点亮中国的力量

来源:2021-08-28《解放日报》 发布时间:2021-09-02

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  从没有一根钢轨,到铁路、公路纵横四方,从没有一盏电灯,到14亿人全民通电,以及西气东输、南水北调、国土绿化、载人航天、北斗导航、登陆火星……新中国取得的建设成就举世瞩目。

  由全国青联、人民文旅、中国测绘学会、星球研究所联合出品的《这里是中国2》,是曾获第十五届文津图书奖、2019年度“中国好书”称号的《这里是中国》续篇。全书以“100年,建设改变中国”为主旨,通过连接、重组、家园、梦想四大板块,以近代以来100年为时间尺度,讲述现代化进程之下,中国的地理变迁和中国人的创造。

  炎炎夏日,人们尤其感到电力的重要性。以下撷取书中相关章节,带领读者了解中国电力背后的故事。

  2019年底,中国的全年发电量达到73266亿千瓦时,以一国之力发出超过全球1/4的电量。放眼全球200多个国家和地区,中国是第一个也是唯一做到向14亿国民全民通电的国家。中国究竟是如何做到的?

  68.9%

  在这73266亿千瓦时的电力中,68.9%来自火力发电。

  高耸的烟囱或冷却塔,是火力发电厂最常见的标志。煤炭、石油、天然气,甚至秸秆、垃圾等,都可用作火力发电的燃料。由于燃料易得,技术成熟,火电厂在全国分布广泛,遍布大江南北。

  在火力发电量排名前十的省份中,几个南方沿海省份位列其中。这些沿海省份人口密集,经济发达,对电力的需求格外旺盛,众多火电厂就近拔地而起,江苏、广东等省份的火力发电量甚至远超北方煤炭大省。

  例如,2018年,广东一省的火力发电量就达到3283亿千瓦时,比产煤大省山西还要高近20%。要发出如此量级的电量,用于发电的煤炭必将以亿吨计算。然而,像广东这样的电力负荷中心并非煤炭的主要产区,与距离最近的煤炭基地也有千里之遥,如此大量的煤炭从何而来?

  要回答这个问题,我们不妨先将目光转移到山西大同和河北秦皇岛,一条声名赫赫的铁路将两地相连,这便是大秦铁路。

  大秦铁路是我国的第一条重载铁路,单列列车全长可达近4000米,相当于10到20列高铁列车相连。更厉害之处在于,它以不到全国铁路0.5%的营运里程,完成了全国铁路系统近20%的煤炭量运输,相当于每秒有14吨煤炭从大同运出,奔向渤海之滨的秦皇岛,最后以海运的方式被运至东南沿海各省。

  2008年春节期间,南方地区遭遇雨雪冰冻灾害,大量输电和运输线路受损。这期间,大量煤炭由大秦铁路被源源不断送往南方,其单日运量就突破100万吨,并持续20天之久,可谓真正的雪中送炭。

  大秦铁路只是中国煤炭运输铁路网络的冰山一角。2019年9月,世界营运里程最长的重载铁路——浩吉铁路建成。这是一条纵贯南北的能源运输大通道,它北起内蒙古鄂尔多斯的浩勒报吉,途经内蒙古、陕西、山西、河南、湖北、湖南、江西7省区,终点为江西吉安,线路里程超过1800多千米。全线的建成使北煤南运的规模继续扩大,对改善我国能源输送结构有重要的战略意义。

  随着经济发达地区用电需求的持续增长,浩浩荡荡的“西煤东运”“北煤南运”不再一劳永逸。因而,作为补充,在主要的电力负荷中心周边,还分布着一些中小型火电厂。这些火电厂建设成本低,建造速度快,但其发等量电力的耗煤量比大型电厂高30%到50%。

  为解决这些问题,大约在20世纪60年代,在煤炭坑口和中转港口附近,众多大型火电厂开始崛起。例如,位于内蒙古呼和浩特的托克托电厂距离准格尔大型煤田仅50千米,装机容量达到672万千瓦,居世界燃煤电厂第一位。大型坑口、港口电厂的建设,能大大减轻煤炭运输的压力,提升燃煤效率,同时能统一控制排放。

  但是电厂与负荷中心之间,有时相距数千千米,又该如何解决?答案其实很简单:输电。不过,输电实现起来并非易事,长距离的输电首先就让线路阻抗无法被忽略。人们只能尽量降低传输电流,才能最大限度地减少线路损耗。这意味着在传输功率一定的情况下,保证经济性的同时,必须尽可能提升输电电压。

  面对高电压,变压技术、绝缘技术、建设成本、运维难度等,都是不小的挑战。直到1954年,我国才拥有了自行设计施工的第一条220千伏高压输电线路。到如今,60多年过去了,从高压到超高压,从超高压到特高压,我国的远距离输电技术突飞猛进。

  目前我国最高电压等级已达到交流1000千伏和直流±1100千伏,单条线路的输电距离更是突破3000千米,这相当于乌鲁木齐到南京的直线距离,在全世界首屈一指。

  铁路和输电两张网络纵横交错,让无论是位于负荷中心,还是处在坑口和港口附近的火电厂,都能共同发力,组成我国电力工业的中流砥柱。

  尽管火电厂的除尘、脱硫、脱硝技术日益成熟,但化石燃料的消耗、温室气体的排放,让人们不得不继续寻找更为清洁的电力,水电便是其中之一。

  86.7%

  在我国,无论是水力资源的蕴藏总量,还是其可开发的装机容量,均稳居世界第一位。2019年,全国水力发电量占全国总发电量的17.8%,与火力发电一起供给了全国86.7%的电力。

  水力发电利用流水势能持续推动水轮机旋转,继而带动发电机产生电力,全程既不需要燃料,也不产生废气,十分清洁。2019年,全国水力发电量达13021亿千瓦时,相当于节约4亿吨标准煤。此外,水电站兼具防洪、航运、供水、调水、排沙等功能,还可在上游库区形成别具一格的景观。

  在我国,水力资源分布极不均衡。西南地区高山峡谷众多,大江大河穿流其间,奔腾而下,几乎集中了全国超过60%的可开发水力资源。根据全国水利资源普查成果与现实的情况,我国规划了十三大水电基地,其中位于西南地区的水电基地便占了7席。

  和火力发电不同,水电的“原料”无法进行运输。若要将电力送往负荷中心,除了依靠输电工程,别无他法。这意味着水力发电必将与远距离输电技术相伴相生。我国第一条万伏级交流输电线路、第一条110千伏和220千伏高压交流线路、第一条330千伏超高压交流线路及第一条超高压直流输电线路因此相继诞生。

  1988年底,著名的葛洲坝水电站建成,它是长江上的第一座大型水电站,其大坝被人们称为“万里长江第一坝”。与之配套建成的便是我国的首个超高压直流输电工程,其电压等级达到±500千伏,以1046千米的输电距离将华中和华东电网连为一体,葛洲坝水电站的电力得以源源不断地被送到上海。

  世界上规模最大的水电站——三峡水电站的装机容量可达2250万千瓦,这相当于8个葛洲坝水电站或3个内蒙古托克托电厂。2018年,三峡水电站的全年发电量首次突破1000亿千瓦时,相当于同年湖北省全省发电量的36.6%,成为当年全球水力发电量最大的发电站。千里之外的江苏、广东和上海三地,通过三条±500千伏的直流输电线路与这个“超级发电机”紧密相连。

  当然,水电的开发并不是无限的,它还面临着库区淹没、移民安置、生态保护等问题。水电之外,人们在寻找更合适的清洁能源,其中最主要的便是风能和光能。

  95.3%

  火力和水力两种发电方式,贡献了全国发电量的86.7%,若加上风能和太阳能的出力,便能满足中国人95.3%的用电需求。

  但风能和太阳能的利用并不容易。

  第一,在风力发电中,气流推动风机叶片持续旋转,带动发电机产生电力。风机叶片的尺寸和重量都不可小视,单叶长度可达数十米,对运输和安装都是巨大的挑战。在太阳能光伏发电机中,单个太阳能电池的工作电压一般仅有0.4到0.5伏,工作电流十分微弱,只有将多个电池串联或并联为组件,再将多个组件排列为阵列,才能达到足够的发电功率。太阳能光热发电同样如此,只有利用足够多的镜面,才能汇聚足够多的热量,从而产生足够多的蒸汽来推动汽轮机旋转发电。

  所以,无论是风能还是太阳能,若要进行大规模发电,往往需要较大的占地面积和较高的建造成本。若在人口密集、土地紧张的东部地区,则采用“渔光互补”等综合利用的方式,以提高土地利用率。

  第二,季节、气候、光照变化,比如短短一天内的昼夜交替、风云变幻,都会影响风能和太阳能发电的连续性和稳定性。为减小这些波动对电网的影响,人们将风、光、水、火等发电方式组合起来,相互调节,以保证较为稳定的电力输出;在负荷较小时,将多余的电力转化、储存起来,等到用电紧张时再行释放,维持供电稳定。

  第三,和水能资源类似,我国的风能和太阳能资源分布同样不均衡。尽管我国西部地区风能和太阳能资源丰富,风电和太阳能发电规模庞大,但由于人口较少,经济活力较弱,电力资源供大于求。一面是西北地区大量的新能源无处安放,一面是东部沿海嗷嗷待哺的用电需求。在这种形势下,远距离、跨区域的输电工程必须再次扛起重任。

  2014年和2017年,两条从西北地区向外辐射的±800千伏直流输电工程相继完工。第一条从新疆哈密出发,途经6个省份到达河南郑州,全程约2200千米,每年可将新疆地区的火电、风电等,共计约370亿千瓦时的电量,源源不断地送往中原大地。第二条则从甘肃酒泉出发,途经5个省份,直奔湖南湘潭,全程2383千米,在其每年送出的约400亿千瓦时的电力中,有超过40%是来自西北地区的风电和光电。

  2018年,又一个大名鼎鼎的特高压输电线路工程开通,其电压等级高达±1100千伏,年均输电量高达660亿千瓦时,凭此一条输电线路便可外送相当于整个青海省全年的发电量,这便是准东—皖南特高压输电工程,也称昌吉—古泉特高压输电工程。借由这条超级电力走廊,新疆地区520万千瓦的风电,以及250万千瓦的光伏发电,能够被打包送往长三角地区。

  100%

  让更多人用上更便宜、更清洁的电力,是无数电力工作者孜孜以求的目标。风、光、水、火四种方式,生产了全国95.3%的电量,冲击100%的最后一棒是核电。

  和火力发电类似,核电燃料可以运输,能量产出稳定,基本不受气候、时间的影响。但和火力发电不同的是,装机容量100万千瓦的核电厂每年仅需核燃料25吨到30吨,为相同容量火电厂耗煤量的十万分之一。这就意味着核电的燃料运输成本能大大降低,因此我国目前建设的核电站均远离原料产地,位于东部和东南沿海的用电负荷中心附近。

  不过,我国的核电起步较晚,直到1991年浙江秦山核电站开始发电,才有了第一座自行设计和建造的核电站。而当时世界上其他国家已有420余台核电机组投入运行,提供着全球16%的电力。

  随后的近30年间,在引进国外先进技术的基础上,我国核电技术逐渐自主化。2018年并网发电的广东台山核电站,是全国首次引进的第三代核电技术,也是目前世界上单机容量最大的核电机组。而到2021年1月30日,“华龙一号”在福建福清核电站投入商业运行,这是我国首个拥有完全自主知识产权的第三代核电机组。

  2020年,我国核电装机容量达到5102.72万千瓦,产生了超过3662.43亿千瓦时的电量,相当于减少火力发电10474.19万吨标准煤的燃烧,减排27442.38万吨二氧化碳,为节能减排贡献了巨大力量。

  然而核电技术复杂,安全标准严格,因此核电厂的建造成本十分高昂,单位造价更是火电厂的数倍。历史上的核电站安全事故也令核电在争议中发展。但随着技术进步和社会认知的深入,甚至核聚变技术的突破,核电有望在未来扮演更加关键的角色。

  位于福建福清的“华龙一号”核电机组是我国具有完全自主知识产权的三代核电技术,是我国核电走向世界的“国家名片”。其每个机组每年可发电近100亿千瓦时,相当于减少标准煤消耗312万吨、减少二氧化碳排放816万吨,对助力碳达峰、实现碳中和目标具有重要意义。

  回首新中国成立前夕,全国发电装机容量仅184.86万千瓦,历经38年的披荆斩棘,才终于突破1亿千瓦大关。而从1亿千瓦到2亿千瓦,再从2亿千瓦到3亿千瓦,分别用了8年和5年。到2009年,我国发电装机容量超越美国,跻身世界第一位,之后更以每年约1亿千瓦的速度突飞猛进,堪称世界电力史上的奇迹。

  不仅如此,截至2019年底,全国220千伏以上输电线路共计长754785千米,足足能绕赤道18圈。其中24条特高压输电线路在东西南北间交织穿梭,堪称中国大地上又一工程奇迹。2019年,全国跨区、跨省送电量分别达到5405亿千瓦时和14440亿千瓦时,分别相当于当年全年发电量的7.4%和19.7%,它们就通过这张大网奔向东西南北。

  每当夏天人们打开空调和电扇,每当城市在黑夜中灯火通明,我们不由想起千里之外发电机的隆隆轰鸣,那是这个跑步进入现代化的国家中最波澜壮阔的声音之一。