抽水蓄能結(jié)合引水方案在五庫(kù)聯(lián)調(diào)中的應(yīng)用

張九鼎

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200434）

1 研究背景

長(zhǎng)江是中國(guó)第一大河，世界第三大河，和黃河一起并稱(chēng)為“母親河”。長(zhǎng)江干流河道，按河道特征及流域地形，劃分為上、中、下游，長(zhǎng)江上游干流建有三峽（裝機(jī)22 500 MW）和葛洲壩（裝機(jī)2 715 MW）2個(gè)梯級(jí)電站。清江是長(zhǎng)江出三峽后的第一條大支流，位于長(zhǎng)江右岸，匯入口在葛洲壩電站下游約40 km處。清江中下游干流上已經(jīng)建成水布埡（裝機(jī)1 840 MW）、隔河巖（裝機(jī)1 200 MW）、高壩洲（裝機(jī)270 MW）三座梯級(jí)水電站。兩江干流梯級(jí)五座水庫(kù)的調(diào)節(jié)性能各不相同[1]，三峽水庫(kù)只具有不完全年調(diào)節(jié)能力，葛洲壩是三峽水庫(kù)的反調(diào)節(jié)水庫(kù)，具有日調(diào)節(jié)能力；水布埡是華中電網(wǎng)中具有多年調(diào)節(jié)性能的龍頭電站，同時(shí)也是距三峽梯級(jí)最近的調(diào)峰、調(diào)頻大型水電站；隔河巖水庫(kù)具有年調(diào)節(jié)性能；高壩洲水庫(kù)為徑流式電站，為隔河巖水庫(kù)的反調(diào)節(jié)水庫(kù)。清江干流梯級(jí)的調(diào)蓄能力優(yōu)于長(zhǎng)江干流梯級(jí)。兩梯級(jí)水庫(kù)特性，見(jiàn)表1。

三峽電站地位重要，除了向電力系統(tǒng)供電外，還承擔(dān)著電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用等重要任務(wù)，但水庫(kù)調(diào)節(jié)性能僅為季調(diào)節(jié)，同時(shí)電站調(diào)峰運(yùn)行還受以下幾方面的約束：

表1 5座水庫(kù)特性指標(biāo)值

1）防洪約束。三峽水庫(kù)還承擔(dān)下游重要的防洪任務(wù)，汛期維持汛限水位145 m運(yùn)行，預(yù)留防洪庫(kù)容221.5億m3，可用于發(fā)電調(diào)節(jié)的庫(kù)容有限，而汛期來(lái)水量大，為避免棄水，調(diào)峰運(yùn)行受限。

2）航運(yùn)約束。三峽電站調(diào)峰運(yùn)行要符合下游航運(yùn)要求，為保證航運(yùn)安全，葛洲壩水庫(kù)水位日變幅不宜超過(guò)3 m，最大時(shí)變幅不超過(guò)1 m；同時(shí)三峽船閘在4～5級(jí)轉(zhuǎn)換要求下游水位不低于64 m，直接影響三峽電站的調(diào)峰運(yùn)行。

3）葛洲壩水庫(kù)調(diào)節(jié)能力約束。葛洲壩水庫(kù)為三峽水庫(kù)的反調(diào)節(jié)水庫(kù)，調(diào)節(jié)庫(kù)容有限，為避免葛洲壩棄水，一定程度上影響了三峽電站調(diào)峰運(yùn)行。

清江梯級(jí)電廠是華中電網(wǎng)主力調(diào)峰、調(diào)頻電廠，同時(shí)承擔(dān)著調(diào)整特高壓聯(lián)絡(luò)線功率偏差以及旋轉(zhuǎn)備用的任務(wù)，水布埡電廠是川鄂聯(lián)網(wǎng)的重要站點(diǎn)，是華中電網(wǎng)在鄂西的重要電壓支撐點(diǎn)，自投產(chǎn)以來(lái)一直承擔(dān)著系統(tǒng)調(diào)相調(diào)壓的任務(wù)。清江梯級(jí)電站運(yùn)行中主要存在以下問(wèn)題：

1）從2 009年清江梯級(jí)電站全部投產(chǎn)以來(lái)，清江流域持續(xù)偏枯，近5年年均來(lái)水量為72.25億m3，遠(yuǎn)低于多年平均年徑流量（90.89億m3）；近5年清江梯級(jí)年均發(fā)電量為61.99億kW·h，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值（79.22億kW·h），清江梯級(jí)電站發(fā)電及調(diào)峰運(yùn)行受到較大制約。

2）水布埡長(zhǎng)期低谷時(shí)為電網(wǎng)提供調(diào)壓服務(wù)，在枯水期，由于來(lái)水不足，只能小負(fù)荷開(kāi)機(jī)，其耗水率增大，水能利用不經(jīng)濟(jì)。

3）水布埡汛期末需要盡快抬高水位，但由于來(lái)水量不足，蓄水緩慢，蓄滿率低，影響發(fā)電效益。

引江入清項(xiàng)目的建設(shè)可以吸收三峽、葛洲壩電站大量的水電基荷電能和棄水電能，充分發(fā)揮其調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相等作用。能夠優(yōu)化資源利用，提高水電群整體效益；優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，提高電網(wǎng)供電可靠性；適應(yīng)電力市場(chǎng)改革，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

重點(diǎn)研究蓄引結(jié)合方案的可行性，為五庫(kù)聯(lián)調(diào)的應(yīng)用提供全新的方案。將抽水蓄能與引水結(jié)合，實(shí)現(xiàn)兩江梯級(jí)的五庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，對(duì)提高華中電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性、改善區(qū)域能源平衡、提高整體供電質(zhì)量具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 方案對(duì)比

根據(jù)三峽、葛洲壩、水布埡、隔河巖、高壩洲5座電站、水庫(kù)特性與區(qū)域水文特征和防洪調(diào)度要求，利用1∶50 000 地形圖、1∶10 000 地形圖及Google Earth地圖，通過(guò)分析計(jì)算、結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)查勘，擬定引江入清引水線路和引水方案，并研究了“純引水”與“蓄引結(jié)合”兩大類(lèi)方案。

純引水方案，即利用提水泵站從三峽水庫(kù)抽水，通過(guò)隧洞送水至清江流域水布埡水庫(kù)或隔河巖水庫(kù)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)由于目前沒(méi)有合適的大流量、高揚(yáng)程水泵可供選用，需建2～3級(jí)數(shù)10臺(tái)提水泵站。經(jīng)分析，此類(lèi)引水方案，建設(shè)投資大，抽水成本高，設(shè)備利用率低，經(jīng)濟(jì)效益差，財(cái)務(wù)上缺乏生存能力。

因此，結(jié)合地形地貌，創(chuàng)新性地提出了蓄引結(jié)合方案。以抽水蓄能電站可逆式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組代替純引水方案抽水水泵，采用抽水蓄能電站與引水工程相結(jié)合。此方案能發(fā)揮蓄能電站機(jī)組高水頭大容量的技術(shù)特點(diǎn)，利用蓄能電站機(jī)組代替單一的提水水泵，在保證蓄能電站運(yùn)行的同時(shí)，采取多抽少發(fā)的方式，從三峽庫(kù)區(qū)或入庫(kù)支流抽水至上水庫(kù)，再通過(guò)引水隧洞輸水至清江梯級(jí)水庫(kù)。其工作示意圖如圖1所示。

圖1 蓄引結(jié)合方案示意圖

3 蓄引結(jié)合方案規(guī)劃案例

綜合考慮抽水蓄能電站建設(shè)條件與引水工程建設(shè)條件，以三峽庫(kù)區(qū)支流的小溪河蓄引結(jié)合方案的規(guī)劃案例為例，全局示意圖如圖2所示。工程從小溪河左岸陸家坪建設(shè)蓄能電站，結(jié)合引水方案每日利用三峽電廠基腰荷電抽水16 h，通過(guò)小溪河引三峽庫(kù)區(qū)水，至野三河電站尾水，入水布埡水庫(kù)。根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷特性分析，研究按每日非負(fù)荷高峰時(shí)段約16 h抽水，蓄能電站發(fā)電5 h，向水布埡庫(kù)區(qū)引水19 h考慮。

小溪河蓄引結(jié)合工程分為抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)和引水系統(tǒng)兩部分。小溪河抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)包括上下水庫(kù)、大壩、抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)和地下廠房洞室群等。上庫(kù)需新建，既可作為蓄能電站的上水庫(kù)，又兼作引江入清的調(diào)節(jié)庫(kù)。此水庫(kù)位于湖北省巴東縣陸家坪、三茅山溝谷，三峽庫(kù)區(qū)的右岸，支流小溪河的左岸，距宜昌市公路里程253 km；下水庫(kù)為三峽水庫(kù)，進(jìn)出水口位于小溪河左岸，距離小溪河與長(zhǎng)江交匯口2.5 km，輸水系統(tǒng)水平距離約為908 m，距高比為3.2，三維示意圖見(jiàn)圖3。水庫(kù)最大壩高135 m，壩軸線長(zhǎng)度550 m；正常蓄水位500 m，天然有效庫(kù)容867萬(wàn)m3，開(kāi)挖后有效庫(kù)容可達(dá)1 341萬(wàn)m3，發(fā)電水頭為281～351 m，額定水頭317 m；電站總裝機(jī)容量1 500 MW，安裝4臺(tái)375 MW單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)，年發(fā)電量為25.1億kW·h。上水庫(kù)淹沒(méi)戶(hù)數(shù)約21戶(hù)，人口84人，淹沒(méi)耕園地9.47 hm2。

小溪河引水系統(tǒng)包括上水庫(kù)進(jìn)水口、引水隧洞、下游出水口等。從上庫(kù)向清江引水，進(jìn)水口布置在上庫(kù)的南側(cè)，出水口布置于清江支流野三河電站尾水處，即水布埡庫(kù)區(qū)，其正常蓄水位為400 m。引水隧洞洞涇為8.7 m，長(zhǎng)約為52 km，日平均引水流量為160 m3/s。見(jiàn)圖2，3。

圖2 小溪河蓄引工程全局圖

圖3 小溪河蓄引工程三維示意圖

4 結(jié)果與討論

1）抽水電量及增加發(fā)電量

抽水蓄能電站發(fā)電量按折合日滿發(fā)5 h計(jì)算，年平均發(fā)電量25.1億kW·h，綜合效率取78%，年抽水耗電量約32.2億kW·h；引水工程多年平均調(diào)引水量49.5億m3，年抽水用電量48.3億kW·h，根據(jù)兩流域5座梯級(jí)電站近5年實(shí)際調(diào)度運(yùn)行情況計(jì)算，引水后增加清江3座梯級(jí)電站平均年增發(fā)電量約37.2億kW·h，減少三峽2座梯級(jí)電站年發(fā)電量約13.5億kW·h。蓄能電站工程及引水工程合計(jì)，年抽水用電量94億kW·h，凈增年發(fā)電量62.3億kW·h，綜合效率66.3%。

2）上網(wǎng)電價(jià)

抽水蓄能上網(wǎng)電價(jià)，根據(jù)國(guó)家發(fā)改委2014年7月出臺(tái)的《抽水蓄能價(jià)格形成機(jī)制》，采用兩部制電價(jià)。容量電價(jià)按照彌補(bǔ)抽水蓄能電站固定成本及準(zhǔn)許收益的原則核定。參照近期核準(zhǔn)及已建抽水蓄能電站的容量電價(jià)情況，初擬項(xiàng)目抽水蓄能容量電價(jià)為550 元/（kW·a）。

表2 小溪河蓄引方案增加、減少發(fā)電量

電量電價(jià)按照彌補(bǔ)抽水蓄能電站抽發(fā)電損耗等變動(dòng)成本的原則確定，項(xiàng)目抽水?dāng)M利用三峽或葛洲壩電站的直供電。葛洲壩電站與三峽站的上網(wǎng)電價(jià)分別為0.195 元/（kW·h），0.25 元/（kW·h）?？紤]到電力市場(chǎng)改革以后，直供電價(jià)格將較現(xiàn)狀上網(wǎng)電價(jià)有所降低，初擬抽水電價(jià)0.15元/（kW·h），考慮抽水損耗及其他變動(dòng)成本，相應(yīng)上網(wǎng)電量電價(jià)約為0.25 元/（kW·h）。

引水工程上網(wǎng)電價(jià)直接取水布埡、隔河巖、高壩洲三電站現(xiàn)狀上網(wǎng)電價(jià)，分別為0.395元/（kW·h），0.36 元/（kW·h），0.4145 元/（kW·h）。

3）財(cái)務(wù)指標(biāo)

工程資本金按工程總投資20%的比例出資，余下的80%擬考慮從銀行貸款，貸款年限為20年，貸款利率為4.99%，計(jì)算期取36年。

為分析抽水電價(jià)對(duì)財(cái)務(wù)指標(biāo)的影響，對(duì)抽水電價(jià)同時(shí)擬定了0.1 元/（kW·h）和0.15 元/（kW·h）2個(gè)方案。不同抽水電價(jià)，抽水蓄能工程、引水工程以及全部工程的財(cái)務(wù)指標(biāo)如表3所示。抽水電價(jià)為0.1元/（kW·h）時(shí)，全部工程的項(xiàng)目財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為8.89%，資本金內(nèi)部收益率16.37%。抽水電價(jià)為0.15元/（kW·h）時(shí)，全部工程的項(xiàng)目財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為6.80%，資本金內(nèi)部收益率11.31%。

由表3可知，小溪河蓄引結(jié)合工程抽水電價(jià)對(duì)項(xiàng)目盈利能力影響較大。按資本金財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率8%控制，整個(gè)蓄引工程盈虧平衡點(diǎn)抽水電價(jià)為0.179元/（kW·h），引水工程部分的盈虧平衡點(diǎn)抽水電價(jià)約為0.123 元/（kW·h）。

表3 小溪河蓄引方案財(cái)務(wù)分析結(jié)果表

按資本金財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率10%控制，整個(gè)蓄引工程盈虧平衡點(diǎn)抽水電價(jià)為0.162元/（kW·h），引水工程部分的盈虧平衡點(diǎn)抽水電價(jià)約為0.112元/（kW·h）。財(cái)務(wù)基本可行。

5 結(jié)語(yǔ)

純引水方案受大流量、高揚(yáng)程水泵制造能力的限制，抽水成本高，投資效益低，財(cái)務(wù)上缺乏生存能力。

以抽水蓄能電站可逆式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組代替純引水方案抽水水泵，采用抽水蓄能電站與引水工程相結(jié)合，擬定的小溪河蓄引方案技術(shù)上是可行的。小溪河蓄引方案：從小溪河左岸陸家坪建設(shè)蓄能電站結(jié)合引水方案每日利用三峽電廠基腰荷電抽水16 h，通過(guò)小溪河引三峽庫(kù)區(qū)水，至野三河電站尾水，入水布埡水庫(kù)，引水日平均流量160 m3/s，年引水量49.5億m3。工程靜態(tài)總投資為105.07億元，其中，抽水蓄能電站裝機(jī)容量1 500 MW，工程靜態(tài)投資58.56億元，投資3 904元/kW；引水工程靜態(tài)投資46.50億元，單位水量投資0.94元/m3。蓄能電站工程及引水工程合計(jì)，年抽水用電量94.0億kW·h，凈增年發(fā)電量62.3億kW·h，綜合效率66.3%。抽水電價(jià)控制在0.18元/（kW·h）以下時(shí)，資本金內(nèi)部收益率為8%以上，財(cái)務(wù)上基本可行。工程無(wú)重大制約因素，主要技術(shù)難點(diǎn)為長(zhǎng)距離輸水隧洞施工，但已有類(lèi)似工程案例。

蓄引結(jié)合方案為五庫(kù)聯(lián)調(diào)提供了一個(gè)嶄新的視角，也解決了將三峽水庫(kù)調(diào)節(jié)性能較差的水引至調(diào)節(jié)性能強(qiáng)的清江水庫(kù)的同時(shí)，財(cái)務(wù)上還具備可行性，為今后水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度指引方向。