數字經濟發展背景下的抽水蓄能電站建設淺談

劉珊

（中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024）

1.國家數字經濟及“雙碳”發展目標

1.1 數字經濟發展政策法規

2020年10月29日，黨的十九屆五中全會指出“堅定不移建設網絡強國、數字中國，加快數字化發展”正式將“加快數字化發展”、建設“數字中國”寫入國民經濟和社會發展“十四五”規劃及2035年遠景目標，數字化發展成為國家明確的政策重點方向。2021年，國家相繼出臺了《中華人民共和國數據安全法》《關鍵信息基礎設施安全保護條例》等法律法規；印發了《“十四五”國家信息化規劃》《“十四五”數字經濟發展規劃》《“十四五”智能制造發展規劃》《“十四五”大數據產業發展規劃》《物聯網新型基礎設施建設三年行動計劃》《工業互聯網創新發展行動計劃》等系列發展規劃，聚焦數字經濟、數字社會、數字政府和數字生態4大主題領域，提出數字中國未來發展展望和具體應用舉措。

1.2 碳達峰、碳中和的綠色能源發展

2020年9月22日，習近平總書記在第75屆聯合國大會一般性辯論上宣布中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。把碳達峰、碳中和納入經濟社會全局發展，以經濟社會發展全面綠色轉型為引領，以能源綠色低碳發展為關鍵，加快形成節約資源和保護環境的產業結構，構建綠色低碳循環發展的經濟體系，提升能源利用效率、提高非化石能源消費比重、降低二氧化碳排放水平、提升生態系統碳匯能力[1]。

碳達峰、碳中和的綠色能源發展目標的提出，對我國的能源主體結構提出新的要求。當前，傳統的化石能源在能源消費主體架構所占比重逐年降低，太陽能、風能、水能、地熱能等可再生能源的裝機規模逐年上升，隨著白鶴灘、烏東德、兩河口等大型水電站的投產發電，多能互補促進能源結構調整。

碳達峰、碳中和的綠色能源發展目標的提出，對我國的電力系統結構提出了新的要求。光伏、風電等分布式電源具有隨機性、波動性、分散性等特點，對電力系統結構的安全穩定運行提出新的挑戰。借助數字技術發展大規模儲能技術構建新型電力系統，提高可再生能源占比和利用效率，實現源網荷儲全環節的智能互動、精準控制推動電力系統結構轉型升級。

2021年8月國家能源局發布《抽水蓄能中長期發展規劃（2021—2035年）》重點指出“在全球應對氣候變化，我國努力實現‘2030年前碳達峰、2060年前碳中和’目標，加快能源綠色低碳轉型的新形勢下，抽水蓄能加快發展勢在必行”，“抽水蓄能是當前技術最成熟、經濟性最優、最具大規模開發條件的電力系統綠色低碳清潔靈活調節電源”[2]。

2.抽水蓄能電站簡介

2.1 什么是抽水蓄能電站

抽水蓄能電站是水電站的一種特殊形式，又稱蓄能式水電站，是電網中的充電寶。電站通常由上水庫、下水庫、引水隧洞、地下廠房、地面送出開關站等主要工程建筑物構成。電站機組采用發電/電動機+水泵水輪機，同時具備發電工況與電動工況兩種運行方式。通常夜間機組工作于電動機工況，將下水庫的水抽入至上水庫，以消納電網中過剩的電能，實現電網儲能。日間機組工作于發電工況，利用上水庫水的重力勢能進行發電，以補充電網中的電力不足，削峰填谷實現電力平衡。抽水蓄能電站具備開停機時間短、運行靈活可靠等特點，可對電網急劇變化的負荷快速響應，通過抽水蓄能機組發電-電動工況的切換實現調峰、調壓、調頻、系統備用和黑啟動電源等多種功能。發展抽水蓄能電站有利用提升電力系統運行的靈活性、經濟性與安全性，是“雙碳”綠色能源發展目標下，構建新能源為主體的新型電力系統的重要方式。

2.2 抽水蓄能電站的調節形式

按照抽水蓄能電站上、下水庫的調節周期不同通常將抽水蓄能電站分為日調節、周調節、季調節電站。

日調節電站在電力系統中主要承擔日負荷的削峰填谷及事故備用職責，通常以一天為一個調節周期，白天負荷高峰時段通過上水庫向下水庫放水進行發電滿足電網調峰需求，夜間負荷低谷時通過下水庫向上水庫抽水作為負荷消耗電能達到填谷的要求。

周調節電站以一周為一個運行周期，除根據系統負荷變化每日調節外，針對周一至周五的工作時段用電負荷較大的特點盡可能較多的發電配合系統調峰，周末盡可能利用多余電能延長抽水時間，儲備更多的蓄水能量。目前，福建仙游、河北豐寧等抽水蓄能電站多為周調節電站。

季調節電站通常利用常規水電站汛期棄水的季節性電能作為抽水能源，將水源抽到上水庫儲存起來，枯水期再進行發電以彌補負荷高峰及地表徑流不足，季節性電站通常需要下水庫具備充足的水源及較大的上水庫庫容以滿足季節性調節要求。國家能源局在抽水蓄能中長期發展規劃中提出，探索常規水電站梯級融合改造增建混合式抽水蓄能電站，使之形成示范推廣。

3.國內外抽水蓄能電站發展歷程

3.1 國外抽水蓄能電站發展

抽水蓄能電站的發展距今已有130余年的歷史，抽水蓄能電站先后經歷了水泵、水輪機、發電機、電動機相分離的四機式，水泵、水輪機、發電-電動機組成的三機式，到目前的水泵水輪機、發電-電動機兩機可逆式機組。1882年，瑞士蘇黎世奈特拉電站是第一座抽水蓄能電站，總裝機容量515kW，是一座季調節性抽水蓄能電站。20世紀60年代以前，歐洲國家引領著世界抽水蓄能電站的發展。20世紀70至80年代，隨著兩次石油危機的影響，燃油電站比重下降，核電建設迅猛發展，低谷富裕電量大增，急需調峰填谷為抽水蓄能電站的發展帶來契機，抽數蓄能電站的年增長率達到11.26%，美國抽水蓄能電站的裝機容量躍居世界第一，到1990年底，全世界抽水蓄能電站的裝機容量達到86879MW，占總裝機容量的3.15%。20世紀90年代，受蘇聯切爾諾貝利核電站事故影響，世界對核電站安全性提出疑問，加之發達國家經濟增速放緩，抽水蓄能電站年均增長速度降至2.75%，到2000年，全世界抽水蓄能電站的裝機容量達到114000MW，日本超越美國成為抽水蓄能電站裝機容量最大的國家。進入21世紀，西方發達國家經濟增速放緩，抽水蓄能電站新增裝機規模有限，中國、韓國、印度等亞洲國家電力需求旺盛，抽水蓄能電站發展迅猛。2010年，全世界抽水蓄能電站的裝機容量達到135000MW，2020年，裝機容量達到159490MW，年均增長率1.68%。2017年，中國抽水蓄能裝機容量超過日本達到28490MW，成為世界抽水蓄能電站規模最大的國家[4]。

3.2 國內抽水蓄能電站發展

我國的抽水蓄能電站起步于20世紀60年代，經過50多年的建設與發展已經積累了豐富的機組制造技術和工程建設經驗。1968年，河北崗南水電站安裝了一臺11MW的進口抽水蓄能機組，拉開了我國抽水蓄能電站建設的序幕。1973年—1975年，密云水庫白河水電站安裝了兩臺11MW的抽水蓄能機組，第一次實現了抽水蓄能機組的國產化。20世紀90年代，為了配合國家經濟發展，減少拉閘限電相繼建設了十三凌、廣蓄、天荒坪等一批大型抽水蓄能電站，到2000年，國內抽水蓄能電站裝機容量達到5520MW。進入21世紀，我國經濟進入快速發展期，惠州、寶泉、張河灣、西龍池、桐柏、泰安等11個抽水蓄能電站開展建設，截至2010年底，國內抽水蓄能電站裝機容量達到14510MW，抽水蓄能機組國產化率大幅提升。2011年—2020年，為適應“十三五”時期新能源、特高壓電網的快速發展，抽水蓄能迎來新的高峰，吉林敦化、河北豐寧、山東文登、山東沂蒙、安徽績溪等一批抽水蓄能開展建設。截至2020年底，全國抽水蓄能運行電站32座總裝機容量32490MW，在建抽水蓄能電站裝機容量55130MW，國內已形成較為完備的抽水蓄能電站勘察、設計、施工、運行、機組制造及設備成套等技術管理體系，在建的河北豐寧抽水蓄能電站總裝機3600MW更是成為世界最大的抽水蓄能電站。

4.抽水蓄能電站工程選址及投資影響

抽水蓄能電站的規劃選址及投資成本控制，通常受區域地理位置、地質地形條件、環境條件、水頭及距高比等因素影響。

4.1 地理位置因素

抽水蓄能電站主要的工作任務為削峰填谷、調相調頻等，因此，電站地理位置選址多位于電源中心或負荷中心及城市周邊附近，通過國內近90座抽水蓄能電站建設資料分析，93%的電站選址位置距離電源及負荷中心通常在200km以內[3]，67.9%的電站選址在100km以內。如十三陵抽水蓄能電站，總裝機80萬千瓦，距離北京市區約40km，承擔北京市應急及事故備用電源的職責。為配合山東海陽、乳山紅石頂、威海石島灣等核電站建設，山東省內同步規劃建設了文登、沂蒙、萊蕪、海陽、濰坊等抽水蓄能電站，以達到削峰填谷動態調節的作用。

4.2 地質地形條件

抽水蓄能電站通常選擇在河流或水庫周邊，有利于利用地形優勢形成天然上、下水庫的地質條件優良區域。選擇有利于庫盆形成的地形區域，可減少上下水庫的壩體填筑，節省土石方開發成本。同時，圍巖的地質條件對庫盆的防滲性處理及輸水管道的襯砌形式起著很大的作用，上水庫的防滲性處理有時對工程經濟性影響最大。此外，由于抽水蓄能電站多為地下式廠房，選擇地質條件發育優良區域可為輸水系統及地下廠房洞室群的開挖提供有利條件，對于保證工程建設工期及整體投資控制影響性較大。

4.3 環境影響因素

近年來，國家高度重視環境保護評價和工程建設與周邊環境的影響。相對于常規水電，抽水蓄能的上下庫庫容小、占地面積小、征地拆遷范圍小，并多位于城市附近對自然環境的影響遠小于常規水電工程。電站在選址設計過程中需要考慮上、下庫進、出水口等地表建筑物與周邊風景名勝區的景觀配合，與自然環境相協調。電站在建設施工過程中，需重點考慮工程廢水、廢氣、廢渣對自然環境的影響與破壞，通常設計單位會結合工程區域特點合理開展各工區的施工場地規劃，在廠內施工道路、施工用電線路的設計過程中，考慮永臨結合，充分利用地下洞室開挖的石料進行壩體填筑，做到資源的二次利用，減少對周邊環境的破壞。

4.4 水頭及距高比

抽水蓄能電站中的水頭是指上水庫的水平面至水輪機入口的垂直高度，水頭高度越高所具備的重力勢能越大，同等流量條件下機組的發電量越多，對機組形式的設計選擇影響較大。距高比指上、下水庫水平距離與垂直高度的比值，我國70%抽水蓄能電站的距高比集中在2～7，距高比影響了輸水線路長度與水頭損失，對電站的整體投資及工程布置影響較大。

5.抽水蓄能電站技術應用經驗

經過50多年的抽水蓄能電站建設與發展，我國已經積累了豐富的抽水蓄能電建設計建設及運行管理經驗。

5.1 抽水蓄能電站典型化設計

區別于常規水電工程，抽水蓄能電站的裝機容量固定，通常為4臺300MW或6臺300MW的機組容量，機組布置于地下廠房內受地形條件影響小，為電站的典型化設計提供了有利條件。目前相關設計建設單位按照“安全可靠、環保節約、技術先進、標準統一”的原則，先后形成電站地下廠房、開關站、輸水系統等主要工程構筑物的典型化設計方案，后續抽水蓄能電站的整體投資控制及大規模建設提供技術指導。

5.2 抽水蓄能電站數字化設計建造

目前已利用GIS、傾斜攝影及地勘三維分析等數字化手段服務抽水蓄能電站的規劃選址，通過三維位片與地質數據模擬形成主要建筑物工程布置與地質三維模型，開展初步經濟性比選分析。利用BIM等技術完成地下廠房、輸水系統、機組布置等三維設計，利用BIM技術服務電站全生命周期管理，做到設計、建設、運行的工期可控，成本節約與一體化協同。借助物聯網傳感器、5G、北斗定位等智能化設備輔助施工建設管理，做到智慧化建設感知，提高工程建設質量，形成數字孿生的智慧化抽水蓄能電站。

5.3 抽水蓄能電站設計施工自主可控

上下水庫庫盆的設計施工過程中應用了鋼筋混凝土、瀝青混凝土、土工膜等多種組合防滲處理方式，防滲技術世界領先。地下洞室群建設開挖支護先后采用噴錨支護配合局部預應力錨索支護對發雜圍巖地質結構支護處理經驗豐富。完全掌握巖壁吊車梁的設計施工技術，利用巖壁錨桿與鋼筋混凝土配合澆筑形成巖壁吊車梁可支撐500t橋起吊重量，服務電站建設及機組安裝。

6.發展與展望

隨著碳達峰、碳中和目標的提出，國家正積極構建以新能源為主體的新型電力系統，風電、光伏等綠色能源在電網中的比例將會大規模提高，而抽水蓄能電站作為當前電力能源的最安全、經濟、有效儲能方式對于保障電力系統供電安全，促進新能源的大規模發展起到積極作用[5]。抽水蓄能電站經過多年的建設發展已經具備技術上的自主可控，將在未來清潔低碳、安全可靠、智慧靈活、經濟高效新型電力系統中發揮積極作用。