論常蓄混合式水電站

劉 恒，賀雨陽，劉新鵬

（1.新疆水利發展投資（集團）有限公司，新疆 烏魯木齊 832000；2.天津市熱力有限公司，天津 300070）

新疆電力系統是以火電為主的電源結構，火電裝機容量嚴重過剩，環境壓力大；新疆的風電、光電發展很快，存在棄風、棄光，風電、光電消納困難，發展受阻的問題。天山北坡的河流都是典型的內陸季節性山溪性小河流，按常規水電站型式開發水電資源，都是中、小型水電站，而且多是小型水電站，對滿足當前和將來大容量能源電力需求作用不大，對大規模區域電網調峰、能源革命、生態文明建設起不到重要作用。天山北坡由于當地資源特性，造成火電規模大，重化工產業密集，區域性環境污染問題嚴重，天山北坡實現碳達峰和碳中和難度很大。如果按照常蓄混合式水電站型式開發天山北坡眾多山溪性河流的水電資源，可以降低抽水蓄能產業供給成本，對天山北坡電力系統優化電源結構、優化用電結構，穩定強化電網、平抑峰谷差，消納風、光清潔能源、促進疆電高效率、高質量外送，促進新疆碳達峰和碳中和，推動以電力為核心的能源體系實現多種能源的高效轉化和利用，建設區域性新型電力系統“源網荷儲”綜合樞紐平臺發揮更加重要的關鍵性作用。

1 常蓄混合式水電站及裝機容量、蓄能庫容的確定

1.1 常蓄混合式水電站

在進行河流水電規劃設計、開發時，或者老水庫電站除險加固、增容改造時，充分利用水力發電水體的帶能作用及其可逆性，將梯級水電站上下游兩個水庫用壓力隧洞連接起來，利用部分庫容作為抽水蓄能[1]日循環庫容，在保持原有水庫調節功能、常規水力發電機組工作容量規模的基礎上融合抽水蓄能擴大裝機容量，將部分機組設計成可逆式抽水蓄能機組，這樣的水庫電站可以充分利用自身水能條件增加裝機規模，同時具有更大規模的常規水電站和純抽水蓄能電站的全部功能。根據“源網荷儲”各方面安全生產的需要適時適量及時轉變角色，準確靈活的進行常規水力發電和抽水蓄能發電，從而保障電力系統電量容量的動態平衡、安全穩定運行。這樣就形成了常規水電站與抽水蓄能電站為一體的混合式水電站，簡稱常蓄混合式水電站。這種水電站在理論界被稱作混合式抽水蓄能電站，由于是在常規水庫電站基礎上拓展水力發電可逆性利用功能，常規水庫電站原有的正向調蓄供水發電作用是主要基礎功能，抽水蓄能逆向供水作用和填谷削峰電量容量轉化保障作用是重要拓展功能，可以成為新水電開發、老水庫電站改造主要開發運用模式，通過廣泛的大規模運用，在新時代為實現碳達峰和碳中和、促進能源革命發揮關鍵性作用，故稱常蓄混合式水電站。常蓄混合式水電站主機設備由常規水輪發電機組和抽水蓄能可逆式水泵水輪機電動發電機組組成，年發電量由常規徑流發電電量和抽水蓄能轉換發電電量兩部分組成，豐水期一般以常規泄洪發電為主，枯水期一般以蓄能轉換電能發電為主。由于利用了已有的上游、下游水庫，只是增加了裝機容量，有些電站距高比雖然較大，工程造價投資增加不多，而發電量和容量效益可以大幅度提高。常蓄混合式水電站匯集了常規水電站和純抽水蓄能電站各自的優點，裝機容量規模主要由水頭和日調節蓄能庫容以及地形條件決定，相對受徑流量影響減小。全國聯網、電網規模的擴大，用電質量要求的提高，用電量的增大，電網用電對裝機容量規模希望越大越好，這樣工程設計更加簡便。常蓄混合式水電站裝機規模雖然增大，運行發電設備年利用小時數仍然高于同等規模的常規水電站或純抽水蓄能電站，經濟技術指標明顯優化。我國抽水蓄能事業起步，就是從投資省、方便建設的常蓄混合式水電站開始探索實踐的。我國最早投產的3 座抽水蓄能電站崗南、密云、潘家口水電站都是常蓄混合式水電站，潘家口水電站屬于大型常蓄混合式水電站、總裝機容量42 萬kW。這些水電站長期的運行實踐和經驗教訓為我國抽水蓄能技術發展積累了寶貴經驗，也充分證明了常蓄混合式水電站的優越性。

1.2 常蓄混合式水電站裝機容量、蓄能庫容的確定

常蓄混合式水電站總裝機容量=常規機組裝機容量＋抽水蓄能可逆式機組裝機容量。

常規機組裝機容量按常規水電站規劃設計的工作容量、季節容量確定規模，保持水庫原有的調節性能和發電功能[2]。老水庫電站改造只需保留原常規機組裝機容量，增加蓄能機組裝機容量即可。

蓄能機組裝機容量按照水泵運行狀態抽水所需功率確定規模，根據其設計抽水流量及日運行小時數確定蓄能庫容。常蓄混合式水電站最大發電容量按照總裝機容量控制運行，最大發電流量為常規機組額定流量與蓄能機組發電額定流量之和。

確定常蓄混合式水電站蓄能裝機容量、庫容：

根據新疆電網日峰平谷時段劃分確定抽水填谷運行時間和蓄能庫容：

高峰時段：10：00～13：00，19：30～00：30 （8 h）；

平時段：08：30～10：00 ，13：00～19：30（8 h）；

低谷時段：00：30～08：30（8 h）。

我國東西最大時差3 h，各地區峰平谷時段出現從東向西逐漸推遲。

常蓄混合式水電站按蓄能機組容量低谷時段滿負荷填谷運行8 h 抽取的水量就是蓄能庫容，也是最大蓄能庫容。調峰發電按照常規機組和蓄能機組總容量在早上和晚上高峰時段8 h 內變化運行。

蓄能機組裝機容量：水泵運行狀態抽水所需功率計算公式

蓄能庫容：日蓄能庫容計算公式

V蓄—水庫蓄能庫容/萬m3；

N—水泵水輪電動發電機組輸出功率/kW；

H—抽水揚程，近似于發電水頭/m；

Q抽—水泵抽水流量/m3/s；

η—水泵效率，約為85%～93%，取值0.89。

按照以上公式可以計算繪制出中高水頭、中小型常蓄混合式水電站蓄能裝機容量、庫容、水頭關系表和曲線圖，見圖1、表1。計算繪制出高水頭、大型常蓄混合式水電站蓄能裝機容量、庫容、水頭關系表和曲線圖，見圖2、表2。

表1 中高水頭、中小型常蓄混合式水電站蓄能裝機容量、庫容、水頭關系表

表2 高水頭、大型常蓄混合式水電站蓄能裝機容量、庫容、水頭關系表

圖1 中高水頭、中小型常蓄混合式水電站蓄能裝機容量庫容關系曲線

圖2 高水頭、大型常蓄混合式水電站蓄能裝機容量庫容關系曲線

2 采用常蓄混合式水電站開發的思路和方案

瑪納斯河是天山北坡流入準噶爾盆地最大的河流，瑪納斯河流域位于天山北坡經濟帶中心地帶，地緣優勢顯著。瑪納斯河干流山區按照常規式水電專業規劃，肯斯瓦特水利樞紐以上河段規劃有呼斯臺、喀拉薩依、哈熊溝3 座高水頭梯級水庫電站，總裝機容量39.5 萬kW，年總發電量11.95 億kW·h，總投資34.33 億元。

2.1 融合抽水蓄能增容按三級開發形成優化方案1

融合抽水蓄能按三級增容開發，原規劃3 座梯級水庫電站中的兩座中壩日調節中型水庫需要加高壩體、增加相應蓄能調峰庫容，3 座梯級水庫電站都要增加發電洞壓力管直徑、水道斷面積，土建工程按蓄能電站廠房（內置常規機組）、尾水設計。呼斯臺水電站常規水輪發電機組裝機容量18 萬kW、抽水蓄能可逆式機組裝機容量為120 萬kW，總裝機容量138 萬kW。喀拉薩依水電站常規水輪發電機組裝機容量12.5 萬kW、抽水蓄能可逆式機組裝機容量為90 萬kW，總裝機容量102.5 萬kW，獨立運行需要加高壩體、增加蓄能庫容841 萬m3。哈熊溝水電站常規水輪發電機組裝機容量9 萬kW、抽水蓄能可逆式機組裝機容量為60 萬kW，總裝機容量69 萬kW，獨立運行需要加高壩體、增加蓄能庫容870 萬m3。3 座梯級水庫電站常規水輪發電機組規模保持原規劃39.5 萬kW，抽水蓄能可逆式機組擴大裝機容量為270 萬kW，總裝機容量309.5 萬kW增加684%，常規發電量由11.95kW·h 增加到17.07 kW·h、增長42.8%，蓄能發電量40.5 kW·h、年總發電量57.57 億kW·h、增加382%，消納風電、光電、電網低谷電量57.24 億kW·h，雖然距高比較大，單位kW、單位電能造價和其他技術經濟指標會更加優化。3 座梯級水電站最大發電流量由61.8 m3/s增加到451 m3/s，出庫水量除去生態基流、排沙流量、一般洪峰流量可以全部用于常規發電[3-5]。

2.2 融合抽水蓄能按二級開發形成優化方案2

融合抽水蓄能原規劃3 座梯級水庫電站也可以優化為二級開發，瑪納斯河哈熊溝下游紅溝河段河床與河岸有700 m 的高差，可以將喀拉薩依水電站和哈熊溝水電站合并為一級開發，喀拉薩依水電站和哈熊溝水電站合并為一座水庫、一個電站，可以集中利用水頭為460 m，喀拉薩依中水電站常規水輪發電機組裝機容量21.5 萬kW、抽水蓄能可逆式機組裝機容量為150 萬kW，總裝機容量171.5 萬kW，獨立運行需要加高壩體、增加蓄能庫容852.5 萬m3。常規發電量由6.68 億kW·h 增加到8.6 億kW·h、增長28.7%，增加蓄能發電量22.5 億kW·h，年總發電量31.1 億kW·h、增加466%。消納風電、光電、電網低谷電量31.8 億kW·h。呼斯臺水電站按方案1 不變，二級開發總裝機容量309.5 萬kW。這樣優化有利于保障減流河段生態基流，梯級開發更加經濟高效，喀拉薩依水電站和哈熊溝水電站合并為一級開發，總裝機容量不變，雖然距高比較大，減少一座中型大壩、一座調壓井、一座廠房尾水池，建設投資、運行維護成本進一步降低。

3 常蓄混合式水電站的優勢

常蓄混合式水電站克服了常規水電站以及純抽水蓄能電站局限性，拓展了他們的優勢，綜合效益價值增值顯著，水能利用、水資源配置更加充分高效。

3.1 中、小型河流，常規中、小型水庫電站條件也可以建設大、中型常蓄混合式水電站

按照常規式水電站的規劃設計方法，裝機規模在一定的水頭條件下、主要由年徑流量決定，一般情況下，大、中型河流可以建設大、中型水電站，中、小型河流只能建設中、小型水電站[6]。按照常蓄混合式水電站規劃設計方法，裝機規模主要由水頭、日調節庫容決定，中、小河流也可以建設大、中型的常蓄混合式水電站。河流季節性越強越需要開發常蓄混合式水電站，使季節性較強、經濟技術指標不太好的水電資源也具有開發價值。常蓄混合式水電站的上下庫、壓力輸水道、可逆式水泵水輪機電動發電機等工程設備組成一座完整的可逆式供水系統，在一條河流上按常蓄混合式水電站梯級開發或改造水庫電站，還可以實現流域內上下游水量的逆分配；水量豐富的下游也可以向水量小、缺水的上游逆向補水，這種功能意義更加重要，可以深入研究。建設一座常蓄混合式水電站，相當于建設一座更大規模的常規水電站、一座純抽水蓄能電站[7]，一座可以逆向供水的大型揚水站，一舉多得、一役而多役濟。

3.2 解決常規式水電開發中的問題

以往的水電開發中，為了更多地利用季節性電能，規劃、設計常規水電站的裝機規模越來越大，造成水電站的年利用小時數降低，枯水期水電站機組容量大量閑置，在汛期仍然會失去調峰能力。把水電站部分季節容量和全部備用容量設計成抽水蓄能可逆式機組，擴大總裝機容量，泄洪發電能力增強而減少水庫棄水多發電，枯水期抽水蓄能發電，克服了常規水電站因季節性容量增加，發電年利用小時數降低的問題。汛期增加調峰能力，使水電站豐水期發電量增加的同時，低谷發電量減少、高峰發電量增加，優質電能增加，既增加電能電量效益又增加電力填谷削峰容量效益。還可以減少常規機組臺數，節約投資、并節省運行維修成本，潘家口水電站只安裝一臺15 萬kW 常規機組就實現了常規正向水能利用。

3.3 解決防洪安全與發電興利的矛盾，提高洪水的資源化利用

常蓄混合式水電站擴大了裝機容量，水電站的發電泄洪能力增大，有利于重新研究提高汛限水位增加運行水頭，提高了季節性水量及洪水電能的利用率，有利于減小下游洪水危害、化災為利，提高洪水的資源化利用程度。有利于水庫防洪安全并減輕高速水流對泄洪設施的沖刷磨損破壞，減少運行維護費用。有利于水庫合理安排沖沙、泄洪，有效解決安全泄洪與蓄水發電的矛盾。對于多沙河流、高水頭水電站，常蓄混合式水電站擴大裝機規模，減少機組臺數，單機容量增大，機組轉速降低，有利于減輕機組泥沙磨損。

3.4 降低抽水蓄能成本、擴大綜合利用功能和效益

純抽水蓄能電站是在水源條件滿足的情況下，需要建造專用的上下水庫，必須有較高的水頭才能建設，一般純抽水蓄能電站的經濟水頭在300～600 m，為降低造價、要求距高比必須越小越好，國外一般要求距高比L/H＜4～10，國內要求距高比L/H＜5.8～11.6、水頭低于100 m 則不建抽水蓄能電站。這樣，純抽水蓄能電站的建設選址就受到一定的限制。純抽水蓄能電站專用的上下庫及庫盤防滲使得造價投資、運行維護成本都比較高，一定程度上增加了電網應用抽水蓄能技術的成本。純抽水蓄能電站自身不產出電能、完全依附電網，每天運行規律基本是一樣的，運行方式主要為日循環，以日調節削峰填谷運行為主。常蓄混合式水電站只要調節庫容滿足，距高比可以適當放大，高、中、低水頭，大、中、小型規模都可以建設；既可以自身產出電能，又能將電力系統低谷容量轉移為高峰容量；還可以利用上游控制性大型水庫進行多年調節、年調節、季調節、月調節、周調節、日調節，充分發揮日、周、月、季、年、多年循環等多種循環周期運行方式的作用。利用已建成或已規劃水庫電站建設常蓄混合式水電站，可以充分利用原有的工程、設備、人員、道路、勘測資料等條件，不需要全庫盤防滲，不改變與電力系統的聯系并升級改造，基本不增加生產管理人員，征地、移民、環保、入網手續容易辦理，實現抽水蓄能低成本高質量快速發展。

4 結論

上善若水，水利萬物而不爭，常蓄混合式水電站對于“源網荷儲”各個環節，無論在時間上還是空間上只做對電網、其他類型電源、用電戶、用水戶有利的事，常蓄混合式水電站全面具備水的優秀品質。常蓄混合式水電站型式的開發模式有資格、有條件成為今后水電資源開發利用的主要開發方式。我國是多山國家，不缺乏大小河流、山川溝壑、峽谷落差，無論是老水庫電站改造，還是新水庫電站開發，采用常蓄混合式水電站型式開發水電資源與其他清潔能源相配套，由風、光、常規水電等清潔能源主要滿足電力系統增長的電量數量需求，由常蓄混合式水電站、純抽水蓄能電站主要滿足電網不斷增長的安全穩定電力容量需求。這樣，在實現可再生清潔能源逐步替代化石能源、促進綠色低碳可持續發展的同時，保證新型電力系統安全穩定運行，充分發揮“源網荷儲”一體化綜合樞紐平臺作用。一個由上下游銜接常蓄混合式梯級水庫電站群組成的流域河道就是一條雙向水流、電流高速公路和優質航道，可以在流域內上下游、跨流域跨區域靈活高效配置水、電、運輸資源，為新時代穩妥實現碳達峰、碳中和，促進地方、流域、區域、國家水資源、水生態、水環境、水災害等水問題的空間均衡、系統治理發揮重要作用。