新時期抽水蓄能電站高質量發展的思考

周興波，周建平，杜效鵠

（1.水電水利規劃設計總院，北京市 100120；2.中國電力建設股份有限公司，北京市 100048）

0 引言

能源安全對國家發展、人民生活改善和社會長治久安至關重要[1]。在“碳達峰、碳中和”戰略發展目標的驅動下，抽水蓄能電站作為當前技術最成熟、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，不僅對電網運行的穩定性安全性具有重要作用，而且對構建以新型電力系統意義重大。

為統籌推進抽水蓄能快速發展，適應新型電力系統建設和大規模高比例新能源發展需要，2021 年9 月國家能源局發布了《抽水蓄能中長期發展規劃（2021—2035 年）》[2]，規劃到2035 年，形成滿足新能源高比例大規模發展需求的，技術先進、管理優質、國際競爭力強的抽水蓄能現代化產業，培育形成一批抽水蓄能大型骨干企業。據統計，截至2023年2 月，全國已核準抽水蓄能電站67 個，投資金額合計超過6100 億元。

為搶占未來十幾年市場規模如此宏大的萬億級產業領域，各類發電企業、勘測設計企業、建筑施工企業、裝備制造企業，甚至航天企業都搶跑入場，爭取抽水蓄能投資開發資源，一場能源領域的全國競技的產業正在快速崛起。但抽水蓄能電站建設運行涉及水文氣象、地質條件、壩工設計、施工建設、運行管理、金屬結構及機電設備安裝、電網消納等多專業協同發展，只有堅持系統規劃，堅持設計施工技術創新，創新工程建設管理體制機制，堅持產業協同和產業鏈協調發展，維護良好產業鏈生態，才能促進新時期抽水蓄能產業健康高質量發展，有力支撐新能源大規模開發利用，助力實現碳達峰、碳中和目標。

1 抽水蓄能發展規劃

抽水蓄能是保障電力系統安全運行的重要方式。2020 年以前，我國先后建成崗南、廣州、十三陵、天荒坪、泰安、惠州、白蓮河、西龍池、仙居、陽江、長龍山等一批抽水蓄能電站，這些工程的投產運行對促進我國抽水蓄能電站設計、施工、設備制造、運行管理積累了豐富的經驗。

《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》和“碳達峰、碳中和”戰略，極大程度推動抽水蓄能加速發展。截至2021 年，我國抽水蓄能電站建成投產規模僅3639 萬kW。《抽水蓄能中長期發展規劃（2021—2035 年）》中明確到2025 年，我國抽水蓄能投產總規模6200 萬kW 以上；到2030 年，投產總規模1.2 億kW；中長期規劃布局重點實施項目340 個，總裝機容量約4.21 億kW。也就是說，“十四五”期間要核準開工1.6 億kW，到2025 年投產總規模較“十三五”時期翻一番；“十五五”期間，新增核準開工8000 萬kW，到2030 年再翻一番；“十六五”期間，完成投產3 億kW，具體如圖1 所示。

圖1 抽水蓄能發展規劃Figure 1 The development plan of pumped storage station

未來數十年，我國抽水蓄能產業發展將加速推進，“十四五”期間年均投產規模要超過600 萬kW，是之前年均規模不足200 萬kW 的3 倍以上。未來20 年，新增投產規模將超3 億kW，是現有規模的8 倍多，這將是全球前所未有的發展速度和開發強度。按照當前我國抽水蓄能投資單位千瓦時約6000 元，估計抽水蓄能產業市場新增投資將超萬億元。

眾所周知，在土木工程領域一般是以規劃設計為龍頭、施工制造為主體，建設管理為手段，投資運營為基石，全產業鏈協同推動行業持續發展的，抽水蓄能產業也不例外。

2 勘測設計關鍵技術

隨著抽水蓄能電站開發建設爆發式增長，出現簡化前期和設計流程、加快工作進度的提議。抽水蓄能電站作為國家重要的能源基礎設施，應嚴格執行《建筑法》《工程勘測設計管理條例》等法律法規，分階段開展設計，由表及里、由淺入深，循序漸進做好勘測設計工作，以保障工程本質安全。

2.1 工程地質勘察

抽水蓄能電站工程地質勘測應重視區域構造穩定性及地震安全性，工程因站點選址區域分布不同而具有不同的工程地質特點[3]。對區域構造背景復雜地區，應在預可行性研究階段對場地構造穩定性和地震安全性做出評價，并在可行性研究階段進行復核，尤其對高地震烈度區規劃的站點，如甘肅黃羊、黃龍等抽水蓄能電站。對巖溶發育地區，應重視上下水庫庫周防滲、地下洞室圍巖穩定問題。對層狀、緩傾角地層發育地區，應重視大型地下洞室群拱頂圍巖穩定問題。對濕陷性黃土地區，應重視上下水庫滲漏誘發黃土濕陷及次生地質災害等工程地質問題。

2.2 樞紐布置及水工建筑物設計

抽水蓄能樞紐布置應統籌上水庫、下水庫、電站廠房、變電站、水道系統、交通道路、出線場以及補充工程等。在國內已建和在建工程中，抽水蓄能電站大壩以土石壩為主，約占83%。其中，混凝土面板壩應用最為廣泛，上水庫約占61%，下水庫約占55%；瀝青混凝土面板壩上水庫占20.3%，主要應用于全庫盆防滲工程。對以面板堆石壩為主的抽水蓄能水庫，應重點做好上下水庫的防滲設計和排水設計，尤其重視水庫庫盆防滲問題；設計布置好水庫觀測儀器和設施，滿足工程施工期、初期蓄水和運行期的觀測要求（見圖2）。

圖2 抽水蓄能電站水庫Figure 2 The reservoirs of pumped storage station

水道系統設計應適應抽水蓄能電站運行工況轉換頻繁，雙向水流運動特點，過渡過程應滿足設計系統調節穩定性和電站快速響應能力，并應重視高壓水道的防滲承載能力。抽水蓄能電站廠房包括地下式、半地下式和地面式，相較于常規電站，抽水蓄能電站主機一般轉速高，在300 ～600r/min，抽水、發電工況轉換頻繁，水力-機械-電磁荷載振源激勵復雜。因此，廠房在滿足結構安全的基礎上，應重視廠房結構振動問題。

2.3 抽水蓄能電站水輪發電機機組選擇設計

抽水蓄能電站機組機型參數包括機組型式、額定水頭與揚程、單機容量、機組臺數、轉輪直徑、額定流量、額定轉速及安裝高程等。機組型式選擇應根據水頭或揚程、運行特點及設計制造水平等技術經濟綜合分析確定。對于可逆式機組，水輪機工況參數應在水泵工況參數選擇基礎上進行選擇。近年來，隨著技術水平進步，抽水蓄能機組呈現高水頭、大容量的趨勢，目前我國抽水蓄能最大運行水頭超過700m，最大容量超過40萬kW，如圖3所示。機組選擇設計中，應重點關注機組振動控制、水力過渡過程控制以及智能化運行等關鍵技術。

圖3 我國抽水蓄能電站額定水頭和額定裝機容量Figure 3 Rated head and rated installed capacity of pumped storage power stations in China

2.4 電氣設施及金屬結構設計

抽水蓄能電站電氣設施設計包括電氣一次設計和電氣二次設計。電氣一次要做好接入系統及電氣主接線設計、可逆式機組啟動方式選擇、廠用電源設計、開關站型式和位置選擇。電氣二次設計要重視機組自動控制、電站監控系統、機組繼電保護及二次接線設計等。隨著抽水蓄能電站水頭和揚程的增大，金屬機構設計應重視引水系統和尾水系統的閘門設計，并提出保障閘門安全服役的調度運行方式。此外，還應重視上下水庫的攔污柵設計，攔污柵進出水口建筑物應具有良好的水力學特性，控制好通過攔污柵斷面的平均出水流速。

2.5 智慧抽水蓄能與環境友好型工程設計

隨著網絡信息技術的快速發展，利用信息化、數字化技術，從三維協同設計、BIM 施工建設管理，再到數字孿生的運行維護管理，逐漸形成了智慧抽水蓄能的全過程解決方案，提升了工程建設效率和工程安全運行保障能力。另一方面，在習近平生態文明思想的引領下，抽水蓄能電站設計與生態景觀設計、水工建筑物與自然環境和人文建筑物風格有機融合，實現了環境友好型工程與自然的和諧共生，顯著提升當地環境和綜合社會效益。如圖4 所示，安徽績溪抽水蓄能啟閉機房采用了徽派建筑風格，取得較好效果。

圖4 安徽績溪徽派風格的啟閉機房Figure 4 The hoist room of Hui architectural style in Jixi Anhui province

此外，抽水蓄能電站高質量發展要維護迄今運轉有效的技術管理體系，確保勘測設計工作有序開展，質量受控；要做到先規劃再設計，先勘測后設計，先設計后施工，確保各專業、各階段設計輸入的準確性。工程勘察設計工作是決定工程成敗的關鍵。

3 施工安裝和建管模式

3.1 先進施工技術與經濟性

抽水蓄能電站施工建設的重點是地下工程和滲控工程，地下工程主要以豎井或斜井、地下廠房等為主，滲控工程主要以水庫防滲、混凝土面板防滲等為主。以洞室群為主的地下工程施工，常按“平面多工序、立體多層次”的原則，近年來隨著TBM 制造技術進步，為抽水蓄能施工效率提升和安全施工提供了保障。如敞開式、單護盾、雙護盾等型式的TBM（見圖5），可適用于硬巖、中硬巖、軟巖及較軟巖等，可實現連續掘進和遠程控制，能同時完成破巖、出渣和支護作業，長距離掘進速度能達到鉆爆法的4 ～6 倍，但費用往往相比較高，如壓力管道斜井TBM 施工隧洞全費用約為鉆爆 法的1.69 倍，隧洞掘進工程費約為鉆爆法的2.5 倍。

圖5 不同類型的隧道掘進機Figure 5 Different types of tunnel boring machine

水庫防滲工程按范圍可分為全庫防滲、局部防滲和不設防滲；防滲型式有單一防滲、“面板+垂直帷幕”“面板+庫底鋪蓋”等聯合防滲。在滲控工程施工中，應重視庫底黏土鋪蓋、瀝青混凝土、陡坡混凝土面板等施工技術，控制好施工進度和質量。

3.2 安裝技術與質量

如前文所述，抽水蓄能電站機組近年來呈現高水頭、高轉速、大容量等特點，其安裝和調試技術與質量控制則尤為重要。首先，抽水蓄能電站機組座環和蝸殼運行中承受壓力大，安裝過程中應進行嚴格的水壓試驗和保壓工作，驗證其焊縫的焊接質量和蝸殼變形滿足設計要求。其次，轉子磁軛運行中受離心力會造成磁軛徑向變形，進而導致磁軛與中心體分離，為此在轉子裝備中應采用熱打鍵的方法預先給轉子磁軛與中心體一定的預緊力，保證機組運行安全。其三，應在抽水蓄能電站抽水和發電兩個旋轉方向分別開展動平衡試驗，以檢查機組各部位的變化情況，完成轉子的配重等工作。最后，電站首臺機組首次水泵工況啟動應做好啟動條件、調相壓水、動平衡試驗、調相轉抽水及數據監測與分析工作。

3.3 建設管理模式

國際上于水電工程的建設管理模式主要包括設計—招標—建設管理模式、設計—建造管理模式、施工管理模式、項目管理模式、項目管理承包模式、建設—運營—移交管理模式、項目總承包管理模式等。從國內抽水蓄能電站建設來看，項目總承包（EPC）模式有利于優化項目實施路線，快速優化資源投入，加快工程建設進度，充分發揮各方技術優勢，推進抽水蓄能電站高效高質量建設。近年來，遼寧清原、新疆阜康等抽水蓄能電站，雅礱江楊房溝、卡拉等常規水電工程采用了EPC 模式，取得一定成效。

總之，工程建設管理的最大風險是形成新的“三邊”工程，邊建邊改，工期延誤，成本嚴重超支，投資效益差；工程關鍵技術的最大風險是水庫漏水、洞室塌方和重大地質災害，造成工程質量缺陷和重大工程事故。

4 開發主體和商業模式

4.1 投資開發主體

投資主體負責推動項目開發論證，獲取開發權，在促進立項、土地征用、環境影響評價、項目審批、核準、建設、接入系統和投產運營等方面，發揮組織領導、管理協調的主導作用，對各項工作進行統籌部署，提供項目建設費用，并承擔可能存在的風險。過去電網企業是抽水蓄能電站建設的投資主體，已建在建的超過90%抽水蓄能電站均由電網公司獨資建設或控股參股建設。

當前，在政府鼓勵多元化投資，市場化開發，鼓勵社會資本參與電力生產交易的背景下，投資主體除電網公司外，還包括發電企業、電力建設企業、水利水電勘測設計企業、地方投資平臺、裝備制造企業等。中央企業、地方國有企業、民營企業等各方爭奪開發權，無疑將加劇市場競爭態勢。抽水蓄能電站開發建設涉及諸多利益主體和利益相關方。地方政府、電網企業、開發企業、建筑施工企業、裝備制造企業、金融機構和中介服務機構等，各方合作與利益博弈的前提是項目的可持續性。但是，項目可持續必須以項目開發確有必要、技術可行、生態環保和收益保障為前提，如果開發企業都沒有利益，其他各方的利益也就根本無法保障。

致力于抽水蓄能產業的企業要清晰地認識到，抽水蓄能電站開發沒有捷徑、沒有超額利潤、更沒有暴利。唯有始終貫徹落實國家戰略，踐行責任使命擔當，維護市場秩序，遵循勘測設計技術體系，創新技術和管理，才能提升效率，實現抽水蓄能產業效益和社會效益的最優化。

4.2 商業模式

抽水蓄能電站建成后基本都轉交電網公司運行管理，服務一定的電網區域，起到調峰填谷、調頻調相、事故備用、黑啟動、提升電力系統靈活性和可靠性等重要作用。極少數由開發者在局域網路中自建自用，自行調度或委托電網公司運行管理。抽水蓄能電站的核算機制，也因此而有所不同。占比超過85%的“網建網用”的抽水蓄能電站，基本都是內部核算制，沒有單獨的電價；占比不足15%的“自建網用”或“自建自用”的抽水蓄能電站，一般采用設備租賃制或市場電價制。電價機制由內部核算制走向市場電價制，將是未來抽水蓄能電站市場化發展的趨勢。

我國抽水蓄能電站推行的是“兩部制電價”，即由政府核定電量電價及容量電價，容量電價按經營期40 年，資本金內部收益率6.5%核定；電量電價按照效率75%和相應價差核定，收益分成。2021 年5 月，我國進一步完善抽水蓄能價格形成機制，在《國家發展改革委關于進一步完善抽水蓄能價格形成機制的意見》中將“政府核定電量電價及容量電價”改為“以競爭性方式形成電量電價，并將容量電價納入輸配電價回收”后的首次考核，通過對成本開展全面梳理，為抽水蓄能價格機制提供借鑒，進一步保障電站經濟性。修改后的被稱為“新兩部制電價”，極大提振了抽水蓄能行業發展信心，這一政策將從2023 年起執行。新兩部制電價鼓勵抽水蓄能電站參與輔助服務市場或輔助服務補償機制，明確了上一監管周期內形成的相應收益，以及執行抽水電價、上網電價形成的收益，20%由抽水蓄能電站分享，80%在下一監管周期核定電站容量電價時相應扣減。

隨著電力體制和電力市場化改革不斷深入推進，未來中國電力市場必將逐步實行市場電價機制。因此，抽水蓄能電站，不論是從國民經濟評價，還是從財務評價，經論證充分，在新能源開發和新型電力系統構建中發揮重要作用的抽水蓄能電站都將是經濟合理，環境友好，抗風險力強的社會財富工程，企業盈利工程。投資主體多元化后，未來抽水蓄能電站更多采用的商業模式是股份合作制，聯合開發、共同履責、共享效益、共擔風險。對大型抽水蓄能電站，投資企業作為責任方，聯合電網公司、地方投資平臺、其他參與者等或是較好的商業合作模式。

5 結束語

在“雙碳”戰略發展目標驅動下，抽水蓄能電站作為當前技術最成熟、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，產業規模化發展迎來前所未有的浪潮。在高速發展的進程中，應堅持系統規劃、統籌開發、協調發展，堅持因地制宜、講求效益、防范風險。所有參與企業應共同維護產業鏈健康生態環境，勘測設計企業遵循“先規劃再設計，先勘測后設計，先設計后施工”的技術管理體系，持續推進技術創新；施工安裝企業要精心組織、精心管理，控制工序、控制質量，持續推進建設管理模式創新；投資開發企業、電網企業等要協同配合，維護市場秩序，踐行責任使命擔當，實現抽水蓄能產業效益和社會效益的最優化，為中國電力事業的發展，為中國社會邁向“碳中和”的未來做出應有的貢獻。