中小抽水蓄能電站廠房開發方式研究

賀元啟

（浙江省新能源投資集團股份有限公司，浙江 杭州 310020）

0 引 言

抽水蓄能電站一般由上水庫、引水系統、地下廠房、尾水系統、下水庫等組成。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》[1]，中小型抽水蓄能電站是指發電裝機容量小于300MW，其中裝機容量小于50MW 為小型抽水蓄能電站。中小型抽水蓄能電站具有站點資源豐富、布局靈活、距離負荷中心近等優勢，主要服務于周邊地區電網，配套風、光等可再生能源調峰發電，是大型抽水蓄能電站的重要補充[2]。

截至2020 年底，我國已建中小型抽水蓄能電站裝機容量850MW，總體規模不大。其中浙江溪口抽水蓄能電站裝機80MW[3]和江蘇沙河抽水蓄能電站裝機100MW[4]。根據《浙江省抽水蓄能中長期發展規劃》，浙江省規劃4 座中小型抽蓄站點，總容量800MW。

在地形、地質條件許可的情況下，大型抽水蓄能電站通常優先采用地下式廠房[5-6]。大型地下廠房結構布置當前日趨成熟，并已形成標準設計，例如國家電網公司制定了《抽水蓄能電站工程通用設計地下廠房布置分冊》[7]。中小型抽水蓄能電站地下洞室群施工條件復雜、技術難度高，開發經驗欠缺，大部分項目沿用大型抽水蓄能電站地下室廠房技術，造成經濟性差、工期長。

中小型抽水蓄能電站影響區域較小，選址布置靈活，接入系統便利；淹沒損失較少，生態環境友好。但由于功能作用受限，單位投資較高，收益模式單一[5,8]。中小型抽水蓄能電站采用半地下廠房設計，可規避地下洞室群施工，簡化施工，縮短建設周期。因此中小型抽水蓄能電站宜優先采用半地下廠房開發方式。

浙江省內主要河流上中游大多流經丘陵山區，河床坡度大，蘊藏著巨大的水力動能，特別廣大山區河流具備水頭高、輸水道短、淹沒損失少等優點。“十四五”期間，浙江實施風光倍增計劃，預計省內新能源裝機將達到4000 萬千瓦，亟待增加電網調節資源，以應對新能源的不穩定性。此外，浙江外來受電規模不斷擴大，為應對外來電的不確定性，也需要增加調節資源，提升系統調節能力。

本文結合浙江某縣中小抽水蓄能電站選址規劃，篩選適合半地下廠房開發方式的站點，開展設計方案論證。

1 中小抽水蓄能電站選址

1.1 選址主要影響因素

中小型抽水蓄能電站一般具有站點資源豐富、布局靈活、距離負荷中心近、與分布式能源結合緊密等優勢，是抽水蓄能開發的重要補充[4,8,9]。需從以下方面篩選浙江某縣適合建設中小型抽水蓄能電站的站址。

1)可再生能源調峰需求

考慮周邊地區電網的調峰問題和電網安全問題。浙江縣級區域內光伏、風電等可再生能源裝機規模一般為50～300MW，所在區域內可再生能源調峰一般需求小于300MW[10]。

2)地理位置及地質條件

有合適的地形建造上、下水庫，能避開具有重大工程地質風險，并且靠近負荷中心、樞紐變電站或大型抽水動力源。中型抽水蓄能機組，上、下水庫高程差一般要求200～400m 之間，引水道水平長度與平均毛水頭之比（即距高比）控制在10 以下。

3)環境影響

盡可能減少淹沒損失，避開人口密集區域、耕地集中區、軍事設施、風景名勝區、自然保護區、水源保護區、森林公園、地質公園等環境影響敏感區域，避開生態保護紅線區域。

1.2 浙江省某縣中小抽水蓄能電站站址分析

結合浙江省某縣可再生能源規模、地理及地質條件以及環境影響等因素，在浙江某縣內篩選出6 個中小型抽水蓄能電站站址，見表1 所示。

表1 浙江某縣中小抽蓄潛在站址比較表

通過地形地質條件、水能參數、征遷及其他綜合條件比選：1）Z 站址最大水頭高于540m，水頭偏高不利于機組選型； 2）Q 站址距高比大，引水系統投入大；3）G 站址水頭低、距高比大，綜合指標較差；4）J 站址指標尚可，但進一步調查涉及永久基本農田，有制約因素。5）Y 站址水頭適中，各方面條件相對較好。推薦Y 站址作為該縣優先開發的中型抽水蓄能電站站址。

2 Y 抽水蓄能電站總體開發方案

Y 抽水蓄能電站位于杭州市郊縣，距杭州市區的直線距離約90km，電站接入系統便利，受、送電條件良好。電站建成后主要承擔杭州地區電網的調峰、填谷、調頻、調相和備用等任務。

Y 抽水蓄能電站設計為日調節式抽水蓄能電站，裝機容量298MW。電站主要建筑物包括新建上下水庫、引水系統和地下式廠房及附屬建筑物等。

上水庫利用溝谷筑壩形成水庫，水庫正常蓄水位548m，調節庫容237 萬m3。下水庫于X 溪干流筑壩，水庫正常蓄水位200m，調節庫容234萬m3。輸水系統水平投影總長度2186m，電站平均毛水頭347m，輸水系統距高比（L/H）約為6.3，發電工況設計引用流量為102m3/s。地下廠房采用尾部半地下廠房豎井式結構，電站廠址位于下水庫庫址下游，升壓站布置于地面廠房頂部。

下水庫壩址有抵達壩址附近的現成公路，上水庫需新建連接公路。上下水庫庫盆或周邊均可布置施工場地，施工條件良好。工程建設征地影響涉及各類土地約1460 畝。建設征地影響不涉及移民，不對工程建設產生制約。Y 站址不涉及自然保護區、風景名勝區、飲用水水源保護區、森林公園、地質公園等環境敏感區及生態保護紅線區。從環境保護角度分析，工程建設環境可行。工程建設不存在重大水土保持制約性因素。

3 Y 抽水蓄能電站樞紐布置

Y 抽水蓄能電站樞紐主要建筑物包括上水庫、下水庫、輸水系統和半地下廠房，Y 抽水蓄能電站樞紐布置圖1 所示。

圖1 Y 抽水蓄能電站樞紐布置圖

上水庫攔河壩采用混凝土面板堆石壩。壩頂高程552m，壩高87m，壩長232m，壩頂寬度為8m。為滿足調節庫容的需求，在上游挖庫庫容約74 萬m3。

下水庫攔河壩亦采用混凝土面板堆石壩。壩頂高程205m，壩高48m，壩長113m，壩頂寬度為8m。為滿足調節庫容的需求，在上游右岸挖庫庫容約22 萬m3。

輸水系統位于上、下庫之間的山體內，主要建筑物包括上水庫進/出水口、引水上平洞、引水調壓井、引水斜井、引水下平洞（壓力管道）、引水岔管、引水鋼支管、尾水隧洞、下水庫進/出水口等。引水系統采用“一洞兩機”型式，尾水系統采用“兩機兩洞”型式[11-13]。

廠房采用尾部半地下主廠房豎井式結構，主廠房位于下庫庫址下游，引水鋼管垂直進廠，副廠房布置于主廠房下游側，升壓站布置主廠房頂部。

4 Y 抽水蓄能電站廠區布置

4.1 主副廠房結構布置

廠區建筑物主要由半地下主廠房（主機間、安裝間）、副廠房、屋頂出線場、進廠公路、排水廊道等組成。如圖2 所示，半地下主廠房的安裝間地面高程為152.00m。下游副廠房緊鄰主廠房下游側（順引水管道方向）布置，主變壓器布置在下游副廠房戶內地面層，屋頂布置出線場。廠房井外側布置2 層環向排水廊道，在上層排水廊道內設置向上的排水孔幕，在上層、下層排水廊道之間布置豎向排水幕，以排泄圍巖內入滲水。

圖2 廠房橫剖面圖

主廠房由主機間、安裝間組成，并排布置。主機間長和寬分別為89.20m 和23.50m。地面以下深度為43.0m，地面以上高度為21.50m，分2個機組段布置，每個機組段間設結構縫，主機間內共安裝2 臺單機容量為149MW 的可逆式水泵水輪機-發電電動機組，機組間距21.00m。主廠房內設1 臺2×150t 雙小車橋機，跨度20.5m，軌頂高程162.85m。

主機間共分五層，分別為發電機層、中間層、水輪機層、蝸殼層、尾水管層。發電機層高程為132.30m，布置勵磁變、機組控制盤等；水輪機層高程為122.70m，主要布置進水閥油壓裝置、調速器、壓水氣罐等；蝸殼層高程為114.70m，布置球閥和技術供水設備；尾水管底板層高程為109.0m；1#、2#機組段設樓梯可貫通上下各層。

副廠房緊鄰主廠房下游側布置，長、寬和高分別為89.20m、16.50m 和47.40m，地下4 層，深度為25.90m，地上2 層，高度為21.50m，主變層與廠區地面同高，底層底板與發電機層同高。下游副廠房內設有2 部消防電梯和2 部封閉樓梯，用于下游副廠房內垂直交通。

副廠房最底層（地下第四層）為電氣制動及輔助變壓器室層，地面高程為127.45m；地下第三層為機組及換向開關設備室層，地面高程為132.30m；地下第二層為SFC 裝置室層，地面高程為138.50m；地下第一層為10kV 開關柜室層，地面高程為144.70m。地面第一層與廠內安裝間地面同高，高程為152.0m，主要布置主變壓器等設備，各主變之間設防火墻分隔；地面第二層地面高程為161.0m，主要布置GIS 等電氣設備；下游副廠房屋面高程為173.50m，布置開關站出線架等設備。

4.2 排水系統、開關站及其他附屬結構

廠房排水系統設計遵循“高水自流、低水抽排、以排為主、堵排結合”的設計原則，環繞主廠房井周邊設有2 層排水廊道，排水廊道采用3×3m 城門洞型。在上層排水廊道、上層、下層排水廊道之間均設置豎向排水孔幕，以排泄圍巖內入滲水體。上層排水廊道設置與主機間發電機層機下游副廠房底層相連通的廊道，下層排水廊道設置與主機間尾水管層相連通的廊道。同時，下游側排水廊道布置防滲灌漿帷幕與尾水隧洞的灌漿帷幕銜接。由于本工程機組安裝高程較低，不具備設置全自流排水洞的地形條件，廠房排水采用抽排的形式。上層、下層排水廊道截流的入滲水體及廠房內的滲、漏水最終逐層匯至下層廊道，經下層排水廊道進入滲漏集水井（滲漏集水井設置于安裝場下方），再采用水泵抽排的方式排至廠房下游河道內。

開關站設于副廠房屋頂，開關站尺寸89.2×16.5m。

根據本工程地質條件，初選半地下廠房基坑邊墻采用系統錨桿和噴混凝土相結合的柔性支護型式。主要邊墻支護以系統支護為主，隨機支護為輔，并對局部穩定性差部位進行加強支護。

5 結論

采用半地下廠房（豎井）開發布置方式規避了常規地下洞室群，如主廠房洞、主變洞、交通洞、通風洞、安全洞、出線洞等，簡化了樞紐布置，投資和施工工期均可以有明顯降低或縮短。經測算，本案例Y 抽水蓄能電站工程靜態總投資為184051 萬元，單位靜態投資為6176 元/kW，總工期36 個月，投資和工期均小于常規地下廠房布置方式的中小型抽水蓄能電站。

(1)半地下廠房需要關注以下幾個關鍵技術問題：一是廠房防洪問題。區別于地下廠房，由于廠房布置至地面，需要考慮廠區特別是主副廠房防洪問題、度汛問題。二是廠房地質與基坑支護問題。廠房豎井為深基坑，廠房選址需要規避不利地質條件，同時基坑開挖需要一定支護以策安全。三是廠房開發方式對引水系統的影響問題。由于半地下廠房采用尾部開發方式，較地下廠房開發方式，廠房上游引水系統埋深往往較淺，意味著需要鋼襯的引水隧洞長度會有增加，岔管布置也較為復雜。

(2)適合布置半地下（豎井）或地面廠房的站址主要有以下特征條件：一是下水庫壩后有條件布置豎井或地面廠房，同時引水系統布置總體合理，投入并沒有增加很多。二是吸出高度總體合適，機組安裝高程與廠房地面高差不致過大。

(3)中小型抽水蓄能電站應本著因地制宜、經濟實用原則開發。中小型抽水蓄能電站不同于大型抽水蓄能電站，應選擇有利地形，優先采用半地下廠房（豎井）或地面廠房開發布置方式。