刍议抽水蓄能电站的几个热点技术问题

                   姚 福 海

摘  要：在2023年后半年调研的基础上，对当前抽水蓄能电站的规划、枢纽布置和建设等几个热点技术问题进行了初步总结，提出了可供参考的基本观点。

关键词：落地电量、输水建筑物布置、施工方案。

0引言

作者在2023年先后参与了十余座抽水能电站的技术审查。2023年上半年，通过调研形成了《抽水蓄能电站前期设计中几个技术问题探讨》一文。2023年下半年，随着调研的持续深入，作者对当前抽水蓄能电站的一些热点技术问题仍意犹未尽。下文是对2023年下半年调研的初步总结。

1. 对几个宏观规划问题的再认识

1.1全面认识项目之间的差异

2023年，全国共有35座抽水蓄能电站（共4560万KW）通过核准。在此背景下，能源行业内的不少有识之士呼吁抽水蓄能电站也应像火电那样，开展标准化设计、施工和管理。对此，作者认为，抽水蓄能电站标准化管理必须在全面认识项目之间差异的基础上开展。项目之间的主要差异有：

（1）地形地质条件各不相同。抽水蓄能电站依山而建。在国内外，几乎找不到两个地形地质条件基本类似的项目。这一点和火电有质的区别。

（2）施工总布置各不相同。受地形、地质、料场、交通等诸多因素的影响，抽水蓄能电站的施工总布置也很难找到两个基本类似的项目。

（3）输水建筑物的布置形式差异较大。从水道的立面形式分，有竖井和斜井两种。从水道的防渗设计原则分，有钢衬防渗、围岩防渗（衬砌按半透水设计，围岩需进行高压灌浆处理）、钢筋混凝土防渗三种。从水道与机组的连接方式分，有一洞一机、一洞两机、一洞多机三种。其中，一洞一机适用于水头较低、流量较大的项目。在一洞多机布置中，以一洞四机居多。

（4）地下厂房布置差异较大。按地下厂房的位置分，有前部式、中部式、后部式三种。不同的厂房位置对应着不同的调压室和出线站的布置。若按厂房内的吊顶形式分，则差异更大。

（5）水库布置差异较大。从利用条件分，有利用现有水库和新建水库两种。从水源的供应条件分，有利用天然径流和外购水源两种。从水库的防渗形式分，有全库盆沥青混凝土防渗、全库盆土工膜防渗、组合防渗和仅对坝体进行防渗四种。从上下水库的挡水坝型分，有碾压混凝土重力坝、钢筋混凝土面板堆石坝、沥青混凝土心墙堆石坝、砾石土心墙堆石坝四种。

（6）配套运行的对象有一定差别。主要有:与新能源、煤电、核电配套运行的抽水蓄能等三种类型。从供电条件分，有位于电源供给侧和电网内的两种。不同的配套运行对象对应不同的管理要求。

综上所述，抽水蓄能电站之间的技术条件差异较大，和火电没有可比性。应在区分差异的基础上，统筹好共性与个性的关系，开展标准化管理。

1.2进一步找准功能定位和可持续发展的时间

行业内对抽水蓄能电站的共同认识是，在电网内发挥其调峰、填谷、储能、调频、调相、事故备用等功能，充当稳定器、调节器、充电宝作用。目前，在每个项目的技术报告或宣传报道中，普遍都提到了抽水蓄能电站的减排功能。对此，作者认为：（1）对于一个大型风、光、水、储综合能源基地而言，在替代了一定数量的煤电容量后，基地的减排作用非常明显。与核电配套运行的抽水蓄能电站，二者叠加起来也有巨大的减排作用。（2）孤立的看待任何一座抽水蓄能电站，或者在电网内与煤电配套运行的抽水蓄能电站，则没有减排功能。因为抽水蓄能电站在电网中是耗电大户，其发电量一般只有抽水耗电量的75%。

关于抽水蓄能电站的可持续发展问题，作者的观点是：（1）就储能规模和运行的灵活性而言，目前还没有哪一种储能方式比抽水蓄能电站更优越。在颠覆性的储能技术出现前，新能源和核电持续发展到哪一年，抽水蓄能电站就需要建设到哪一年。（2）最近十年来，美国的电力总装机容量和总发电量分别稳定在11.7亿KW和4.4万亿KWh左右。截至2023年10月，我国的电力总装机容量为28.1亿KW，其中清洁能源占50.9%。若按美国的人均3.6KW计算，我国未来的电力总装机容量应稳定在50亿KW左右，其中清洁能源装机容量应达到42亿KW以上。在未来42亿KW左右的清洁能源中，新能源和核电约占36亿KW左右，按此分析，计入其它储能方式的容量、有调节能力的常规水电、新能源汽车的普及、以及抽蓄本身的耗电等因素后，我国未来需要抽水蓄能电站的总装机容量约为5.5亿KW左右。按国家能源局的发展规划，到了2030年，我国抽水蓄能的总装机容量将要达到1.2亿KW。按目前的核准速度预测，到了2030年，这个数字将要突破1.5亿KW。抽水蓄能电站每年投产的总装机容量主要受制于国内几个主要厂家的机组供货能力。若未来按3000万KW/年的机组年供货能力预测，则抽水蓄能电站需要持续发展到2045年前后。

1.3待纳入规划的项目需要高度重视两个约束条件

目前，地方政府和不少业主对建设抽水蓄能电站非常积极，对此，需要高度重视规划阶段的两个约束条件。（1）在西部干旱地区选点规划需要把水资源供应做为前置条件。在西部干旱地区，尤其是沙漠边缘地区，年蒸发量普遍高达2000mm以上，一个抽蓄项目对应的两座水库的年蒸发水量高达200万m³左右。有些项目不但购水价格超过了城市自来水的价格，而且用水量还受到了严格限制。（2）把落地电价当成最重要的经济评价因素。受不同地区电网运行特点的影响，抽水蓄能电站的年平均发电时间相差很大，有的接近2000h，有的则不足1000h。因此，在经济评价中，单位千瓦造价指标只有参考意义。从供电对象分析，有的抽水蓄能电站靠近负荷中心，而有的则需要上千公里输电，线损率高达2.4%以上。因此，落地电量和落地电价是待纳入规划项目经济评价中最重要的经济指标。

2. 枢纽布置需要重视的几个问题

2.1输水建筑物的布置形式选择时需要算清两笔账

关于高水头输水建筑物的布置形式问题，目前有两个焦点问题。一是对于地质条件良好的输水建筑物，衬砌是选用钢衬还是半透水状的钢筋混凝土结构。二是布置方式是采用“一洞两机”还是“一洞四机” 。作者认为，在前期设计阶段，需要打破惯有思维，结合地质条件算清下列两笔账，输水建筑物的布置形式就可以找到最优方案。

（1）算清不同防渗结构形式的技术经济帐。表1为两种防渗结构形式的技术经济比较情况。从表1可以看出，两种防渗结构各有利弊，个别工程（文献4）还出现过投产后重新套衬钢板的情况。因此，围岩防渗结构主要适用于地质条件特别良好（Ⅱ类围岩占80%以上，无较大的断层或软弱破碎带），且高压灌浆费用小于钢衬费用的输水建筑物。为了进一步提高围岩的防水效果，可尝试在衬砌前对围岩表面进行防水处理。目前，围岩防渗结构在计算方面还存在一个争议：对于软弱破碎带，高压灌浆处理到何种程度才不会出现水力劈裂破坏？因此，对于采用该结构防渗的输水建筑物需要进行渗流专题研究。     

表1     高水头输水建筑物两种不同防渗结构设计比较表

（2）算清“一洞两机”与“一洞四机”方案比较时的停机时间账。表2为两种布置方式的技术经济比较情况。从表2可以看出，一洞四机布置方式在土建投资上占有较大优势。从南网清远抽蓄电站四台机组同时甩负荷试验的情况分析，一洞四机布置方式并没有给电网调度带来不便。广蓄两期工程自投产以来，输水建筑物共放空检查过三次（详见文献1），且安排在大亚湾核电站的检修期。天荒坪抽蓄（两洞六机布置）自投产20年以来，输水建筑物仅仅放空检修过一次，共持续了4个月时间（详见参考文献2）。输水建筑物放空的目的主要是对进水球阀进行升级改造，并修补个别漏水点，其发生几率很小。因此，对于受大电网统一调度的抽水蓄能电站，一洞四机放空检修带来的全厂停机对大电网运行基本没有影响。但对位于电源供给侧的一个风、光、储新能源基地而言，考虑到具体的上网调度方便因素，抽水蓄能电站应采用一洞两机布置方式。

             表2         输水建筑物两种不同布置方式比较表

2.2库盆采用土工膜防渗有其适用条件

    与沥青混凝土防渗相比，土工膜的单价只有其不到三分之一。但土工膜易老化，其寿命与枢纽主要建筑物不匹配，因此，在项目的全生命周期内，土工膜至少需要更换两次。由于抽水蓄能电站水库的蓄水历时普遍较长，因此，采用土工膜防渗的库盆项目应满足两个条件：（1）下库利用了常规水电站的水库。上库的放空检查不浪费水源。（2）水源供应条件方便，重新蓄水的时间能够被电网接受。

2.3上下库连接公路的设计标准可以灵活选择

    大型抽水蓄能电站的上下库高差大多在500m以上。上下水库连接公路的长度也多在15km以上。该公路的基本特点有：（1）不存在向地方移交问题，但占地面积大、投资大、对筹建时间的影响也大。（2）受上下水库施工布置相对独立的影响，建设期的交通运输量并不大。电站运行期的交通量更小。因此，为尽可能减少占地，经论证分析，可结合项目特点，上下水库连接公路可打破按照水电工程的三级专用公路标准设计的规定，而采用单车道+错车道设计。

2.4在信息化背景下，厂房的布置需要简化

在信息化背景下，抽水蓄能电厂普遍采用轮流大倒班、少人值守管理。其中，有的电厂中控室已搬迁到大城市或营地，还有的电厂实行多站一平台管理。电厂运行管理的进步，使每万千瓦的管理人数降至0.6人左右。因此，过去沿用的现场中控室、各种会议室的规模应与时俱进，适当简化。

3. 施工规划需要重视的两个问题

3.1施工方案对建筑物体型的影响

抽水蓄能电站的施工方案有三个共同特点：（1）地下厂房是控制施工总进度的关键部位。在前期勘察设计阶段，地下厂房普遍布置了地勘平硐和大量的钻孔，其开工前的地质条件比较明朗。地下厂房的施工方案比较固定。从厂房上层开挖到投产，地质等自然能条件良好的项目一般是4年以内。地质等自然条件较差的项目，一般在4.5年左右。（2）大落差竖井或斜井的施工难度普遍大于地下厂房，其理由，一是受空间范围分布大的影响，其地质条件不可能在开工前彻底查清楚，开挖难度大于地下厂房。二是高空作业安全风险大。三是混凝土入仓、钢管垂直运输难度大。（3）新设备、新工艺对斜井、排水洞的布置体型影响较大。如河南省洛宁抽水蓄能电站，在可研设计阶段，引水斜井采用两级布置，开挖拟采用反井钻机法完成。进入招标阶段后，经过研究改为TBM开挖方案，两级斜井改为一级（高差559.4m，总长927m）布置，但原中平段的施工支洞布置不变，混凝土浇筑方案也不变。图1为修改后的引水斜井纵剖面图。该项修改既缩短了水道的长度，还减小了水头损失。又如山西省浑源抽蓄的厂房排水洞，原设计为方圆形。开工后将钻爆法改为TBM开挖方案后，其横断面尺寸修改为直径3.53m的圆形，并在每层的平面上增加了四个半径为30m的弯道。

经调查，目前中国的TBM生产能力占到世界市场的70%左右，TBM的购置成本与十多年前相比，已出现大幅度下降。随着国内TBM租赁市场的不断成熟，以及同一家开发商的多个抽蓄项目共同摊销一台TBM等管理机制的出现，预计TBM在抽蓄项目施工中会越来越普遍。

   图1 河南洛宁抽蓄一级长斜井布置纵剖面图

3.2简化料场规划与土石坝碾压洒水工艺

按照2022年新修订的《矿产资源开采登记管理办法》，水电项目所需的料场应由政府通过招标方式确定开发权。为了简化管理，加快项目进度，可在拟开采的范围内布置永久设施，采用永久设施基础开挖料利用的方式规避繁琐的矿产开发申报程序。

在西部干旱地区，用购买的水源建设抽水蓄能电站，其水价多在4元/m³以上。有的上水库建设期的水价甚至突破了7元/m³。由于抽水蓄能电站的上下水库施工不在关键线路上，因此，在上下水库的土石坝可开工前，可进行现场不洒水薄层碾压试验。在此基础上优化土石坝的施工参数。

4. 结论

（1）抽水蓄能电站是目前我国水电建设的主战场。按未来市场预期分析，抽水蓄能电站的需求量约在5.5亿KW左右，其可持续发展至少还需要20年时间。

（2）抽水蓄能电站的建设技术虽然已经相当成熟，但技术创新永无止境。目前，输水建筑物设计形成的南北两种风格，既有管理和设计理念的差异，也有工程地质条件所带来的影响。广蓄、清蓄等运行实践证明，位于电网系统内的抽水蓄能电站，一洞四机布置方案并不影响电网的正常调度。而位于电源供给侧的风、光、储综合能源基地，抽水蓄能电站采用一洞两机布置方案对上网有利。输水建筑物的衬砌结构是采用钢衬还是钢筋混凝土限列设计，主要取决于工程地质条件和技术经济比较结果。

（3）TBM的广泛使用是抽水蓄能电站建设向纵深方向发展的重要举措。通过进一步健全特种设备管理机制，还可降低造价，提高安全保障率。

（本文得到了水电水利规划设计总院原副总工程师戴康俊、东方电机股份有限公司副总经理范先忠、中电建集团中南院市场开发部副主任陈平等大力帮助，在此一并致谢！）

参考文献：

1. 华丕龙，广州蓄能水电厂水工运行总结与思考，《南方能源建设》2017.2，P29-P33。

2. 王林林，天荒坪抽水蓄能电站高压输水道放空大修，《大坝与安全》2023.5，P67-P71。

3. 刘学山，广蓄二期工程钢筋混凝土岔管高压渗水处理及有关问题探讨，《广东电力》2006.6，P39-P42

4. 李见阳，某抽水蓄能电站2号引水系统放空检修监测资料分析，《水利技术监督》2022.8，P29-P32

5. 罗绍基、叶冀升，广蓄电站建设中若干重大技术问题的决策，《水力发电》1993.7，P11-P15

6. 张兴彬等，基于 TBM 施工长斜井压力钢管安装关键技术研究，《云南水力发电》2023.11，P174-P179