純抽水蓄能電站裝機(jī)容量選擇研究

戚海峰

（中核新華黃龍抽水蓄能發(fā)電有限公司，甘肅天水 741020）

1 引言

當(dāng)前，抽水蓄能電站在電網(wǎng)中作用顯著，可為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)壓等服務(wù)。 隨著經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展，抽水蓄能電站規(guī)模增大，對(duì)電網(wǎng)供電安全要求明顯提升。 抽水蓄能電站的出現(xiàn)，對(duì)電網(wǎng)的優(yōu)化重組起到了促進(jìn)作用， 但基于對(duì)抽水蓄能電站穩(wěn)定性的考慮，需明確電站裝機(jī)容量選擇方法，借此維護(hù)抽水蓄能電站的整體品質(zhì)。

2 工程概況

黃龍站點(diǎn)位置特殊，位于甘肅省天水市，距市公路里程約370 km。 從圖紙勘測(cè)結(jié)果可知，上水庫(kù)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，在清水縣史溝村附近，與五馬河和兩流水溝形成上水庫(kù)。 而該抽水蓄能電站的下水庫(kù)位于麥積區(qū)上游廟坪溝內(nèi)，下水庫(kù)主要由溝口筑壩庫(kù)內(nèi)開(kāi)挖構(gòu)成。 電站裝機(jī)容量（重要參數(shù)）初選210 萬(wàn)kW，與此同時(shí)安裝6 臺(tái)立軸混流可逆電機(jī)組（單機(jī)容量35 萬(wàn)kW），連續(xù)滿發(fā)6 h。 規(guī)劃設(shè)計(jì)上水庫(kù)正常蓄水位1 895 m，下水庫(kù)蓄水位1 260 m，均備日調(diào)節(jié)能力。 先擬在上下水庫(kù)之間科學(xué)搭建地下輸水發(fā)電系統(tǒng)，施工總工期78 個(gè)月。 純抽水蓄能電站示意圖如圖1 所示。

圖1 純抽水蓄能電站示意圖

3 裝機(jī)容量選擇思路

抽水蓄能電站應(yīng)用廣泛，屬于經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)的調(diào)峰電站，電站優(yōu)勢(shì)已被多個(gè)國(guó)家證實(shí)。 抽水蓄能電站使用靈活，不僅工作中爬峰（卸荷）速度快，且擁有其他電站不可比擬的調(diào)荷幅度大等優(yōu)點(diǎn)，該電站是最能適應(yīng)負(fù)荷變化的電力系統(tǒng)[1]。經(jīng)證實(shí)，在電力系統(tǒng)中啟用該類型電站能起調(diào)峰填谷作用， 可改善系統(tǒng)運(yùn)行條件，最大限度地節(jié)省燃料。 抽水蓄能電站的功能發(fā)揮與裝機(jī)容量選擇關(guān)系密切。

純抽水蓄能電站建設(shè)要求較混合型抽水蓄能電站標(biāo)準(zhǔn)略高，要求有充足的蓄能庫(kù)容，這是最基本的保障。 同時(shí)，上水庫(kù)和下水庫(kù)的選址很關(guān)鍵，均要有必要的蓄能庫(kù)容，以維持供電穩(wěn)定。 上水庫(kù)可筑壩形成，或結(jié)合現(xiàn)有地形條件在高處圍建人工水庫(kù)，以滿足蓄水需求；下水庫(kù)可以是河流上早已存在的河川水庫(kù)或選用最佳地點(diǎn)（在電站上游適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)）圍建出小水庫(kù)，如果自然條件允許，也可利用天然湖泊[2]。 從一些外文資料了解到，國(guó)外已建的電站中多選用巖洞、廢礦井等作為下水庫(kù)。純抽水蓄能電站運(yùn)行中，充足的抽水能源是必須具備的，其能源有兩種：第一，利用核電站運(yùn)行機(jī)組穩(wěn)定提供電能，將其作為日抽水蓄能方式，起到調(diào)峰填谷的作用，確保電網(wǎng)的持續(xù)穩(wěn)定；第二，利用洪水期水電站具體特征和季節(jié)性電能，作為主要的抽水蓄能方式，在此基礎(chǔ)上充分利用水能，為季節(jié)性電能的提供夯實(shí)基礎(chǔ)[3]。 在裝機(jī)容量選擇過(guò)程中需做好規(guī)劃，并進(jìn)行抽水能源檢驗(yàn)，檢驗(yàn)時(shí)要滿足條件：

式中，η綜為電站的綜合效率，是重要參數(shù)，大型電站該項(xiàng)參數(shù)為0.70～0.75；t抽為可供抽水蓄能的有效時(shí)間，h；t發(fā)為發(fā)電時(shí)間，h；NT為發(fā)電機(jī)容量，kW；Np為電動(dòng)機(jī)容量，kW， 兩者均需處于抽水工況下。

現(xiàn)實(shí)中，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入公式，得到檢驗(yàn)時(shí)具體的條件，用公式表示為：

應(yīng)補(bǔ)充說(shuō)明：在純抽水蓄能電站運(yùn)轉(zhuǎn)中，負(fù)荷低谷處是重要節(jié)點(diǎn)， 并不是每小時(shí)均能保持相同的電動(dòng)機(jī)效率進(jìn)行抽水蓄能，基于此，需得到折算值，約等于每小時(shí)可完成的抽水容量總和。 如果蓄能電站調(diào)峰時(shí)產(chǎn)生的發(fā)電容量不是常數(shù)，此時(shí)公式中的t發(fā)表示發(fā)電時(shí)間，也應(yīng)是折算值。

4 裝機(jī)容量初選的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程

4.1 電力系統(tǒng)需求分析

根據(jù)甘肅電網(wǎng)建設(shè)條件及外送通道需求分析， 按照計(jì)劃設(shè)計(jì)水平年，2030 年， 該地區(qū)蓄能電站需求規(guī)模區(qū)間大致為1 000～1 200 萬(wàn)kW。 目前，甘肅省尚無(wú)已建或在建同類項(xiàng)目，經(jīng)電力電量平衡分析發(fā)現(xiàn)， 現(xiàn)擬3 個(gè)裝機(jī)容量方案， 分別是180 萬(wàn)kW，210 萬(wàn)kW 和240 萬(wàn)kW，皆效益顯著，均為電網(wǎng)必需容量。 不同裝機(jī)容量下，該地區(qū)可利用電量增長(zhǎng)明顯，從1 970 億kW·h 增長(zhǎng)至1 979 億kW·h。 與此同時(shí)，系統(tǒng)發(fā)電煤耗總量（科學(xué)衡量指標(biāo)）從4 392 萬(wàn)t 降低至4 368 萬(wàn)t。 該項(xiàng)目計(jì)劃目標(biāo)是優(yōu)化甘肅電網(wǎng)調(diào)峰能力，同時(shí)促進(jìn)新能源發(fā)展，借此保障電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。 因此在建設(shè)中，黃龍抽水蓄能電站裝機(jī)規(guī)模越大越有利。

4.2 地形地質(zhì)條件

4.2.1 上水庫(kù)

上水庫(kù)位置特殊，位于北嶼溝附近，同時(shí)鄰近兩流水溝上游溝段，上水庫(kù)區(qū)域整體處于低山地貌區(qū)，主要為花崗巖。 因自然條件優(yōu)越， 上水庫(kù)地形封閉條件可滿足蓄電站功能使用要求，僅局部存在滲漏問(wèn)題，基于此施工中建議進(jìn)行局部防滲處理。 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，3 個(gè)裝機(jī)容量方案所對(duì)應(yīng)的最低蓄水位為1 893 m，最高蓄水位1 897 m，中間水位差較大，除此之外，各比較方案地形等條件大致相同。

4.2.2 下水庫(kù)

下水庫(kù)位于廟坪溝上游，該水庫(kù)兩側(cè)山體雄厚，自然條件優(yōu)越。 庫(kù)岸由基巖構(gòu)成，并有小沖溝發(fā)育，溝谷內(nèi)岸坡整體穩(wěn)定，地下水位普遍高，存在繞壩滲漏問(wèn)題。 為此，需進(jìn)行必要的防滲。 施工中要借助錨噴加固措施，解決局部可能形成的滑塌問(wèn)題。 分析可知，上下水庫(kù)地質(zhì)條件均較理想，但下水庫(kù)是重要考慮因素，上水庫(kù)對(duì)裝機(jī)容量選擇的限制較小。

4.3 樞紐布置規(guī)劃

結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)可知， 黃龍抽水蓄能電站在進(jìn)行裝機(jī)容量選擇時(shí)，下水庫(kù)的地形條件需重點(diǎn)考慮，這是制約裝機(jī)容量擴(kuò)展的核心要素之一，不容忽視。 下水庫(kù)位于廟坪溝，該區(qū)域地形狹窄，再加上水庫(kù)自然邊坡較陡，造成庫(kù)容擴(kuò)展條件較差，不得不慎重考慮。 下水庫(kù)的下游壩腳設(shè)置需考慮綜合因素，受臨近330 kV 高壓線等限制，壩腳無(wú)法延伸（再繼續(xù)向下游發(fā)展），壩軸線已處在極限位置。 隨著裝機(jī)容量增加，在考慮挖料平衡的基礎(chǔ)上，水庫(kù)特征水位需抬高，工程投資也將增加。

與210 萬(wàn)kW 方案相比， 當(dāng)該蓄電站裝機(jī)容量選定為240萬(wàn)kW 時(shí)，需提高下水庫(kù)毛開(kāi)挖填筑比，將其變?yōu)?.0。 此時(shí)，開(kāi)挖料棄方量巨大，因場(chǎng)地局限無(wú)法就地平衡，因此，尋找渣場(chǎng)處理?xiàng)壛鲜鞘滓ぷ鳌?高開(kāi)挖量也會(huì)造成較大的邊坡支護(hù)工程量，使投資進(jìn)一步增加，也加大了工程風(fēng)險(xiǎn)。 因此，該抽水蓄能電站最佳、最可行的裝機(jī)規(guī)模需控制在210 萬(wàn)kW。

4.4 經(jīng)濟(jì)性

研究發(fā)現(xiàn)，黃龍蓄能電站在建設(shè)時(shí)選擇的裝機(jī)容量不同，實(shí)際造價(jià)費(fèi)用也不同，180 萬(wàn)kW、210 萬(wàn)kW、240 萬(wàn)kW 裝機(jī)容量，所對(duì)應(yīng)的費(fèi)用分別為153.1 億元、131.1 億元及127.7 億元。由此可以看出，隨著裝機(jī)容量增大，其現(xiàn)值逐漸減小。 總體來(lái)看，210 萬(wàn)kW 與240 萬(wàn)kW 裝機(jī)容量方案基本相似。

綜上所述，從地質(zhì)條件、電力系統(tǒng)需求等不同維度進(jìn)行分析，裝機(jī)容量210 萬(wàn)kW 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案較優(yōu)。 除此之外，從經(jīng)濟(jì)性看，210 萬(wàn)kW、240 萬(wàn)kW 方案差異較小。 綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇210 萬(wàn)kW 裝機(jī)容量最為可行，可保障黃龍蓄能電站最佳的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。 各裝機(jī)容量方案比較情況見(jiàn)表1、表2。

表1 各裝機(jī)容量投資和工程量比較情況

表2 各裝機(jī)容量實(shí)現(xiàn)的技術(shù)條件比較情況

4.5 機(jī)組臺(tái)數(shù)初擬

機(jī)組臺(tái)數(shù)的選擇至關(guān)重要， 與電站裝機(jī)容量有著密切關(guān)系。 在項(xiàng)目規(guī)劃階段需重點(diǎn)評(píng)估黃龍抽水蓄能電站的建設(shè)能力，參考其初擬裝機(jī)容量。 研究發(fā)現(xiàn)，如果選用180 萬(wàn)kW 的裝機(jī)容量，初擬機(jī)組臺(tái)數(shù)6 臺(tái)是比較理想的配套方案；如果初選方案是210 萬(wàn)kW，可擬6 臺(tái)、8 臺(tái)進(jìn)行適配，通過(guò)兩個(gè)比選方案得出最佳的機(jī)組臺(tái)數(shù)。 通過(guò)上文分析可知，黃龍抽水蓄能電站在3 套裝機(jī)容量方案中，選定210 萬(wàn)kW 作為最終方案，故可結(jié)合單機(jī)容量情況初選6 臺(tái)35 萬(wàn)kW 的配套可逆式水泵水輪機(jī)組，確保日常供電。

4.6 額定水頭初擬

在完成上述工作外，還需進(jìn)行額定水頭初擬。 根據(jù)機(jī)組穩(wěn)定要求，需準(zhǔn)確選擇額定水頭。 水輪機(jī)額定水頭（Hr）應(yīng)用原則上應(yīng)大于或等于最大水頭， 基于此， 本項(xiàng)目額定水頭應(yīng)在585 m 以上。

明確額定水頭范疇后，參考NB/T 10072—2018《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》的內(nèi)容，科學(xué)評(píng)估水頭/ 揚(yáng)程變幅及穩(wěn)定性等因素。 針對(duì)水頭變幅較大且情況不穩(wěn)的抽水蓄能電站需要結(jié)合實(shí)際調(diào)整額定水頭，為保障工作效果，額定水頭這一重要參數(shù)不可小于算術(shù)平均水頭。 結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)可知，電站最大揚(yáng)程（科學(xué)參數(shù)）與最小水頭的比值在理想范圍內(nèi)，為1.13，符合額定水頭選擇要求。 NB/T 10072—2018 《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中電站水頭特征系數(shù)K與額定水頭有一定關(guān)系，用公式表示為：

式中，P1為機(jī)組額定水頭與電站最小水頭之差；P2為機(jī)組最大水頭與電站最小水頭之差。 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)已建蓄能電站（純抽水蓄能電站）K的參數(shù)范圍為0.2～0.5。基于此，結(jié)合黃龍電站初擬額定水頭及特征系數(shù)K=0.486，可得出電站額定水頭為637 m。 電站特征水頭（揚(yáng)程），詳情見(jiàn)表3。

表3 電站特征水頭m

5 結(jié)論

綜上所述，純抽水蓄能電站不同于混合型抽水蓄能電站，在電站建設(shè)期間，對(duì)裝機(jī)容量要求較高，理想的裝機(jī)容量可保障電站的運(yùn)行效率，消除電站供配電隱患。 本文以黃龍抽水蓄能水電站為例，對(duì)電站設(shè)備選型、參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行探討，并從轉(zhuǎn)換效率、可靠性等角度出發(fā)，優(yōu)選裝機(jī)容量方案。 通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，電站選擇210 萬(wàn)kW 裝機(jī)容量配合6 臺(tái)、8 臺(tái)機(jī)組，且額定水頭設(shè)計(jì)為637 m 的方案較優(yōu)， 并可用于指導(dǎo)黃龍電站的后續(xù)運(yùn)行，保障電站的運(yùn)行質(zhì)量。