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14亿人全民通电,中国如何做到的?

发布时间:2019-7-10 10:48 原作者:任炳旭、刘白、郑伯容、巩向杰   来自: 星球研究所

截至2018年底

当全世界发电量增速仅为3.7%

中国却以8.4%的迅猛增速领跑全球

全年发电量达到71118亿千瓦时

几乎是以“一己之力”

生产了全球超过1/4的电量

平均每2秒产生的电力

就足以满足一个中国人

一辈子的电力需求

▼上文中国人的平均寿命按76岁计,人均用电量参考2018年数据;下图为2018年世界各国发电量TOP10,制图@郑伯容/星球研究所

不仅如此

放眼全球233个国家和地区

中国还是第一个

也是唯一的一个

拥有近14亿的超庞大人口

却依然能做到全民通电的国家

▼上海夜晚卫星图,灯火通明的城市,图片来源@NASA

中国,究竟是如何做到的?

 

 

 

  I  

70.4%

 

2018年中国人使用的所有电力中

70.4%来自于火力发电

可谓是全国电力的大半壁江山

2018年中国火力发电量占比,制图@郑伯容/星球研究所

高耸的烟囱或宏伟的冷水塔

是火力发电厂最常见的特征

▼随着处理工艺的进步,火电厂的烟囱逐渐被脱硫塔取代;下图为雾气中的冷水塔,电厂中被加热的冷却水在冷水塔中冷却后循环使用,摄影师@孟祥和(请横屏观看)

煤炭、石油、天然气

甚至秸秆、垃圾等等

都是可用于火力发电的燃料

由于燃料易得、技术成熟

火电厂的分布极为广泛

在大江南北遍地开花

▼内蒙古霍林郭勒锦联电厂,摄影师@鹿钦平

▼临水而建的广州市华润热电厂,摄影师@陈国亨

而在中国这个“煤炭大国”

火力发电则又命中注定

将成为燃煤电厂的天下

其装机容量在所有火电厂中

占比几乎接近90%

全国5800多处大小煤矿

年产约36.8亿吨原煤中

超过一半的产量

都将运往这些电厂熊熊燃烧

▼以上数据来源中电联《2018-2019年度全国电力供需形势分析预测报告》;下图为安徽宿州汇源发电厂,右下角为电厂储备的煤炭,摄影师@尚影

这就意味着

火力发电的版图

必然与煤炭生产的格局息息相关

在煤炭资源相对丰富的北方地区

火电装机容量占比超过70%

是最主要的电力来源

▼以上“北方地区”包括东北、西北(除青海省外)和华北地区,以及山东和河南两省;下图为2018年全国各地区发电类型及装机容量占比,制图@郑伯容&巩向杰/星球研究所

然而“出人意料”的是

山东、江苏、内蒙、广东、河南

山西、浙江、安徽、新疆、河北

以上火电装机容量排名的前十位中

多个南方沿海省份同样赫然在列

甚至远超诸多煤炭大省

 

这些“特殊”的地区

往往人口密集、经济发达

对电力的需求格外旺盛和强烈

2018年全国各省、直辖市和自治区用电量对比,制图@郑伯容/星球研究所

在迫切的用电需求下

众多火电厂拔地而起

例如仅在广东一省

2017年的火力发电量

已达到3165亿千瓦时

比产煤大省山西还要高出26%

而要产生如此量级的电力

用于发电的煤炭将以亿吨计算

 

然而

像广东这样的电力负荷中心

大多并非煤炭产区

距离最近的煤炭基地

也可能相隔千里之遥

如此大量的煤炭该从何而来?

▼我国使用的煤炭包括自产和进口两部分,但煤炭进口量目前仅为全国煤炭消费量的约1/10,因此下文主要讨论自产煤炭的供应。下图为广东省广州市华润热电厂,摄影师@刘文昱

要回答这个问题

不如先将目光转移到

山西大同与河北秦皇岛之间

这里连接着一条声名赫赫的铁路

它以不到全国铁路0.5%的营业里程

完成了全铁路近20%的煤炭运量

相当于每秒就有14吨煤炭

搭载着钢铁轮轨呼啸东去

奔向千里之外的渤海之滨

这就是大秦铁路

 

这是中国第一条重载铁路

单列列车全长近4000

相当于10-20列高铁列车相连

煤炭运至秦皇岛港后

便可通过成本更低的海运

运至东部和东南沿海地区

▼河运运输费用大约为铁路运输的30-60%,海运则更便宜;下图为大秦铁路,注意列车的长度,摄影师@姚金辉(请横屏观看)

2008年春节期间

南方地区雨雪冰冻肆虐

大量输电、运输线路受损

17个省被迫拉闸限电

而就是在这个时期

大秦铁路单日运量首次突破100万吨

并持续了整整20

大量煤炭燃料源源不断地送往南方

可谓是真正的“雪中送炭”

▼秦皇岛港口堆放的煤炭,图片来源@VCG

而大秦铁路也仅仅是

中国煤运铁路网络的冰山一角

预计到201910

又一条重载线路蒙华铁路即将建成

内蒙古、山西、陕西等地的煤炭

将由此直抵华中地区

这条铁路全程跨越7个省份

一次建成里程超过1800余千米

堪称世界之最

▼陇海铁路郑州段旁的火电厂,摄影师@焦潇翔

届时

以多条重点线路为核心

山西、陕西、内蒙古、新疆

以及沿海、沿江等六大区域

将通过纵横交错的铁路连成一片

而这个庞大的运输网络

如同一条条钢铁动脉

将全国75%的煤炭送往四面八方

▼其他煤炭运输方式包括公路运输、航运等,目前中国煤运通道网络共“九纵六横”,下图为其中部分重点线路,制图@郑伯容&巩向杰/星球研究所

然而

随着用电需求高速增长

浩浩荡荡的“西煤东运”“北煤南运”

仍然不是一劳永逸的办法

在主要的电力负荷中心周边

往往以中小型火电厂居多

这些电厂建设成本低、建站速度快

但在生产等量电力时

耗煤量却比大型电厂高出30-50%

▼位于城市中的西安灞桥热电厂,目前总装机容量24.9万千瓦,摄影师@李顺武

不但如此

在技术和经济尚不发达的年代

这些中小型火电厂产生的烟尘

二氧化硫、氮氧化物等空气污染物

也难以得到统一和高效的处理

于是自20世纪60年代起

在煤炭矿口、中转港口附近

众多大型火电厂开始崛起

▼山西古交发电厂,邻近煤炭矿口,也称坑口电站,摄影师@陈剑峰

▼浙江台州第二发电厂,邻近港口,也称港口电站,摄影师@汪开敏

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50km

装机容量达到672万千瓦

位列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、统一控制排放

但是电厂与负荷中心之间

有时相隔达到数千千米

这又该如何解决?

 

答案其实很简单

就是输电

但要实现起来却并非易事

毕竟在如此遥远的输电距离下

线路的阻抗已然无法忽略

人们只能尽量降低传输电流

才能最大程度地减少线路损耗

这就意味着

传输功率一定的情况下

在保证经济性的同时

必须尽可能提升输电电压

▼传输中的损耗Q可以通过公式Q=I²Rt计算,当电阻R无法忽略时,电流I越小,则损耗越小;而输电功率计算公式为P=I×U,因此当功率P额定时,为了降低电流I,则必须提升电压U;下图为康定折多山云海中的线塔,摄影师@李珩

1954年时

我国自行设计施工了第一条

220千伏的高压输电线路

传输距离369千米

但已落后世界大概30

 

65年过去

从高压到超高压

从超高压到特高压

远距离输电技术突飞猛进

目前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

相当于乌鲁木齐到南京的直线距离

在全世界首屈一指

▼对于交流输电,35-220千伏称高压,330-1000千伏为超高压,1000千伏及以上为特高压;对于直流输电,±400-±660千伏为超高压,±800千伏及以上则为特高压。下图为酒泉至湖南±1100千伏特高压直流输电线路,摄影师@刘忠文

铁路和输电两张网络纵横交错

让无论是位于负荷中心

还是地处矿口、港口的火电厂都能共同发力

成为我国电力工业的中流砥柱

 

然而

尽管火力发电厂的

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

 

 

  II  

88%

 

在中国

无论是水力资源的蕴藏总量

还是可开发的装机容量

均稳居世界第一位

如此丰富的水能资源

如此巨大的开发潜力

注定着水力发电在我国

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