混合式抽水蓄能電站選點(diǎn)條件分析

陳宏宇，陳同法，秦曉宇，盧錕明

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.中國電建西北勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西省西安市 710065）

混合式抽水蓄能電站選點(diǎn)條件分析

陳宏宇1，陳同法1，秦曉宇1，盧錕明2

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.中國電建西北勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西省西安市 710065）

利用現(xiàn)有水電站址，通過增建可逆機(jī)組方式與常規(guī)水電結(jié)合開發(fā)混合式抽水蓄能電站，具有開發(fā)實(shí)施較容易，建設(shè)周期短，水庫淹沒環(huán)境影響小，投資較省等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合常規(guī)水電開發(fā)混合式抽水蓄能電站，要兼顧地形地質(zhì)條件、已建水庫的調(diào)節(jié)庫容、水源及泥沙條件、水頭、距高比、環(huán)保等客觀條件的限制。

水電開發(fā)；混合式抽水蓄能；開發(fā)選點(diǎn)

0 引言

目前我國抽水蓄能電站建設(shè)正處于黃金時(shí)期，抽水蓄能電站建設(shè)站點(diǎn)的選擇直接關(guān)系到抽水蓄能電站造價(jià)及其在電網(wǎng)中作用與效益的發(fā)揮。[1]抽水蓄能電站的選點(diǎn)與規(guī)劃工作是前期設(shè)計(jì)工作中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，選點(diǎn)工作涉及面廣、任務(wù)繁重，需要考慮的影響因素和問題較多，而且選點(diǎn)工作基本決定抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)性，在勘測設(shè)計(jì)中只可能作有限度的優(yōu)化，所以必須十分重視抽水蓄能電站的規(guī)劃選點(diǎn)工作。[2-3]

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對電力需求的增長，能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整及風(fēng)電、太陽能等可再生能源的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)對調(diào)蓄容量需求越來越大，現(xiàn)有常規(guī)水電站調(diào)蓄能力已無法滿足電網(wǎng)對調(diào)蓄容量的需求。而個(gè)別地區(qū)受水源、地形、地質(zhì)等條件的限制，布局純抽水蓄能電站出現(xiàn)諸多困難?；旌鲜匠樗钅茈娬緦儆诔樗钅茈娬镜囊环N開發(fā)形式。利用已建的常規(guī)水電站站址資源，進(jìn)行混合式抽水蓄能電站開發(fā)，可以彌補(bǔ)純抽水蓄能電站裝機(jī)容量不足的問題，特別是在純抽水蓄能電站開發(fā)建設(shè)制約因素較多的區(qū)域，更是具有重要的意義。

近些年來，我國在抽水蓄能電站規(guī)劃方面做了大量的工作，積累了豐富的工作經(jīng)驗(yàn)。但在混合式抽水蓄能電站方面，僅建成有潘家口、響洪甸、天堂、白山、佛磨、羊卓雍湖等。隨著混合式抽水蓄能電站關(guān)注度的提高，研究其開發(fā)選點(diǎn)，對規(guī)劃及加快開發(fā)進(jìn)度，具有一定的前瞻性和必要性。[4]

1 混合式抽水蓄能介紹

1.1 概念

混合式抽水蓄能電站屬于抽水蓄能電站的一種開發(fā)形式。結(jié)合常規(guī)水電站新建、改建或擴(kuò)建，加裝抽水蓄能機(jī)組，既有電網(wǎng)調(diào)節(jié)作用，又有徑流發(fā)電作用，稱之為混合式抽水蓄能電站（見圖1）。

1.2 開發(fā)方式

圖1 混合式抽水蓄能電站示意圖Fig.1 schematic diagram of mixed pumped storage power station

混合式抽水蓄能電站，按水庫結(jié)合方式、水泵水輪機(jī)型式可以分為“一體化結(jié)合”開發(fā)、“上庫結(jié)合”開發(fā)、“擴(kuò)機(jī)+加泵”開發(fā)三種類型。

1.2.1 “一體化結(jié)合”開發(fā)

“一體化結(jié)合”開發(fā)是利用相鄰梯級常規(guī)水電站的兩個(gè)水庫，分別作為混合式抽水蓄能電站上庫和下庫的開發(fā)方式?！耙惑w化”開發(fā)上水庫具有天然徑流匯入，下水庫庫容應(yīng)滿足設(shè)計(jì)抽水要求，通過安裝可逆式機(jī)組，使電站既有抽水蓄能電站的功能，又有徑流發(fā)電作用。

“一體化結(jié)合”開發(fā)方式適合相鄰梯級常規(guī)水電站的兩個(gè)水庫均具有調(diào)節(jié)庫容，調(diào)節(jié)庫容可與抽水蓄能電站的上下水庫共用，調(diào)節(jié)庫容及實(shí)際可用水量滿足要求，且距高比不是太大，電站進(jìn)（出）水口地形、地質(zhì)條件滿足工程布置需要。這種方式實(shí)現(xiàn)了抽水蓄能電站上、下水庫完全利用已建水庫，減少了水庫工程投資。我國已建的吉林白山抽水蓄能電站即是利用原有常規(guī)水電站水庫（白山水庫和紅石水庫），安裝2臺150MW的抽水蓄能機(jī)組形成的混合式抽水蓄能電站，是“一體化結(jié)合”開發(fā)混合式抽水蓄能電站的成功案例。

1.2.2 “上庫結(jié)合”開發(fā)

“上庫結(jié)合”開發(fā)是利用常規(guī)水電站水庫作為抽水蓄能上水庫的開發(fā)方式。上水庫利用已建常規(guī)水電站，通過開挖或筑壩新建下水庫，且水庫調(diào)節(jié)庫容及實(shí)際可用水量滿足要求，通過安裝可逆機(jī)組，使電站既有抽水蓄能電站的功能，又有徑流發(fā)電作用。

這種方式適合常規(guī)水電站下游附近具備建設(shè)下水庫的條件，常規(guī)水電站調(diào)節(jié)庫容可與抽水蓄能電站的上水庫庫容共用，調(diào)節(jié)庫容及實(shí)際可用水量滿足要求，且距高比不是太大，電站進(jìn)（出）水口地形、地質(zhì)條件滿足工程布置需要。我國潘家口抽水蓄能電站與常規(guī)水電機(jī)組共用上水庫（潘家口水庫），下游建設(shè)抽水蓄能下水庫。潘家口抽水蓄能電站裝機(jī)容量270MW，安裝3臺90MW的可逆機(jī)組，1992年全部機(jī)組發(fā)電。潘家口抽水蓄能電站是“上庫結(jié)合”開發(fā)混合式抽水蓄能電站的成功案例。

1.2.3 “加泵+擴(kuò)機(jī)”開發(fā)

“加泵+擴(kuò)機(jī)”開發(fā)方式是利用常規(guī)水電站水庫作為抽水蓄能上水庫，下庫利用相鄰常規(guī)水電站水庫或新建下水庫，采用“加泵+擴(kuò)機(jī)”的開發(fā)方式，在負(fù)荷低谷時(shí)泵站抽水，在負(fù)荷高峰時(shí)常規(guī)水電機(jī)組擴(kuò)機(jī)發(fā)電，使電站既有抽水蓄能電站的功能，又有徑流發(fā)電作用。

如果利用常規(guī)水電站水庫作為抽水蓄能上水庫，下庫利用相鄰常規(guī)水電站水庫或新建下水庫增建抽水蓄能泵站，而常規(guī)水電機(jī)組不擴(kuò)機(jī)，泵站在負(fù)荷低谷時(shí)抽水，由于泵站填谷抽水蓄能，可提高常規(guī)水電機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間，增加負(fù)荷高峰時(shí)段電量。但泵站只有抽水蓄能功能，不增加電網(wǎng)的調(diào)峰容量，沒有提高電站的調(diào)峰能力。

“加泵+擴(kuò)機(jī)”開發(fā)方式適合相鄰梯級常規(guī)水電站的兩個(gè)水庫均具有調(diào)節(jié)庫容，調(diào)節(jié)庫容可與抽水蓄能電站的上下水庫共用，調(diào)節(jié)庫容及實(shí)際可用水量滿足要求，且距高比不是太大，電站進(jìn)（出）水口地形、地質(zhì)條件滿足工程布置需要。但這種開發(fā)方式需要擴(kuò)機(jī)，又要加泵，樞紐布置及運(yùn)行管理復(fù)雜，同時(shí)“加泵+擴(kuò)機(jī)”開發(fā)方式需同時(shí)新建發(fā)電系統(tǒng)和抽水系統(tǒng)，若下水庫為新建水庫，還需考慮水庫的建設(shè)費(fèi)用，開發(fā)建設(shè)成本高。

2 混合式抽水蓄能電站選點(diǎn)條件分析

開發(fā)混合式抽水蓄能電站，除一般純抽水蓄能電站在地形、地質(zhì)、水源、泥沙、環(huán)境影響、樞紐布置與施工條件等方面的選點(diǎn)條件要求外，尚有其自身特點(diǎn)，具體如下所述。

2.1 地形、地質(zhì)條件滿足要求

2.1.1 地形條件

根據(jù)混合式抽水蓄能電站的建設(shè)要求，應(yīng)盡量選擇地形條件好，便于電站進(jìn)/出水口、輸水系統(tǒng)、廠房等布置和施工，對原有常規(guī)水電站建筑物影響小，且距高比不是太大的站點(diǎn)。

2.1.2 地質(zhì)條件

混合式抽水蓄能電站建設(shè)應(yīng)建在地震穩(wěn)定地帶?；旌鲜匠樗钅茈娬镜牡叵鹿こ梯^多，應(yīng)參考常規(guī)水電站地質(zhì)情況，首先應(yīng)避開地震裂度過高的地區(qū)，也應(yīng)避開活動性斷層。電站位置應(yīng)盡量選在結(jié)構(gòu)完整的堅(jiān)硬巖體內(nèi)，避免地下洞室、廠房、隧洞、管道等的安全受到影響。

混合式抽水蓄能電站是利用常規(guī)水電站的水庫，常規(guī)水電站周邊應(yīng)具備布置抽水蓄能電站的基本地形、地質(zhì)條件，或者上下游梯級常規(guī)水電站具備結(jié)合開發(fā)混合式抽水蓄能電站的基本地形、地質(zhì)條件，滿足進(jìn)/出水口、輸水系統(tǒng)、廠房等布置要求。在樞紐布置及施工中，電站進(jìn)/出水口、輸水系統(tǒng)、廠房等必須考慮對原常規(guī)水電站建筑物的安全等影響。

2.2 常規(guī)電站水庫調(diào)節(jié)庫容滿足要求

混合式抽水蓄能電站的水庫，是利用常規(guī)水電站的水庫。因此，常規(guī)水電站水庫的可利用調(diào)節(jié)庫容，必須滿足混合式抽水蓄能電站的正常運(yùn)行要求。如果常規(guī)水電站水庫的可利用調(diào)節(jié)庫容不滿足混合式抽水蓄能電站的正常運(yùn)行要求，則應(yīng)研究適當(dāng)增大調(diào)節(jié)庫容，以滿足混合式抽水蓄能電站正常運(yùn)行要求。如果常規(guī)水電站水庫不具備增大調(diào)節(jié)庫容的條件，則應(yīng)放棄該站點(diǎn)。另外，當(dāng)常規(guī)水電站水庫承擔(dān)有防洪、防凌、灌溉、供水、航運(yùn)、發(fā)電和生態(tài)調(diào)度等綜合利用任務(wù)時(shí)，應(yīng)摸清其調(diào)度運(yùn)行方式，協(xié)調(diào)好抽水蓄能電站調(diào)度運(yùn)行與綜合利用各個(gè)部門的關(guān)系，明確保證抽水蓄能電站正常運(yùn)行的必要條件。

2.3 水源和泥沙條件要求

混合式抽水蓄能電站利用常規(guī)水電站的水庫，上水庫為現(xiàn)有水庫，水量一般是充足的，且抽水蓄能電站自身并不消耗水量，因此，水源一般不存在問題。但抽水蓄能電站對泥沙含量要求較高，一般應(yīng)控制過機(jī)泥沙含量不超過0.2kg/m3。西北等多沙地區(qū)，抽水蓄能電站必須采取防排沙措施，這是造成投資指標(biāo)偏高的原因之一。

一般而言，水輪機(jī)磨損速度與含沙量成正比，與流速的三次方成正比。抽水蓄能電站泥沙過機(jī)是雙向的，對過機(jī)含沙量的要求遠(yuǎn)高于常規(guī)水電站。因此，應(yīng)盡量避免在多沙、中沙河流上選點(diǎn)，當(dāng)難以避免時(shí)，應(yīng)對泥沙問題給予高度重視，對過機(jī)泥沙含量嚴(yán)格控制。除在選點(diǎn)上注意外，可以通過工程布置與工程措施、水輪機(jī)抗磨措施及合理的調(diào)度運(yùn)行方式等措施解決。工程布置進(jìn)/出水口位置應(yīng)遠(yuǎn)離泥沙淤積體推進(jìn)方向的區(qū)域，宜盡量靠近壩前；進(jìn)/出水口前緣設(shè)擋水坎，機(jī)組引用上層含沙量較低的水。

2.4 水頭不宜太低

混合式抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)性與水頭的關(guān)系與純抽水蓄能電站基本相同，水頭由上、下游常規(guī)梯級水電站水庫水位決定。水頭愈大相同出力所需的水流量就愈小，水泵水輪機(jī)和輸水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸就越小，相應(yīng)儲存單位能量所需的庫容也就越小，大壩工程量、庫盆防滲等也相應(yīng)減少，即水頭越高越經(jīng)濟(jì)。

混合式抽水蓄能電站在常規(guī)水電站水庫的可利用調(diào)節(jié)庫容基本確定后，裝機(jī)滿發(fā)利用小時(shí)數(shù)不變的條件下，水頭越高，則裝機(jī)容量越大，投資經(jīng)濟(jì)性相對越好。如果混合式抽水蓄能電站的水頭太低，則裝機(jī)容量小，經(jīng)濟(jì)性差，開發(fā)利用價(jià)值不大。混合式抽水蓄能電站受上、下游常規(guī)水電站水庫天然落差的限制，最大水頭一般不超過250m。如我國已建的混合抽水蓄能電站白山、潘家口、響洪甸等，最大水頭分別為123.9、85、63m。一般盡量選擇水頭在50m以上的混合式抽水蓄能電站站點(diǎn)。

2.5 距高比不宜太大

距高比是抽水蓄能電站的重要參數(shù)之一。距高比即上水庫進(jìn)/出水口與下水庫進(jìn)/出水口之間的水平距離與電站平均毛水頭的比值。距高比可大致說明抽水蓄能電站引水建筑物的相對長度，距高比越小，電站引水系統(tǒng)長度和投資越經(jīng)濟(jì)，但太小會不利于電站進(jìn)/出水口、輸水系統(tǒng)及廠房的布置。一般抽水蓄能電站的距高比大多數(shù)不宜超過12。受常規(guī)水電站上、下游水庫水位和建筑物的限制，混合式抽水蓄能電站的水頭相對較低，距高比可能較純抽水蓄能電站略大，但不宜太大。距高比太大，引水建筑物的長度太長，投資增大，影響經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。應(yīng)針對各個(gè)站點(diǎn)的總體選點(diǎn)條件，具體情況具體分析。

2.6 避免對原有建筑的影響

利用已建常規(guī)水電站開發(fā)混合式抽水蓄能電站，根據(jù)結(jié)合開發(fā)對原有樞紐的利用形式，可以分為以下幾類：

（1）只利用現(xiàn)有常規(guī)水電站的上、下水庫，新建進(jìn)/出水口、輸水系統(tǒng)和廠房等，安裝可逆式機(jī)組，增建混合式抽水蓄能電站。這種型式是比較常用的結(jié)合開發(fā)方式，基本不影響原有常規(guī)水電站機(jī)組的運(yùn)行。

（2）利用大部分現(xiàn)有常規(guī)水電站輸水道（壓力隧道及調(diào)壓井等），在已有常規(guī)水電站廠房之外新建廠房等，安裝可逆式機(jī)組，增建混合式抽水蓄能電站。這種型式在對老廠更新改造中可以采用，直接將部分老機(jī)組廢棄，改裝成可逆式機(jī)組。

（3）在現(xiàn)有常規(guī)水電站廠房的空位內(nèi)或改建、擴(kuò)建現(xiàn)有廠房，擴(kuò)大增裝抽水蓄能可逆式機(jī)組。這種型式由于兩種機(jī)組的安裝高程相差較大，施工及樞紐布置較為困難，采用較少。

利用常規(guī)水電建設(shè)混合式抽水蓄能電站，將牽涉到水庫水位升降幅度和頻率變化問題。在抽水蓄能電站運(yùn)行以后，一般水庫水位升降的幅度將比運(yùn)用常規(guī)水輪機(jī)機(jī)組時(shí)增大很多，而水位升降變幅一天之內(nèi)隨著抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行方式可能有好幾次。水位的頻繁升降可能影響水庫堤壩的穩(wěn)定性，如壩是由均質(zhì)材料筑成（如土壩）則可能引起滑坡，如果壩的上游面筑有防滲面板（如混凝土面板堆石壩），原有的排水措施可能不足以應(yīng)付水位頻繁的變化。如水庫周邊為堤壩，在水位上升時(shí)水滲入壩內(nèi)，但在水位下降時(shí)水來不及排出，這樣就可能會影響其穩(wěn)定性。所以增裝蓄能機(jī)組后，應(yīng)對原有建筑物的安全穩(wěn)定等影響進(jìn)行必要的復(fù)核。[5]

利用常規(guī)水電站水庫擴(kuò)建可逆式機(jī)組，建設(shè)混合式抽水蓄能電站時(shí)，在樞紐總體布置中必須考慮對原常規(guī)水電站建筑物安全及運(yùn)行的影響，若在現(xiàn)有廠房之外修建新的廠房，爆炸、出渣、混凝土澆筑等都會影響已有機(jī)組的運(yùn)行，因此，應(yīng)控制開挖爆破等施工手段，減少對原電站建筑物的影響。

2.7 無重大環(huán)境影響等制約

抽水蓄能電站選點(diǎn)時(shí)，應(yīng)盡量避讓自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、水源保護(hù)區(qū)、森林公園、地質(zhì)公園等環(huán)境敏感區(qū)?；旌鲜匠樗钅茈娬倦m然利用常規(guī)水電站水庫，但電站進(jìn)/出水口、輸水系統(tǒng)、廠房等建筑物布置時(shí)，也應(yīng)盡量避讓自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、水源保護(hù)區(qū)、森林公園、地質(zhì)公園等環(huán)境敏感區(qū)。

2.8 海拔不宜太高

抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)在正常工況下，希望將機(jī)組振動和噪聲等指標(biāo)控制在一定的范圍內(nèi)，但在不同的水頭運(yùn)行范圍，水泵水輪機(jī)特有的水力現(xiàn)象使機(jī)組出現(xiàn)一些無法避免的不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。為減小水泵水輪機(jī)的不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，降低機(jī)組振動和噪聲等指標(biāo)，除盡量減少機(jī)組的水頭變幅外，降低海拔高程也是有利的。海拔太高，氣壓太低，不利于機(jī)組補(bǔ)氣，不利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。因此，從機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行方面考慮，無論是純抽水蓄能電站還是混合式抽水蓄能電站，均不宜選在海拔太高的區(qū)域。一般情況下，建議海拔高程不要超過3000m（廠房位置）。

3 結(jié)束語

混合式抽水蓄能電站選點(diǎn)規(guī)劃時(shí)，需要綜合考慮工程樞紐布置區(qū)的地形地質(zhì)、上下水庫調(diào)節(jié)庫容、水源及泥沙、水頭與距高比、電站綜合利用要求、對原有電站影響等多重因素[6][7]，最終目的是選出具有良好經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的站點(diǎn)。實(shí)際選點(diǎn)過程中應(yīng)根據(jù)各個(gè)站點(diǎn)的特點(diǎn)與條件，對各影響因素進(jìn)行綜合分析。在常規(guī)水電站址資源越來越少，純抽水蓄能電站站點(diǎn)選點(diǎn)條件越來越差的情況下，進(jìn)行結(jié)合常規(guī)水電開發(fā)混合式抽水蓄能電站研究，具有前瞻性和必要性，從長遠(yuǎn)考慮，為解決我國抽水蓄能發(fā)展的基礎(chǔ)性問題，實(shí)現(xiàn)抽水蓄能電站多元化持續(xù)健康有序發(fā)展提供了技術(shù)支持。

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2017-02-15

2017-05-20

陳宏宇（1963—），男，遼寧人，教授級高工，中國水力發(fā)電工程學(xué)會電網(wǎng)調(diào)峰與抽水蓄能專業(yè)委員會副秘書長，中國水力發(fā)電工程學(xué)會水能規(guī)劃及動能經(jīng)濟(jì)專業(yè)委員會副主任委員，主要研究方向：抽水蓄能規(guī)劃、項(xiàng)目前期論證、開發(fā)與建設(shè)。E-mail：yuhong-chen@sgxy.sgcc.com.cn

陳同法（1976—），男，山東人，碩士，國家一級注冊建造師，教授級高級工程師。主要研究方向：抽水蓄能開發(fā)與建設(shè)。E-mail： tongfa-chen@sgxy.sgcc.com.cn

秦曉宇（1980—），男，河北人，高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能開發(fā)與建設(shè)。E-mail：xiaoyu-qin@sgxy.sgcc.com.cn

盧錕明（1987—），男，陜西人，工程師，主要研究方向：動能經(jīng)濟(jì)、風(fēng)光電工程規(guī)劃、水環(huán)境等設(shè)計(jì)工作。E-mail：398303914@qq.com

Analysis of Selected Conditions of Mixed Pumped Storage Power Station

CHEN Hongyu1，CHEN Tongfa1，QIN Xiaoyu1，LU Kunming2
（1.State Grid XinYuan Company Ltd.，Beijing 100761，China ；2.Northwest Engineering Corporation Limited，Xian 710065，China）

The mixed pumped storage development mode with useing existing hydropower station has many advantages，such as develop and implement easily，short construction period，the reservoir flood small impact on the environment，saving investment and other investment construction advantages.Combined with conventional hydropower development hybrid pumped storage power station，both existing topography and geological conditions，reservoir regulation capacity，water and sediment conditions，water head，spacing ratio limit of objective conditions，environment protection，etc.

hydroelectric development; mixed pumped storage;development and select1

TK71

A學(xué)科代碼：480.6030

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.006

國網(wǎng)新源控股有限公司科技項(xiàng)目（52570015007J）。