白山抽水蓄能電站建設運行分析總結

路振剛，張正平，李鐵成，趙文發

（1.國網新源控股有限公司，北京市 100761；2.白山水電站，吉林省樺甸市 132400；3.中國電建西北勘測設計研究院，陜西省西安市 710065）

白山抽水蓄能電站建設運行分析總結

路振剛1，張正平1，李鐵成2，趙文發3

（1.國網新源控股有限公司，北京市 100761；2.白山水電站，吉林省樺甸市 132400；3.中國電建西北勘測設計研究院，陜西省西安市 710065）

利用現有水電站址，通過增建可逆機組方式與常規水電結合混合式開發，具有開發實施容易、建設周期短、水庫淹沒環境影響小、投資省等投資建設優點。擴建成混合式抽水蓄能電站，使常規水電站具備抽水蓄能的功能，在電力系統中承擔儲能、調峰填谷、事故備用、調頻、調相、黑啟動等作用；增建的可逆機組還可改善常規水電機組的運行方式，提高電站運行水頭，在汛期減少棄水調峰現象，避免水資源浪費[1]，增加電站發電效益；另外通過利用抽水蓄能電站上庫的調節性能，對水量進行重新分配，可使入庫徑流具備人工調節能力。結合常規水電進行混合式抽水蓄能開發，具有較好的開發利用前景及調峰發電等眾多效益。

混合式抽水蓄能；白山抽水蓄能電站；工程建設；工程運行；運行效益

0 引言

隨著國民經濟的快速發展，各行各業用電需求的節節攀升，以及風電、太陽能等可再生能源的大規模開發，電網中調峰容量的需求日益擴大。考慮到一些地區可開發水電資源已近枯竭以及常規水電受規劃設計所處時代的經濟技術條件限制，常規水電站增容擴機將為解決此類問題提供一種有效途徑。將常規水電擴建為混合式抽水蓄能電站不僅在電站建設中具有眾多優勢，而且可以為電網提供調峰、調頻、調相和備用服務，還可以通過科學合理的調度運行增加電站效益，為抽水蓄能電站建設提供了新方向。

1 工程概述

白山抽水蓄能電站位于吉林省東部長白山區樺甸市、靖宇縣交界處，座落于松花江上游，距吉林市約300km，下游距紅石水電站39km、豐滿水電站250km。[2]電站利用已建的白山水庫作上庫、紅石水庫作下庫，安裝2臺150MW抽水蓄能可逆機組，總裝機容量300MW。工程規模為大（2）型，主要由引水系統、地下廠房及附屬洞室、通風洞和上下庫進/出口等水工建筑物組成。電站建成后投入東北電網，主要承擔系統的調峰、填谷及事故備用等任務。[3]

白山抽水蓄能電站設計年抽水量17.65億m3，年平均抽水耗電量6.24億kWh；蓄能電站最大水頭為123.9m，最小水頭為105.8m，設計水頭采用最小水頭105.8m；最大揚程為130.4m，最小揚程為108.2m，設計揚程為126.7m。抽水蓄能電站最低發電水位403m，最低抽水水位395m。抽水蓄能機組分別于2005年11月和2006年8月投產，通過與白山常規水電站共用2回220kV線路送出。

2 電站建設分析

（1）混合開發的內涵是蓄能機組泵工況與常規機組發電聯合運行。

在已建梯級水電站擴建抽水蓄能電站（或泵站），其抽水發電的電量轉換效率遠高于純抽水蓄能電站。這種混合式開發的關鍵點是：利用蓄能機組的泵工況抽水，抽上去的水要通過原電站的常規機組來發電，即蓄能機組（抽水工況）與常規機組聯合運行。由此提高了原常規水電站全部入庫（上水庫）水量（或年徑流量）的發電水頭，增加了發電量，這種混合式開發帶來的綜合電量效益最大化，其電量轉換效率遠高于純抽水蓄能電站（75%～80%）的電量轉換效率。

（2）結合常規電站已有條件進行混合式抽水蓄能電站建設。

白山抽水蓄能電站工程是白山水電站進行綜合技術改造項目，電站開發條件比較優越，利用已建白山、紅石水庫為上、下庫等，節省了土建工程量，沒有淹沒賠償和庫區移民安置問題。抽水蓄能電站還可利用白山常規水電的送出工程，不需新建輸電線路。因此，該項目是一個投資少、工期短、見效快的常規水電結合混合式抽水蓄能電站的成功典范，對研究水電與抽水蓄能結合開發的技術經濟可行性具有重要的借鑒意義。

（3）結合抽水蓄能電站建設，優化、改造原有電站。

結合白山抽水蓄能電站工程進/出水口位置確定及進/出水口水流條件改善，在壩下游設置消能塘，提高了消能率，降低可濺水霧化危害程度，改善了壩下游水流流態，減小了涌浪上岸機會，解決泄洪沖刷對泵站進水口淤積的問題、解決泄洪飛石對兩岸影響。

（4）避免施工建設對常規水電站的影響。

白山抽水蓄能電站在施工過程中，已有建筑物交叉干擾大，增加施工難度，為減少施工爆破對已有建筑物等的影響，采用微差爆破或植被覆蓋等措施，避免了因施工對已有常規電站正常運行、壩體等安全造成影響。

（5）寒冷地區施工經驗總結。

白山抽水蓄能電站地處東北，工程對混凝土的抗凍耐久性要求較高，按設計要求通過反復試驗，確定不同施工部位的混凝土配比。[4]同時，白山抽水蓄能電站進水管的保溫處理，以及在冬季運行中如何防止進水管結冰等技術，都可以推廣到其他高寒地區，為保障施工期工程建設、保證抽蓄機組安全運行提供參考。

3 電站運行分析

3.1 東北電網電源特點

2007～2012年，東北電網總裝機容量逐年增加，由5687.58萬kW增加到10774.36萬kW，增長89%。2007～2012年東北電網各年裝機情況見表1。分析東北電網電源發展趨勢可以發現，東北電網火電、水電裝機比例逐年下降，但電源結構以火電為主；同時在國家政策的大力支持下，該地區風力發電快速發展，風電裝機容量占東北電網總裝機容量的比例由2.46%升至17.21%。因此，東北電網呈現出以火電為主，風電裝機快速增加，電網調峰能力差的特點，是一個典型的以火電為主的大型區域電網。

表1 2007～2012年東北電網全社會裝機情況表Tab.1 The total social installation of power grid in northeast China from 2007 to 2012

3.2 東北電網調峰能力

系統調峰能力不足一直是困擾東北電網安全可靠運行的主要矛盾之一，而負荷結構和電源結構問題是系統調峰能力不足的主要原因。[5]一方面東北電網負荷峰谷差不斷增大；另一方面，火電機組在供熱、供汽期調峰能力大幅下降；水電機組裝機比例逐年下降，且受水庫來水、保春灌、下游用水及施工工程等原因，調峰能力大幅度下降；風電機組裝機快速增加，發展遠大于規劃，調峰需求迅速增加。因此，東北電網調峰壓力逐年增加，亟須調峰電源，特別是具有快速調節能力的水電、抽水蓄能等電源。[6]

3.3 抽水蓄能電站發電運行數據

白山抽水蓄能電站自2007年開始正常運行。2007年1月1日～2012年12月31日，機組抽水用電量15.15億kWh，發電量1.59億kWh。蓄能機組平均利用小時884.1小時/（年·臺），機組平均運行時間2298.37時/（年·臺），機組等效可用系數為85.04%。機組非計劃停運1.2次/（年·臺），發電啟動35.1次/（年·臺），抽水啟動163.91次/（年·臺）、啟動成功率99.36%。說明抽水蓄能機組運行以來，配合東北電網，在調峰調頻、事故備用等多種功能中已開始顯現作用。

3.3.1 抽水用電量分析

風力發電具有隨機性、間歇性和不可控性的特點，大規模風電并網會對電網的安全和經濟運行產生影響，并隨著風電穿透率的提高而加劇。[7]隨著東北電網風電的大量并網運行，系統調峰難度越來越大，抽水用電量呈逐年上升趨勢，可見白山抽蓄機組在對東北電網吸納風電能力方面貢獻明顯。2007～2012年白山抽水蓄能電站抽水用電量見圖1。

圖1 2007～2012年白山抽水蓄能電站抽水用電量圖Fig.1 Baishan pumped storage power station from 2007 to 2012

3.3.2 開停機次數分析

白山抽水蓄能機組抽水啟停次數逐年增加，發電次數波動較大，說明電網對機組的削峰填谷需求較大；發電次數則根據增發季節性電量的需求，呈現不規則的增減，也與白山電廠統一發電調度運行有關。抽水小時上升趨勢明顯，說明白山抽水蓄能電站對電網吸納風電、改善電網調峰填谷作用明顯。總體來說，抽水啟停次數遠大于發電次數，這與抽水蓄能機組滿足系統削峰填谷需求有關，也與抽水水量部分通過常規機組發電有關。2007～2012年白山抽水蓄能電站開停機次數見圖2。

3.3.3 典型年運行數據分析

圖2 2007～2012年白山抽水蓄能電站開停機次數柱狀圖Fig.2 Statistics of the number of shutdown times of baishan pumped storage power station from 2007 to 2012

在白山抽水蓄能電站2007～2012年運行期內，選擇2010、2011、2012年分別作為豐水年、枯水年、平水年的典型年進行分析。白山抽水蓄能電站投產后，通過抽水改變了天然徑流特性，天然來水量和抽水流量相疊加，形成了新的水文系列，這樣就有了實際入流和天然入流兩個水文系列。[8]2010～2012年白山水庫實際水位與天然來水位對比圖見圖3～圖5。

圖3 2010年實際水位與天然來水位對比圖Fig.3 The actual water level compares with the natural water level in 2010

圖4 2011年實際水位與天然來水位對比圖Fig.4 The actual water level compares with the natural water level in 2011

圖5 2012年實際水位與天然來水位對比圖Fig.5 The actual water level compares with the natural water level in 2012

由圖3～圖5可以看出，抽水蓄能電站投產后，豐水年、平水年、枯水年的實際運行水位，均明顯高于天然來水水位，從而增加常規水電站發電水頭，水庫運行效益增加。另一方面，隨著東北電網對于抽水蓄能電站調峰的需求逐年增加，天然來水水位與抽水后實際水位的差值也隨抽水工況運行次數的增加而增加。

根據逐日實際入庫、出庫流量，按照水量平衡原理，結合水庫調度原則，計算出抽水后最優的水位過程線及相應的運行參數，最終得到結合開發后電站的水能轉化率。[8]白山混合式抽水蓄能電站能量轉化率為：

式中，ΔE增、ΔE蓄、ΔE季和ΔE耗分別為抽水蓄能機組投入運行和不運行時的白山水電站年發電量的增值、白山水電站年末蓄能電量、抽水蓄能電站季節性增發電量和抽水蓄能機組抽水耗電量。

2010～2012年白山抽水蓄能電站實際運行后運行參數見表2，水能轉換率見表3。

從表2中可以看出，抽水蓄能運行后，計算代表年白山水庫抬高平均水位3.92m，平均降低耗水率0.12m3/kWh，計算結果表明白山抽水蓄能運行后白山水庫水位平均升高1m，天然降雨的勢能在此基礎上產生疊加效應，使耗水率下降0.03m3/kWh。[9]從表3中可以看出，由于白山抽水蓄能的運行，白山水電站電量增加，獲得了水量效益和水頭效益，增加了水能利用率，選擇豐、平、枯年份計算電站水能利用率平均值91.14%，遠大于純抽水蓄能75%的能量轉化率。同時，隨著東北電網填谷需求，抽水蓄能抽水電量逐年增加。

表2 白山抽水蓄能電站實際運行后運行參數表Tab.2 Operating parameters after actual operation of Baishan hydropower Station

表3 白山抽水蓄能電站實際運行后水能轉化率表Tab.3 Water energy conversion rate after actual operation of Baishan hydropower station

3.4 抽水蓄能電站向電網提供服務情況總結

結合抽水蓄能電站的運行工況，電站參與電網調度運行的情況如下。

（1）抽水工況：由于東北地區風電的大規模開發，進一步加重了電網填谷調峰困難。為增強電網填谷調峰的綜合能力，根據東北網填谷調峰需求，隨時啟動削峰填谷。

（2）發電工況：汛期水量大時，為減少常規水電機組棄水，蓄能機組利用富余水量發電，增發季節性電量；非汛期或汛期水量小時，電站根據規程規定機組允許備用時間，按電網調度要求，隨時啟動機組發電調峰運行。

（3）抽水蓄能機組除可以抽水填谷發電調峰外，停機后還可作為東北電網的事故備用容量，并可以承擔電網調頻、調相等任務。

3.5 抽水蓄能電站運行效益總結

3.5.1 調峰填谷效益

白山抽水蓄能機組操作靈活、啟動迅速，可根據電網要求，隨時啟動削峰填谷，增加東北電力系統的調峰容量，有利于火電機組的穩定運行、電網的安全運行和保證電網的輸電質量。除調峰填谷效益外，還能作為備用容量，為電網提供無功支持，具有黑啟動等功能，可承擔東北電網緊急事故備用任務。

3.5.2 水庫調節效益

白山抽水蓄能電站的運行，相當于在已有白山水庫運行中增加了一個人為調節水庫的功能，使混合式抽水蓄能電站水庫入庫徑流具備人工調節能力。通過水庫調節增加發電效益，同時又不會增加防洪負擔。[10]

3.5.3 發電量效益

白山抽水蓄能增加的發電量效益主要來自增加水量、增加水頭、增加季節性電量和減少棄水，即“三增一減”四項發電量效益。[9]

3.5.4 環保及其他效益

白山抽水蓄能電站投入運行后，有效減少了火電煤耗，減少了硫化物、氮氧化物、粉塵及一氧化碳的排放量，減輕了大氣污染，具有顯著的環境效益。

白山抽水蓄能電站運行后，上庫因水位變動相對頻繁及抽上來的水水溫高，使壩區附近水庫表面冬季結冰封庫現象消失，改善了水庫的運行條件。[9]

4 結束語

在抽水蓄能電站站址資源越來越少、開發條件越來越差情況下，開發建設制約因素較多的區域，結合常規水電進行混合式抽水蓄能開發具有重大意義。白山抽水蓄能電站在工程施工期間克服了場地狹窄、立體交叉及限制因素多等不利條件，保證工程建設順利進行。自2007年常態化運行以來，配合東北電網調峰填谷，并作為負荷備用和事故備用，以應付難以預測的負荷增加和突發性事故，并充分利用白山水庫的調節性能，通過“三增一減”，增加了電站發電效益。本文對白山抽水蓄能電站工程建設運行經驗進行總結，用于借鑒指導全國其他區域混合式抽水蓄能電站的規劃、建設和運行，充分發揮抽水蓄能電站的作用和效益，更好地為電網服務。

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2017-02-15

2017-05-20

路振剛（1964—），男，遼寧人，博士，教授級高工，主要研究方向：水力發電工程。E-mail：luzhengang@yeah.net

張正平（1962—），男，遼寧人，教授級高工，主要研究方向：水電工程設計、施工、建設管理。E-mail：zzp5706@163.com

李鐵成（1968—），男，吉林人，碩士，高級工程師，主要研究方向：常規水電站與抽水蓄能電站生產運維管理。E-mail：tiecheng9925@163.com

趙文發（1964—），男，陜西人，注冊咨詢工程師、教授級高級工程師，主要研究方向：水利水電工程規劃及咨詢工作。E-mail：zhaowenfa@nwh.cn

Baishan Pumped Storage Power Plant Construction Operation Analysis Summary

LU Zhengang1，ZHANG Zhengping1，LI Tiecheng2，ZHAO Wenfa3
（1.State Grid XinYuan Company Ltd.，Beijing 100761，China ；2.Baishan Hydropower Station，Huadian 132400，China ；3.Northwest Engineering Corporation Limited，Xian 710065，China）

The mixed pumped storage development mode with useing existing hydropower station has many advantages，such as develop and implement easily，short construction period，the reservoir flood small impact on the environment，saving investment and other investment construction advantages.Expansion into hybrid pumped storage power station，make the function of conventional have pumped storage hydropower station，in power system，energy storage，peak shaving filling valley，emergency，frequency modulation，phase modulation，black start，and so on.Build of reversible units can also improve the conventional operation mode of hydropower unit，improve the plant operation，avoid the waste of water resources，increase the profit of the power plant power generation; In addition，by using the regulation performance of the reservoir in the pumped storage power station，the water quantity can be redistributed，which can make the warehousing runoff have the ability of manual adjustment.Combined with conventional hydropower，mixed pumped storage can be developed，with good development and utilization prospect and peak power generation.

mixed pumped storage; Baishan pumped storage power plant; engineering construction; engineering operating; operation efficiency

TK71

A學科代碼：480.6030

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.005

國網新源控股有限公司科技項目（52570015007J）。