中國常規水電與抽水蓄能技術創新與發展

張宗亮，劉 彪，王富強，喻葭臨，嚴 磊

(1.水電水利規劃設計總院，北京 100120；2.清華大學水利水電工程系，北京 100084；3.中國電力建設集團，北京 100048)

0 引 言

氣候變化是全球共同面臨的挑戰，中國積極履行大國責任，以習近平同志為核心的黨中央作出了“中國2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和”的莊嚴承諾。當前，中國正在進行一場深刻的能源革命，著力構建清潔低碳、安全高效的新型能源體系。電力行業是中國碳減排的“主戰場”，電源結構清潔化轉型是關鍵[1-2]。

中國水、風、光等可再生能源資源豐富，發展清潔能源，加快構建新型能源體系，是實現雙碳目標、應對氣候變化的重要途徑。在新型能源體系中，常規水電的電量和容量支撐作用凸顯，“水風光一體化”也為水電提供了新機遇。此外，在諸多調節電源和儲能品種之中，抽水蓄能技術成熟，規模大，壽命期長，綠色環保。新型電力系統調節電源和儲能主要依靠抽水蓄能。

本文系統總結了我國常規水電和抽水蓄能技術的發展歷程與成就，包括資源總量、開發階段和開發現狀等；介紹了常規水電工程和抽水蓄能電站的關鍵技術進展；系統闡述了我國常規水電工程和抽水蓄能電站在“雙碳”目標和構建新型能源體系背景下的發展機遇、新定位與新使命。

1 發展歷程成就

1.1 常規水電

(1)資源總量。我國水力資源技術可開發量6.87億kW[3-4]，居世界首位。西南地區技術可開發量4.76億kW，占比69.3%。長江、黃河、金沙江、雅礱江、瀾滄江等主要河流裝機規模3.75億kW，占全國總資源量的54.5%。

(2)發展階段。我國水力資源開發大致可分為4個階段：第一階段，艱苦奮斗建基業(1949年～1978年)。這一時期新安江、劉家峽等建成投產，水電裝機容量從36萬kW躍升至1 576萬kW。第二階段，改革開放謀發展(1979年～2000年)。這一時期魯布革、五朵金花建成投產，三峽開工建設，裝機容量躍居世界第一。第三階段，繼往開來展宏圖(2001年～2011年)。水電規?？焖佘S升，裝機容量穩居世界第一。第四階段，科學發展繪新篇(2012年至今)。我國水電發展實現了新跨越，截至2022年，常規水電裝機規模已突破4億kW大關。

(3)開發現狀。目前，我國常規水電技術開發程度超過58%，截至2022年底，已建裝機規模3.68億kW，在建規模約2700萬kW。現已擘畫十四大水電基地發展藍圖，除雅江和怒江外，其余十二大水電基地基本建成。

1.2 抽水蓄能

(1)資源總量。我國抽水蓄能站點資源豐富，數量達1 500余座，總裝機規模達16億kW。從地域分布來看，南方、西北、華中、華東等區域分布相對較多。至2022年底，已納入《抽水蓄能中長期發展規劃》的站點資源總量約8.23億kW，其中1.67億kW已經實施；重點實施項目共計4.21億kW，規劃儲備項目共計3.03億kW[3-4]。

(2)發展階段。我國抽水蓄能發展主要經歷5個階段。1968年，以河北崗南混蓄投運為標志拉開序幕，隨后歷經探索發展期、完善發展期和蓬勃發展期，至2020年底，在運、在建規模均居世界第一。2021年《抽水蓄能中長期發展規劃》印發實施，進入新發展期。

(3)開發現狀。十四五期間，我國抽水蓄能電站項目已核準9 399萬kW。截至2022年底，我國投產在運裝機規模達到4 579萬kW，同比增長25.8%，在建總裝機規模為1.21億kW。2022年，新投產裝機規模880萬kW，核準項目48個，核準總裝機規模6 890萬kW。歷經50多年的探索，基本形成涵蓋標準制定、規劃設計、工程建設、裝備制造、運營維護的全產業鏈發展體系和專業化發展模式。

(4)造價水平。我國抽水蓄能電站工程建設條件個體差異明顯，造價水平與工程建設條件和裝機規模密切相關。電站單位造價一般隨裝機規模增加而顯著降低。全國各區域抽水蓄能電站單位千瓦靜態投資中位數如表1所示。從表1可以看出，2022年開展前期工作的抽水蓄能電站單位千瓦靜態總投資中位數為5 756元/kW；分區域看，西北、華北區域造價最高，南方、華東區域造價最低。抽蓄電站工程造價各部分投資占比如表2所示。從表2可以看出，目前機電設備及安裝工程投資占比最高，建筑工程投資占比次之，抽水蓄能電站的投資占比前三位為：機電設備及安裝工程占26%，建筑工程占25%，建設期利息占14%。

表1 全國各區域抽水蓄能電站單位千瓦靜態投資中位數 元

表2 抽蓄電站工程造價各部分投資占比 %

(5)機組制造水平。我國抽水蓄能機組裝備制造核心技術發展實現了從“跟跑”、“并跑”到“領跑”的跨越式發展。國內現有大中型水電機組生產企業十余家。東電、哈電大型抽水蓄能機組的制造、交付、安裝服務能力領跑。上海福伊特、通用電氣(中國)和東芝水電設備(杭州)均具備大型抽水蓄能機組的設計制造能力。

2 關鍵技術

2.1 高壩工程技術

目前，我國已建成小灣、錦屏一級、糯扎渡、兩河口、白鶴灘、黃登、猴子巖等巨型水電站工程[5]，獲國家獎9項，國際里程碑工程14座，標志著我國在300 m級高混凝土拱壩、200 m級混凝土重力壩、300 m級高土心墻堆石壩、250 m級高混凝土面板堆石壩等高壩工程技術居世界領先，實現了跟跑、并跑、領跑。

(1)300 m級特高拱壩關鍵技術體系[6]。通過特高拱壩體形結構優化、高邊坡及壩基處理、混凝土溫控防裂和高拱壩抗震安全及運行安全評價等創新，現已形成300 m級特高拱壩關鍵技術體系。世界已建最高的10座混凝土拱壩中，中國占5座，見表3。

表3 世界已建最高的10座混凝土拱壩

(2)200 m級混凝土重力壩關鍵技術體系[7]。通過碾壓混凝土特性分析和制備、壩體防滲、全壩全過程智能溫控與防裂和基于BIM的精細化智能化管控等創新，現已形成200 m級混凝土重力壩關鍵技術體系。世界已建最高的10座混凝土重力壩，中國占5座，見表4。

表4 世界已建最高的10座混凝土重力壩

(3)300 m級特高心墻壩關鍵技術體系[8]。通過筑壩材料試驗與改性、設計準則及安全評價標準、施工質量數字化監控及快速檢測等創新，形成了300 m級特高心墻壩關鍵技術體系。世界已建最高的10座心墻堆石壩，中國占3座，見表5。

表5 世界已建最高的10座心墻堆石壩

(4)250 m級高面板堆石壩建設技術體系[9]。通過壩體分區準則優化、滲控設施研發和變形協調控制等創新，形成了面板堆石壩科研、設計和施工成套技術，編制了相應的設計和施工規范，構建了250 m級高面板堆石壩關鍵技術體系。世界已建最高的10座心墻堆石壩，中國占3座，見表6。

表6 世界已建最高的10座面板堆石壩

(5)堰塞壩“應急搶險—后續處置—開發利用”一體化技術體系[10]。通過堰塞湖風險評估與應急搶險、安全評估與處置、改良加固施工專用技術、材料與裝備等創新，首創堰塞壩“應急搶險—后續處置—開發利用”一體化技術體系，并應用于裝機20.1萬kW、壩高103 m的紅石巖堰塞壩水利樞紐工程。

2.2 地下工程技術

我國水利水電地下工程核心技術主要包括以下2個方面[11]：

(1)超深埋特大引水隧洞發電工程關鍵技術。目前，我國已經解決水電工程的成洞理論方法、強巖爆、強突涌水、特大規模水力調控、長距離巡檢技術等世界級難題。錦屏二級水電站引水隧洞單洞長達16.7 km，洞徑14.6 m，最大埋深達2 525 m。

(2)大規模地下洞室設計施工關鍵技術。我國現已突破復雜地質條件下大跨度地下洞室開挖支護、混凝土施工等關鍵技術，并成功應用于小灣、錦屏一級、白鶴灘等水電站。其中，白鶴灘水電站地下主廠房洞室群規模目前為世界第一，單座主廠房長400余m，寬34 m，高88.7 m。

2.3 泄洪消能技術

(1)超高水頭、超大流量拱壩壩身泄洪消能技術。我國現已研發了特高拱壩“壩身多層孔口、出流水舌碰撞、水墊塘消能”模式，解決了拱壩大規模壩身泄洪消能問題。在當前已建或在建的水電工程中，溪洛渡水電站最大泄流量為52 300 m3/s，最大落差達197.5 m，最大泄洪功率近10萬MW，最大流速約50 m/s；小灣水電站最大泄流量為20 680 m3/s，最大落差達212 m，最大泄洪功率為4.6萬MW，最大流速約52 m/s；白鶴灘水電站最大泄流量為42 358 m3/s，最大落差約200 m，最大泄洪功率為9萬MW，最大流速50 m/s。

(2)超大規模土石壩岸邊式溢洪道關鍵技術。目前，我國已形成泄槽底板摻氣、消力池“護岸不護底”、大尺寸閘門設計制造安裝、泄洪霧化調控等關鍵技術體系，解決了岸邊溢洪道泄洪安全問題。糯扎渡水電站岸邊溢洪道最大泄流量為31 318 m3/s，最大泄洪功率為5.6萬MW，最大流速約52 m/s；水布埡水電站岸邊溢洪道最大泄流量為18 320 m3/s，最大泄洪功率為3.1萬MW。

此外，我國還成功研發并應用了重力壩多股多層跌坎底流消能技術，能夠大幅降低重力壩下游消力池臨底流速和脈動壓力，解決了消力池底板破壞問題，在向家壩水電站得以應用，泄洪量達49 800 m3/s，臨底流速45 m/s。研發并應用了高水頭、大流量豎井旋流泄洪消能技術，在高山峽谷地區避免了大規模岸邊溢洪道開挖，使泄洪洞與導流洞結合更易布置，雙江口水電站的豎井旋流泄量達1 200 m3/s，豎井段落差為167 m。

2.4 邊坡工程技術

我國現已構建700 m級特高工程邊坡開挖支護及安全評價體系，形成了高邊坡設計施工關鍵技術。白鶴灘和小灣水電工程的高陡邊坡均為700 m級。

2.5 施工技術與裝備

(1)大壩智能建設。我國水利水電工程建設實現了碾壓機群在壩體填筑施工中無人值守、實時監控的高質高效管理，是大規模填筑智能建設的典范[12-13]。

(2)超深基礎處理技術與施工裝備。在基礎處理技術與施工裝備方面，主要包括以下3項技術：①200 m級覆蓋層防滲墻施工技術，已建的西藏旁多瀝青混凝土心墻沙礫石壩壩址防滲墻達158 m，在建的新疆大河沿瀝青混凝土心墻壩防滲墻達186 m。②振沖碎石樁基礎加固技術，目前試樁深度達90 m，金沙江上游拉哇水電站圍堰基礎系統加固深度已達72 m。③高水頭、動水條件下150 m深厚覆蓋層鉆孔灌漿成套技術，并成功應用于瀘定大壩基礎帷幕灌漿加固工程。

(3)大壩混凝土智能溫控和智能灌漿裝備。現已研發前端快速感知、全周期全域實時分析、全過程精確控制的智能溫控技術裝備，實現自動溫控到智能溫控的轉變；研發了全自動控制智能灌漿系統[14]。

2.6 機電設備制造與安裝技術

(1)水輪發電機組設計制造。在水輪發電機組設計制造方面，實現了百萬千瓦水輪發電機組設計制造，單機容量世界第一。

(2)抽水蓄能機組設計制造。歷經依賴進口、技術引進、消化吸收、自主創新4個階段，研發了涵蓋400 MW超大容量抽水蓄能機組，800 m級超高水頭、高轉速、大容量機組和交流勵磁變速機組的設計、制造、安裝和調試成套關鍵技術。

2.7 抽水蓄能建設關鍵技術

抽水蓄能電站相關關鍵技術主要包括以下幾點：

(1)創新研發了抽水蓄能智慧化規劃成套技術，包括基于智能空間分析的自動選址、新型電力系統運行模擬、“風光水火儲”多能互補一體化規劃等方面，實現科學高效布局，切實發揮規劃引領作用。

(2)針對水庫地形不整齊、巖體風化深厚、巖性復雜、陡斜坡河谷等復雜地形地質條件，研發了精細定制化筑壩成庫成套關鍵技術，包括就地取材混合料筑壩、陡縱坡溝谷地基筑壩、土石壩壩身泄洪、小流量泄放控制等。目前，我國現已建成的抽水蓄能電站最高混凝土面板壩為溧陽抽水蓄能電站上水庫大壩，壩高165 m；我國現已建成的抽水蓄能電站最高瀝青混凝土面板壩為西龍池抽水蓄能電站下水庫大壩，壩高97.4 m；我國現已建成的抽水蓄能電站最高碾壓混凝土第一高壩為西龍池抽水蓄能電站下水庫大壩，壩高108 m。

(3)針對上庫位于高山之巔、地下水位低、巖體透水性強等地形地質特點，庫盆防滲問題突出，研發了庫盆防滲成套關鍵技術，包括深厚回填庫盆防滲、不同表面防滲結構連接、惡劣氣候防滲板耐久性定量設計等。

(4)針對破碎、軟弱、巖溶等復雜地質條件，研發了大型地下廠房洞室群成套關鍵建設技術，包括預固結灌漿加固、頂拱柔性“板”支護體系、高邊墻錨貼固壁墻組合支護體系、巖溶地區的防護穿越、跨越等。豐寧抽水蓄能電站地下廠房單體總長達414 m，高度達54.5 m，跨度達25 m。

(5)針對雙向水流、水力過渡過程復雜、壓力管道水頭高和圍巖軟弱破碎等難點，研發了高壓輸水管道設計及制造成套關鍵技術，包括大HD值高壓隧洞設計施工、大HD值壓力鋼管設計建造、復雜流道調節保證設計、復雜條件進/出水口體形設計等。長龍山抽水蓄能電站額定水頭710 m，發電最高水頭達756 m，是目前世界上已建抽水蓄能電站的最高發電水頭；長龍山抽水蓄能電站的高壓岔管水壓試驗中，HD值達到4 800，也為目前世界第一。

(6)針對電站地下洞室數量多、規模大，施工難度大、工期長，勞動力缺口大、成本高等難題，研發了快速施工成套關鍵技術，包括TBM施工、礦山正井法施工、反井鉆施工、智慧工地、智能建造等。

2.8 工程安全

(1)現已構建全國流域水電應急大數據平臺，顯著提升流域水電應急管理在監測預警、應急處置、災損分析等方面的能力和水平。

(2)研發了高壩大庫聯合調度控制技術，提高流域的發電量，為電力保供作出重要貢獻；并且提升了流域防洪抗旱能力，降低了洪澇和水旱災害的損失。

2.9 數字化技術

數字化轉型是必然趨勢，我國水利水電行業充分融入現代信息技術，大力推進數字化轉型實踐，實現了從工程數字化到全面數字化的轉變，正在向智能建設和智慧工程邁進。

(1)數字化基礎能力。目前，我國水電行業已經建立了一系列數字化標準體系，包括《水電工程信息模型設計交付規范》《水利水電工程信息模型分類和編碼標準》《水利水電工程設計信息模型交付標準》《水利水電工程信息模型存儲標準》《水利水電工程信息模型設計應用標準》等。此外，中華人民共和國水利部和國家能源局分別修訂了“工程可行性研究報告編制規程”，增補工程信息化數字化篇章，實現了水利水電工程數字化頂層設計和有序發展。

(2)數字化設計。為了提高水利水電工程的設計效率和質量，水利水電工程參建各方單位在實踐中不斷創新工程設計理論和技術，研發了三維設計、協同設計平臺，如：水利水電工程全生命周期HydroBIM[15]管控平臺、糯扎渡水電站BIM模型、白鶴灘水電站BIM模型、豐寧抽水蓄能電站BIM模型等，實現了工程數字化、協同化設計。

(3)智能化建設。為實現機械化智能化施工，推進水利水電工程建設提質、降本、增效，水利水電工程參建各方單位逐步構建了工程智能化建設技術體系，包括智能碾壓、智能澆筑、智能溫控、智能灌漿等技術、裝備與管控平臺等，如：數字黃登大壩施工管理信息化系統、溪洛渡數字大壩管理系統、葉巴灘智能建設管理平臺、楊房溝設計施工BIM管理系統等。

(4)智慧化運營。為推進工程和流域安全運行的精細管理和精準決策，水利水電工程參建各方單位逐步建立集監測預警、綜合調度、安全評價與輔助決策于一體的智慧化運營技術體系，研發了系列智慧化運營平臺，如：瀾滄江大壩安全監控平臺、瀾滄江數字流域綜合管理平臺、錢塘江數字孿生流域防洪建在管理平臺等。

3 發展機遇

黨的二十大報告明確提出，加快規劃建設新型能源體系，可再生能源發展機遇前所未有，將迎來大規模、高比例、市場化和高質量發展。

對于常規水電而言，“雙碳”目標注入了新動能，水電電量和容量支撐作用凸顯；“水風光一體化”是可再生能源重要創新發展方向，也為水電提供新機遇；實施大規模水電工程開發為行業發展提供新引擎。

對于抽水蓄能電站而言，為解決風電、光伏發電等新能源的間歇性、波動性和分散性問題，電力系統對調節電源的需求更加迫切。在諸多調節電源和儲能品種之中，抽水蓄能技術最成熟，且規模大，壽命期長，綠色環保。電力系統調節電源和儲能主要依靠抽水蓄能。此外，抽水蓄能電站也是推動地方經濟發展和促進鄉村振興的重要手段。因此，抽水蓄能發展迎來重大機遇。

4 新定位與新使命

4.1 新定位

常規水利水電工程的定位由傳統的“電量供應為主”向“電量供應與靈活調節并重”轉變，一方面提供大量清潔電量，助力節能減排；另一方面發揮靈活調節和長時儲能作用，支撐新能源大規模接入和高效消納。

抽水蓄能電站的定位由傳統“保障電網安全穩定運行”向“能源電力、經濟社會多領域綜合效益發揮”轉變。抽水蓄能電站對于支撐新型電力系統建設、流域“水風光儲”一體化清潔能源基地和“沙戈荒”風光蓄大型基地、規?；瓌咏洕l展和促進鄉村振興等方面發揮著重要作用。

4.2 發展新思路及攻關任務

4.2.1 常規水利水電工程

對于常規水利水電工程而言，未來的發展新思路重點為以下3點：

(1)做大增量，積極推動流域龍頭水庫和戰略性工程建設?！褒堫^水庫”能夠提升流域梯級電站和水庫發電、防洪、供水等綜合效益。應積極推動大型骨干工程前期工作，完善大型水電基地，推動流域整體效益盡早發揮。此外，還應積極推進雅魯藏布江下游水電開發。

(2)用好存量，統籌考慮水文、地質條件、水利動能、上下游梯級流量匹配等因素，進行梯級水電擴機，以及機組增容改造；結合外部需求和自身建設條件，研究增設可逆式水輪發電機組，建設混合式抽水蓄能電站；在確保工程安全的前提下，考慮既有工程承擔任務，結合新形勢需要，增加壩高、調整特征水位等方式，增加水庫調節庫容。

(3)創新發展，依托水電靈活調節能力，推動“水風光儲”一體化綜合開發。利用水風光電源出力特性互補和經濟優勢互補，實現水電、新能源、輸電通道“1+1+1>3”。目前，多個流域正按照最大化開發流域風電、光伏的原則，優化水風光組合運行方式，規劃一體化綜合開發基地。其中，雅礱江流域水風光一體化綜合規劃已獲批復。

未來水利水電工程建設具有“五高”(高寒、高海拔、高地應力、高地震烈度、高水頭)，“四大”(大埋深、大落差、大保護、大溫差)，“三長”(長冬歇、長隧洞、長周期)等特點。常規水利水電工程建設應重點攻關深厚覆蓋層勘察與基礎處理關鍵技術、深厚覆蓋層筑壩理論與關鍵技術、大規模地下輸水發電工程設計理論和方法、水電工程綠色智能建造技術與裝備研發、水電工程群智慧運營技術與裝備研發等。此外，針對流域“水風光儲”和“沙戈荒”風光蓄基地開發的規劃設計和運行調度需求，還需重點研究流域梯級水風光儲一體化典型模式、水風光儲多能互補容量配置和優化技術等。

4.2.2 抽水蓄能

大力發展抽水蓄能電站，未來需要大幅提升建設和投產規模，實現更加廣泛場景應用，推動形成多元化發展格局，建設更加完善產業體系。在特殊場景地區，需要創新發展新型特殊抽水蓄能形式，包括因地制宜開展中小抽水蓄能建設、探索與分布式發電等結合的小微型抽水蓄能技術與示范、依托常規水電站建設混合式抽水蓄能、探索海水抽水蓄能技術與示范、探索推進水電梯級融合改造、探索結合礦坑治理建設抽水蓄能電站和開展水氣耦合抽水蓄能技術研究等。

在設計建造方面，工程設計在惡劣環境下水庫庫盆防滲、大壩變形穩定、高壓水道襯砌、洞室圍巖穩定、廠房結構振動、生態環境保護等方面進一步開展攻關。工程施工在復雜地質條件、高水頭、深埋隧洞、大斷面豎井、斜井以及大跨度高邊墻地下廠房等方面進一步開展攻關，持續推進少人化、機械化、智能化、標準化施工。工程投資針對建設過程涉及面廣，一次性投資大，建設周期長、風險因素多等挑戰。在壓縮建設周期、投資風險防控和優化工程造價等方面進一步開展攻關。

在設備制造方面，大型機組設計制造繼續朝著高水頭、大容量、高可靠性、可變速機組等方向快速發展，在運行穩定性和可靠性分析、輸水系統過渡過程分析、變速抽水蓄能機組工程應用等方面進一步集中攻關。面對抽水蓄能大規模加快發展趨勢，應該在降低大型蓄能機組生產周期和提高產能規模等方面繼續努力。

在建設管理方面，目前投資主體多元化，可能存在管理、技術和協調能力不足問題，應該加強推進勘測設計產品質量管控、建設管理規范化和安全風險防控。

4.2.3 能源數字化智能化

未來常規水利水電工程、新能源和抽水蓄能電站的能源數字化智能化發展應以實現數字驅動下的行業“投、建、營”一體化融合發展為目標，重點攻關智能傳感與智能量測技術，特種智能機器人技術，人工智能與區塊鏈技術，能源大數據與云計算技術，能源物聯網技術等基礎共性技術以及“投建營”平臺研發，水電數字化智能化技術，風電機組與風電場數字化智能化技術，光伏發電數字化智能化技術，區域綜合智慧能源關鍵技術等行業智能升級技術。

5 結 論

黨的二十大報告指出：積極穩妥推進碳達峰碳中和。實現碳達峰碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革。我們應立足我國能源資源稟賦，堅持先立后破，有計劃分步驟實施碳達峰行動。

水電、抽水蓄能和新能源融合發展是實現雙碳目標的重要途徑。新時代、新征程、新使命，水電已站在新的歷史方位，抽水蓄能行至新的戰略起點，必將擔起新的光榮使命。

水利水電工程從業者應該全面貫徹習近平新時代中國特色社會主義思想，牢記建設能源強國的重大責任和使命，踔厲奮發、勇毅前行，搶抓科技發展先機，勇攀能源科技高峰，為推動能源科技自立自強、保障國家能源安全、建設世界科技強國和能源強國作出新貢獻。