綜合利用抽水蓄能電站初步探討

盧錕明，趙文發，黃曉華

（1.中國電建西北勘測設計研究院有限公司，陜西省西安市 710065；2.中國電力出版社有限公司，北京市 100005）

0 引言

目前，我國電源結構不斷優化、特高壓智能電網迅速發展以及電網安全穩定運行的保障需求不斷提高，抽水蓄能電站建設越來越受到重視，抽水蓄能電站已迎來快速發展時期。根據《抽水蓄能電站選點規劃編制規范》（NB/T 35009—2013）和《抽水蓄能電站設計導則》（DL/T 5208—2005），在抽水蓄能電站選點規劃、設計過程中，主要考慮電站在電力系統中的作用與效益，不涉及其他綜合利用功能。我國已、在建抽水蓄能電站功能定位也均以為電網服務為主，通過調峰填谷、調頻、調相、緊急事故備用、黑啟動等方式保障電力系統安全穩定運行。在此情況下，抽水蓄能電站的上、下水庫在確定庫容時，通常只需滿足電站的調峰填谷要求。

隨著人們對抽水蓄能電站的認識不斷加深，對抽水蓄能電站綜合利用的要求也逐步提高。特別是在我國的干旱半干旱地區，在某些抽水蓄能站點選點時，隨著規劃、設計工作的不斷深入，對是否能利用抽水蓄能上、下水庫開展灌溉、供水等綜合利用任務提出了需求。本文將對開發建設綜合利用抽水蓄能電站的一些問題作初步探討。

1 抽水蓄能資源屬性潛力分析

抽水蓄能開發利用有四種資源屬性概念：本身的資源屬性、可利用的資源屬性、水庫資源屬性和站址的資源屬性。

（1）抽水蓄能資源。資源屬性是指抽水蓄能作為一種二次利用資源，或者說是一種伴生經濟資源，它消耗能源資源，但卻可以優化能源資源的利用，產出更多的系統能源資源利用的經濟價值。

（2）抽水蓄能可利用資源。與常規水電站只利用水能資源不同，抽水蓄能電站通過泵工況利用電能資源，發電工況利用水能資源，電站既以水為利用資源，又以電力系統各種要求作為可利用資源。也就是說，只要發電與用電存在質量差和保證率，就是抽水蓄能可利用的資源[2]。

（3）水庫資源。抽水蓄能電站開發建設至少利用兩座水庫，一座為抽水蓄能電站上水庫，一座為抽水蓄能電站下水庫。上、下水庫聯合起來通過電站的抽水和發電工況實現水資源的循環利用。抽水蓄能的水庫資源以水為介質，實現了電能的存儲和利用。

（4）抽水蓄能電站站址資源。抽水蓄能電站站址資源是可以人為選擇的，因此抽水蓄能電站站址的資源站點眾多。但好站址資源滿足的條件眾多，一般來說包括地理位置（距離負荷中心距離）、水頭、地形地質、環境和水庫淹沒等方面[7]。同時，抽水蓄能電站站址選擇還受制于外部環境因素，沒有相對固定的邊界條件。因此，外部環境的不確定性，導致抽水蓄能電站在主要為電網服務的同時，存在其他綜合利用的可能性，為抽水蓄能電站的綜合利用開發提供了機遇和空間。

從抽水蓄能開發利用自身的四種資源屬性來說，抽水蓄能資源屬性和可利用資源屬性是抽水蓄能電站建設的基礎，水庫資源屬性、站址資源屬性以及外部環境的不確定性從內、外兩個方面為抽水蓄能發展提供了新的思路，既綜合利用發展。

2 抽水蓄能電站開發方式

與常規水電站利用水能資源不同，抽水蓄能電站是一種特殊類型的水電站。按徑流利用與機組構成劃分為純抽水蓄能電站、混合式抽水蓄能電站、調水式抽水蓄能電站（較少）和地下式抽水蓄能電站（較少）。

（1）純抽水蓄能電站。純抽水蓄能電站的上水庫沒有或只有少量的天然徑流來源，在一個周期內，抽水與發電的水量在上、下水庫循環使用，兩者水量相等，僅需補充蒸發和滲漏損失，大部分電站補充的水量由下水庫抽到上水庫。純抽水蓄能電站示意如圖1所示。

圖1 純抽水蓄能電站示意Fig．1 Schematic diagram of pumped storage power station

（2）混合式抽水蓄能電站。結合常規水電站新建、改建或擴建，加裝抽水蓄能機組，既有電網調節作用，又有徑流發電作用，稱之為混合式抽水蓄能電站[3]。與純抽水蓄能電站不同的是，混合式抽水蓄能電站上水庫有天然徑流的匯入，并且廠房中的機組包括常規水輪機組和可逆式機組，如我國的白山抽水蓄能電站等。混合式抽水蓄能電站示意如圖2所示。

（3）調水式抽水蓄能電站。調水式抽水蓄能電站從位于一條河流的下水庫抽水至上水庫，再由上水庫向另一條河流的下水庫放水發電。這種蓄能電站可將水量從一條河流調至另一條河流，它的特點是抽水泵站與發電站分別布置在兩處，上庫建在分水嶺上，可與調水工程結合修建。調水式抽水蓄能電站受抽水泵站所在河流年內徑流分配的影響，枯水期抽水流量及水量不足時，抽水蓄能電站運行方式將受到影響。

圖2 混合式抽水蓄能電站示意Fig．2 Schematic diagram of mixed pumped storage power station

（4）地下式抽水蓄能電站。地下水抽水蓄能電站下水庫和廠房均位于地下，下水庫一般利用廢棄的礦井改建而成，上水庫在地面修建，如美國新澤西州的霍普山抽水蓄能電站即為地下式抽水蓄能電站。

3 綜合利用抽水蓄能電站開發方式

綜合利用抽水蓄能電站主要是指擔負兩種或兩種以上工程任務的抽水蓄能電站。不同類型抽水蓄能電站，若在抽水蓄能電站規劃、設計過程中考慮上、下水庫承擔一定的綜合利用任務，那么該抽水蓄能電站具有綜合利用功能。綜合利用抽水蓄能電站的綜合利用水庫必須是新建的水庫，而不是利用已建的綜合利用水庫。綜合利用任務主要包括上、下水庫周邊生態恢復（灌溉）、旅游、供水、防洪、水產養殖等，只要承擔其中一項綜合利用任務既可稱為綜合利用抽水蓄能電站。

綜合利用抽水蓄能電站按上、下水庫利用情況可以分為不完全綜合利用抽水蓄能電站、完全綜合利用抽水蓄能電站兩大類。

（1）不完全綜合利用抽水蓄能電站。不完全綜合利用抽水蓄能電站指的是抽水蓄能電站上、下水庫中其中一庫具有綜合利用任務的抽水蓄能電站。如在規劃、設計過程中考慮抽水蓄能電站的上水庫或下水庫中的一庫承擔水庫周邊生態恢復（灌溉）、旅游、供水、防洪、水產養殖等綜合利用任務，而另一庫不承擔綜合利用任務。

承擔綜合利用任務的水庫（上水庫或下水庫中的一庫），其調節庫容及運行方式的確定，除同常規抽水蓄能電站一樣滿足電力系統調峰填谷等需要外，還應根據綜合利用任務要求加大調節庫容，運行方式應同時滿足抽水蓄能運行及綜合利用要求。

不承擔綜合利用任務的水庫（上水庫或下水庫中的一庫），其調節庫容及運行方式的確定，只要滿足電力系統調峰填谷等需要既可，不需要加大調節庫容。

（2）完全綜合利用抽水蓄能電站。完全綜合利用抽水蓄能電站指的是抽水蓄能電站上、下水庫都具有綜合利用任務的抽水蓄能電站，如在規劃、設計過程中考慮抽水蓄能電站的上水庫和下水庫都承擔水庫周邊生態恢復（灌溉）、旅游、供水、防洪、水產養殖等綜合利用任務。上水庫和下水庫調節庫容及運行方式的確定，除同常規抽水蓄能電站一樣滿足電力系統調峰填谷等需要外，還應根據綜合利用任務要求加大調節庫容，運行方式應同時滿足抽水蓄能運行及綜合利用要求。

綜合利用抽水蓄能電站開發需具備兩個條件：第一是抽水蓄能電站的上、下水庫同時或其中一庫具有綜合利用功能；第二是具有綜合利用功能的水庫必須為新建工程。

綜合利用抽水蓄能電站根據水庫與河道間的位置關系，又可分為河道式綜合利用抽水蓄能電站、河岸式綜合利用抽水蓄能電站和內陸式綜合利用抽水蓄能電站等三種開發方式。

（1）河道式綜合利用抽水蓄能電站。河道式綜合利用抽水蓄能電站是指利用河道新建綜合利用抽水蓄能電站下水庫的方式。河道式綜合利用抽水蓄能電站，可以結合電站所在建設區的要求和工程建設條件確定綜合開發任務。如某站點在選點時，下水庫位于河道中，結合河道周圍灌區灌溉以及城鎮供水等要求，可考慮下水庫結合灌溉、城鎮供水等綜合開發任務進行規劃。

（2）河岸式綜合利用抽水蓄能電站。河岸式綜合利用抽水蓄能電站是指在河道兩岸選擇合適的位置，通過挖填新建綜合利用抽水蓄能電站下水庫的方式。河岸式綜合利用抽水蓄能電站的水源仍為引用河道的水，通過水庫的調節可以滿足河道周圍灌區灌溉以及城鎮供水等要求。

（3）內陸式綜合利用抽水蓄能電站。內陸式綜合利用抽水蓄能電站是指在距河道較遠處新建綜合利用抽水蓄能電站上、下水庫的方式。內陸式綜合利用抽水蓄能電站的水源從河道抽水補給。如我國西部干旱地區，植被差，生態環境脆弱，某些站點在選點時，當地政府也提出利用抽水蓄能電站上、下水庫對所在區域內周邊山區植被進行灌溉，滿足生態恢復要求。可以結合水庫周邊生態恢復（灌溉）及景觀等要求，確定抽水蓄能電站上、下水庫調節庫容等。

4 綜合利用抽水蓄能電站開發任務

《水電發展“十三五”規劃》中提出“十三五”期間加快開發建設抽水蓄能電站，加快開工建設一批距離負荷中心近、促進新能源消納、受電端電源支撐的抽水蓄能電站。可以看出，目前抽水蓄能的主要開發任務還是以服務電力系統為主，基本不涉及其他綜合利用功能。抽水蓄能電站作為資源綜合利用的一種形式，如何更有效地發揮其綜合利用功能值得思考。抽水蓄能電站的規劃選點與設計工作是前期工作中的一個非常重要的環節，它對工程的設計與建設影響很大[4]，在規劃選點與設計階段，應結合站點實際情況，貫徹綜合利用原則，確定抽水蓄能電站承擔的綜合利用任務。

常規水電站在規劃設計時，往往從工程動能設計出發，分析發電、防洪（澇、凌）、供水、灌溉、航運、水產養殖、生態與環境等對電力、水量、電量、水位和用水時間的要求，按照開發任務的主次關系，合理協調水資源綜合利用各部門之間的矛盾，盡可能充分發揮工程的綜合效益。抽水蓄能電站的綜合利用可參照常規水電綜合利用任務，初步考慮可按以下開發任務進行規劃設計。

（1）電網調節。一方面，電力系統用電結構、負荷特性及各類電源調節特性不盡相同，抽水蓄能電站開停機迅速、運行靈活，可以快速反應和跟蹤負荷。這些特點也使其具有調峰、填谷、調頻、調相、事故備用、旋轉備用及黑啟動等多種功能[5]。另一方面，風、光電出力具有隨機性、不穩定性、間斷性，風電還具有反調峰特性，給電網的運行調峰造成很大壓力。抽水蓄能電站通過抽水和發電兩種工況的科學合理運行，能夠顯著提升電網吸納新能源的能力。抽水蓄能電站獨特的運行特點，在保障電網安全穩定運行、保證電能質量、促進電力系統節能等方面發揮著不可替代的作用[6]，是一個能夠用于電網管理的工具。

（2）防洪、防凌。抽水蓄能電站作為特殊電站，在其建設過程中通常僅考慮廠房、大壩等主要工程的防洪、防凌。但若抽水蓄能站點上、下庫的選址位于天然河流或湖泊且下游有防護對象，此時，抽水蓄能電站的規劃設計中應研究考慮下游防洪、防凌等要求。河道式綜合利用抽水蓄能電站應考慮防洪、防凌等任務。

（3）灌溉、供水。我國水資源時空分布不均，東多西少，南多北少[7]。因此，在我國北方缺水地區建設抽水蓄能電站，可以結合周邊適當范圍的供水和灌區、林地、草場等的灌溉，綜合開發抽水蓄能電站。

（4）景觀及生態。隨著社會進步，人們對生活環境要求不斷提高，抽水蓄能電站可以結合上、下水庫建設水庫型水利風景區。在抽水蓄能電站工程設計及建設過程中，應滿足景觀及生態要求。

（5）水產養殖。抽水蓄能電站在開發建設過程中還可考慮水產養殖。不同開發形式下，水產養殖任務也不同，主要為過魚、養魚和其他養殖業對放流量及時間的要求。

5 綜合利用抽水蓄能電站面臨的挑戰

當前，我國指導抽水蓄能發展的核心理論是“調峰填谷”理論，該理論指導我國抽水蓄能事業取得今天的輝煌成就。隨著形勢的發展和人們對抽水蓄能電站的認識逐步提高，在滿足電網調峰填谷、調頻、調相、緊急事故備用、黑啟動等電網服務功能的基礎上，結合項目區的綜合利用要求和工程建設條件建設綜合利用抽水蓄能，可以更好地發揮水庫資源的社會和經濟效益。但目前規范中對抽水蓄能電站綜合利用尚未有明確定位，筆者在此初步對綜合利用抽水蓄能電站可能面臨的挑戰進行分析。

（1）已建綜合利用水庫的水量統一調度是水資源可持續管理的重要內容[8]，水庫來水應充分考慮各項工程任務，調度運行復雜。因此原有綜合利用水庫運行調度是在考慮多種任務要求下形成的，若在此基礎上開發建設抽水蓄能電站，可能打破已有的調度平衡，或重新對水庫運行調度進行研究，因此原則上不推薦利用已建綜合利用水庫開發建設綜合利用抽水蓄能電站。

（2）在抽水蓄能電站建設中，利用綜合利用功能水庫進行改建加固作為抽水蓄能電站水庫的情況比較常見，如廣東清遠抽水蓄能、瑯琊山抽水蓄能等。由于利用原有電站水庫是具有綜合利用功能的水庫，水庫改建加固后需要保留原水庫的綜合利用功能，對電站施工和運行管理帶來諸多干擾與不便，而且原水庫大壩及防洪設施等也需考慮是否需要加固，考慮因素較多，關系復雜。因此，應避免利用原關系復雜、功能綜合的水庫[9]。

（3）開發綜合利用抽水蓄能電站，抽水蓄能電站上、下水庫在滿足抽水、發電工況前提下，考慮不同的綜合開發任務，將增加水庫建設規模，提高電站建設投資。因此，在開發綜合利用抽水蓄能電站時應考慮增加投資與綜合利用獲得的效益的投入產出情況，對項目經濟性進行權衡。

（4）目前，我國抽水蓄能電站的相關規劃及設計規范中，很少提及綜合利用抽水蓄能電站（不是利用已建的綜合利用水庫），但實際規劃設計中，某些站點涉及綜合利用要求，因此，需要不斷提高認識，逐步達成共識，將綜合利用抽水蓄能電站逐步納入規劃設計過程中。

（5）我國大型抽水蓄能電站主要由電網公司負責建設運營，而綜合利用抽水蓄能電站涉及的綜合利用效益及投資分攤等問題，需要進一步研究。

（6）抽水蓄能電站站點常規選點、規劃、設計過程中應以服務電網定位為主。對于綜合利用抽水蓄能站站點的選點，應根據各站點實際情況，在服務電網的基礎上，結合當地的實際需求和建設條件開展論證工作。

6 結束語

全球很多地區正在采取多種策略以實現其抽水蓄能的愿景[10]。通常抽水蓄能電站無周邊生態恢復（灌溉）、旅游、供水、防洪、水產養殖等綜合利用要求，通過開發建設綜合利用抽水蓄能電站可以做到一庫多利、一水多用，充分發揮綜合效益，以達到國民經濟整體利益最大的目標。但綜合利用抽水蓄能建設存在機遇的同時，也面臨著眾多挑戰，因此開發綜合利用抽水蓄能電站還需結合開發任務、水庫調度運行、建設必要性、綜合利用效益及投資分攤、項目經濟性等因素進一步研究。

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