十三五”期间，我国水电快速发展的同时，也在积极推进水电环保相关工作，完善环保标准体系，开展环保措施科研攻关和技术创新，包括生态流量、分层取水、过鱼设施、鱼类增殖放流、鱼类栖息地等重大关键技术课题，同步规划、设计、建设了多项生态环境保护设施。
“十四五”期间，水电行业坚持以习近平生态文明思想为指导，落实“开发中保护，保护中开发”要求，秉持生态优先、绿色发展，在系统总结前期水电环保相关工作经验的基础上，统筹规划了需要集中攻关、集成示范的生态环境保护关键技术。一是紧扣高寒、高海拔、生态环境敏感脆弱的特点，集中攻关藏东南水电开发生态环境保护与开发空间格局优化关键技术，构建藏东南珍稀特有动植物保护措施技术，研发高寒高海拔地区施工迹地仿自然生态系统重建关键技术，开展水电开发与自然保护地等生态安全屏障协同发展研究等；二是紧扣长江大保护、黄河流域生态保护和高质量发展国家战略，研发单一电站生态调度和梯级电站联合生态调度的技术与示范，支持长江经济带、黄河流域水生生态保护及恢复；三是集成数据挖掘技术，以数据技术支撑流域综合管理，研发流域梯级调度和综合管理的智能化技术，支撑水电基地水能高效利用和生态保护的协调发展。
7. 新能源大规模并网运行，多能互补要求精准协调
随着新能源大规模并网，清洁能源多能互补技术创新应用日益广泛。“十三五”时期，金沙江上游、黄河上游、雅砻江等河流水风光多能互补基地开发建设技术创新研究全面开展；青海省海南州水风光互补基地支撑100%清洁能源特高压直流外送通道稳步投运。
“十四五”时期，电力系统将面临更加严峻的区域电力交换频繁、大规模新能源并网情况。随着边界因素不确定性增大，亟须进一步建立以水电和抽水蓄能等可调度可再生能源为调节容量，考虑系统安全、线路接入、通道限制的多维度、精细化电力系统运行模型。针对多能互补系统建立统筹考虑技术、经济、环境等综合效益的评价指标体系，在仿真模拟和综合评估技术的支撑下，有效提高可再生能源配置规模的合理性，推进可再生能源多能互补基地建设管理运营。
二、“十四五”重点突破的技术方向及发展目标
根据国内外水电科技发展现状及趋势，并结合水电建设运行需求，“十四五”期间水电行业重点突破方向包括：藏东南水电开发关键技术，水电基地可再生能源多能互补协同开发运行关键技术，水电工程健康诊断、升级改造和灾害防控技术，以及水电数字化智能化技术。发展目标是攻克水电建设、重大装备制造和生态保护技术难题，研发多能互补协同开发运行技术，进一步提升水电工程安全运行新技术，满足后续水电开发和运行管理的需求，切实响应碳达峰碳中和的新要求。
藏东南水电开发关键技术方面。开展Ⅷ度地震烈度区超深厚覆盖层上筑坝技术攻关；开展地质复杂、高强震灾、高压地下水等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；突破适于高寒高海拔敏感脆弱流域生态保护技术，做好藏东南地区水电绿色开发技术储备。
水电基地可再生能源多能互补协同开发运行关键技术方面。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，关注重点区域生态调度，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。
水电工程健康诊断、升级改造和灾害防控技术方面。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。
水电数字化智能化技术方面。开展大坝智能化建造、地下长大隧洞群智能化建造、TBM智能掘进、全过程智能化质量管控等成套技术集成研发与应用；构建流域梯级水电站智能化调度平台；开发大坝安全智能评判决策及监控平台，推动水电大坝性态及库区智能监测及巡查；推广“监测、评估、预警、反馈、总结提升”的流域水电综合管理信息化支撑技术，形成智能化规划设计、智能建造、智慧运行管控和智能化流域综合管理等成套关键技术与设备。
三、水电科技发展展望
水电具有成熟先进的技术水平、环境友好的绿色属性、灵活优质的电能输出，其中抽水蓄能电站具有调峰、填谷、调频、调相以及储能等多种作用，是清洁环保、响应灵活的电力系统调节手段。水电是构建新型电力系统、实现碳达峰碳中和目标的重要助力，对于当前和未来新能源迅猛发展、亟需调节资源和提升电网安全保障水平的电力系统，具有不可或缺的作用。
水电科技发展将秉持“创新发展、协调发展、绿色发展、开放发展、共享发展”的新发展理念，围绕我国构建清洁低碳安全高效能源体系的需求，着力应对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带来的技术挑战，满足建设新型电力系统、大力提升系统调节能力的需要，通过技术攻关突破关键装备和制约性技术问题，集中力量构建重要系统、建设示范平台，实现水电行业创新发展、高质量发展和智能化发展。