數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景下的抽水蓄能電站建設(shè)淺談

劉珊

（中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024）

1.國家數(shù)字經(jīng)濟(jì)及“雙碳”發(fā)展目標(biāo)

1.1 數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策法規(guī)

2020年10月29日，黨的十九屆五中全會(huì)指出“堅(jiān)定不移建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國、數(shù)字中國，加快數(shù)字化發(fā)展”正式將“加快數(shù)字化發(fā)展”、建設(shè)“數(shù)字中國”寫入國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“十四五”規(guī)劃及2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)，數(shù)字化發(fā)展成為國家明確的政策重點(diǎn)方向。2021年，國家相繼出臺(tái)了《中華人民共和國數(shù)據(jù)安全法》《關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施安全保護(hù)條例》等法律法規(guī)；印發(fā)了《“十四五”國家信息化規(guī)劃》《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《物聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)三年行動(dòng)計(jì)劃》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》等系列發(fā)展規(guī)劃，聚焦數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)字社會(huì)、數(shù)字政府和數(shù)字生態(tài)4大主題領(lǐng)域，提出數(shù)字中國未來發(fā)展展望和具體應(yīng)用舉措。

1.2 碳達(dá)峰、碳中和的綠色能源發(fā)展

2020年9月22日，習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上宣布中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。把碳達(dá)峰、碳中和納入經(jīng)濟(jì)社會(huì)全局發(fā)展，以經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型為引領(lǐng)，以能源綠色低碳發(fā)展為關(guān)鍵，加快形成節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系，提升能源利用效率、提高非化石能源消費(fèi)比重、降低二氧化碳排放水平、提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力[1]。

碳達(dá)峰、碳中和的綠色能源發(fā)展目標(biāo)的提出，對(duì)我國的能源主體結(jié)構(gòu)提出新的要求。當(dāng)前，傳統(tǒng)的化石能源在能源消費(fèi)主體架構(gòu)所占比重逐年降低，太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉吹难b機(jī)規(guī)模逐年上升，隨著白鶴灘、烏東德、兩河口等大型水電站的投產(chǎn)發(fā)電，多能互補(bǔ)促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。

碳達(dá)峰、碳中和的綠色能源發(fā)展目標(biāo)的提出，對(duì)我國的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提出了新的要求。光伏、風(fēng)電等分布式電源具有隨機(jī)性、波動(dòng)性、分散性等特點(diǎn)，對(duì)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出新的挑戰(zhàn)。借助數(shù)字技術(shù)發(fā)展大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，提高可再生能源占比和利用效率，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)全環(huán)節(jié)的智能互動(dòng)、精準(zhǔn)控制推動(dòng)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

2021年8月國家能源局發(fā)布《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》重點(diǎn)指出“在全球應(yīng)對(duì)氣候變化，我國努力實(shí)現(xiàn)‘2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和’目標(biāo)，加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的新形勢下，抽水蓄能加快發(fā)展勢在必行”，“抽水蓄能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、最具大規(guī)模開發(fā)條件的電力系統(tǒng)綠色低碳清潔靈活調(diào)節(jié)電源”[2]。

2.抽水蓄能電站簡介

2.1 什么是抽水蓄能電站

抽水蓄能電站是水電站的一種特殊形式，又稱蓄能式水電站，是電網(wǎng)中的充電寶。電站通常由上水庫、下水庫、引水隧洞、地下廠房、地面送出開關(guān)站等主要工程建筑物構(gòu)成。電站機(jī)組采用發(fā)電/電動(dòng)機(jī)+水泵水輪機(jī)，同時(shí)具備發(fā)電工況與電動(dòng)工況兩種運(yùn)行方式。通常夜間機(jī)組工作于電動(dòng)機(jī)工況，將下水庫的水抽入至上水庫，以消納電網(wǎng)中過剩的電能，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)儲(chǔ)能。日間機(jī)組工作于發(fā)電工況，利用上水庫水的重力勢能進(jìn)行發(fā)電，以補(bǔ)充電網(wǎng)中的電力不足，削峰填谷實(shí)現(xiàn)電力平衡。抽水蓄能電站具備開停機(jī)時(shí)間短、運(yùn)行靈活可靠等特點(diǎn)，可對(duì)電網(wǎng)急劇變化的負(fù)荷快速響應(yīng)，通過抽水蓄能機(jī)組發(fā)電-電動(dòng)工況的切換實(shí)現(xiàn)調(diào)峰、調(diào)壓、調(diào)頻、系統(tǒng)備用和黑啟動(dòng)電源等多種功能。發(fā)展抽水蓄能電站有利用提升電力系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性、經(jīng)濟(jì)性與安全性，是“雙碳”綠色能源發(fā)展目標(biāo)下，構(gòu)建新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的重要方式。

2.2 抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)形式

按照抽水蓄能電站上、下水庫的調(diào)節(jié)周期不同通常將抽水蓄能電站分為日調(diào)節(jié)、周調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)電站。

日調(diào)節(jié)電站在電力系統(tǒng)中主要承擔(dān)日負(fù)荷的削峰填谷及事故備用職責(zé)，通常以一天為一個(gè)調(diào)節(jié)周期，白天負(fù)荷高峰時(shí)段通過上水庫向下水庫放水進(jìn)行發(fā)電滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求，夜間負(fù)荷低谷時(shí)通過下水庫向上水庫抽水作為負(fù)荷消耗電能達(dá)到填谷的要求。

周調(diào)節(jié)電站以一周為一個(gè)運(yùn)行周期，除根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷變化每日調(diào)節(jié)外，針對(duì)周一至周五的工作時(shí)段用電負(fù)荷較大的特點(diǎn)盡可能較多的發(fā)電配合系統(tǒng)調(diào)峰，周末盡可能利用多余電能延長抽水時(shí)間，儲(chǔ)備更多的蓄水能量。目前，福建仙游、河北豐寧等抽水蓄能電站多為周調(diào)節(jié)電站。

季調(diào)節(jié)電站通常利用常規(guī)水電站汛期棄水的季節(jié)性電能作為抽水能源，將水源抽到上水庫儲(chǔ)存起來，枯水期再進(jìn)行發(fā)電以彌補(bǔ)負(fù)荷高峰及地表徑流不足，季節(jié)性電站通常需要下水庫具備充足的水源及較大的上水庫庫容以滿足季節(jié)性調(diào)節(jié)要求。國家能源局在抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃中提出，探索常規(guī)水電站梯級(jí)融合改造增建混合式抽水蓄能電站，使之形成示范推廣。

3.國內(nèi)外抽水蓄能電站發(fā)展歷程

3.1 國外抽水蓄能電站發(fā)展

抽水蓄能電站的發(fā)展距今已有130余年的歷史，抽水蓄能電站先后經(jīng)歷了水泵、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)相分離的四機(jī)式，水泵、水輪機(jī)、發(fā)電-電動(dòng)機(jī)組成的三機(jī)式，到目前的水泵水輪機(jī)、發(fā)電-電動(dòng)機(jī)兩機(jī)可逆式機(jī)組。1882年，瑞士蘇黎世奈特拉電站是第一座抽水蓄能電站，總裝機(jī)容量515kW，是一座季調(diào)節(jié)性抽水蓄能電站。20世紀(jì)60年代以前，歐洲國家引領(lǐng)著世界抽水蓄能電站的發(fā)展。20世紀(jì)70至80年代，隨著兩次石油危機(jī)的影響，燃油電站比重下降，核電建設(shè)迅猛發(fā)展，低谷富裕電量大增，急需調(diào)峰填谷為抽水蓄能電站的發(fā)展帶來契機(jī)，抽數(shù)蓄能電站的年增長率達(dá)到11.26%，美國抽水蓄能電站的裝機(jī)容量躍居世界第一，到1990年底，全世界抽水蓄能電站的裝機(jī)容量達(dá)到86879MW，占總裝機(jī)容量的3.15%。20世紀(jì)90年代，受蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故影響，世界對(duì)核電站安全性提出疑問，加之發(fā)達(dá)國家經(jīng)濟(jì)增速放緩，抽水蓄能電站年均增長速度降至2.75%，到2000年，全世界抽水蓄能電站的裝機(jī)容量達(dá)到114000MW，日本超越美國成為抽水蓄能電站裝機(jī)容量最大的國家。進(jìn)入21世紀(jì)，西方發(fā)達(dá)國家經(jīng)濟(jì)增速放緩，抽水蓄能電站新增裝機(jī)規(guī)模有限，中國、韓國、印度等亞洲國家電力需求旺盛，抽水蓄能電站發(fā)展迅猛。2010年，全世界抽水蓄能電站的裝機(jī)容量達(dá)到135000MW，2020年，裝機(jī)容量達(dá)到159490MW，年均增長率1.68%。2017年，中國抽水蓄能裝機(jī)容量超過日本達(dá)到28490MW，成為世界抽水蓄能電站規(guī)模最大的國家[4]。

3.2 國內(nèi)抽水蓄能電站發(fā)展

我國的抽水蓄能電站起步于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過50多年的建設(shè)與發(fā)展已經(jīng)積累了豐富的機(jī)組制造技術(shù)和工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。1968年，河北崗南水電站安裝了一臺(tái)11MW的進(jìn)口抽水蓄能機(jī)組，拉開了我國抽水蓄能電站建設(shè)的序幕。1973年—1975年，密云水庫白河水電站安裝了兩臺(tái)11MW的抽水蓄能機(jī)組，第一次實(shí)現(xiàn)了抽水蓄能機(jī)組的國產(chǎn)化。20世紀(jì)90年代，為了配合國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，減少拉閘限電相繼建設(shè)了十三凌、廣蓄、天荒坪等一批大型抽水蓄能電站，到2000年，國內(nèi)抽水蓄能電站裝機(jī)容量達(dá)到5520MW。進(jìn)入21世紀(jì)，我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入快速發(fā)展期，惠州、寶泉、張河灣、西龍池、桐柏、泰安等11個(gè)抽水蓄能電站開展建設(shè)，截至2010年底，國內(nèi)抽水蓄能電站裝機(jī)容量達(dá)到14510MW，抽水蓄能機(jī)組國產(chǎn)化率大幅提升。2011年—2020年，為適應(yīng)“十三五”時(shí)期新能源、特高壓電網(wǎng)的快速發(fā)展，抽水蓄能迎來新的高峰，吉林敦化、河北豐寧、山東文登、山東沂蒙、安徽績溪等一批抽水蓄能開展建設(shè)。截至2020年底，全國抽水蓄能運(yùn)行電站32座總裝機(jī)容量32490MW，在建抽水蓄能電站裝機(jī)容量55130MW，國內(nèi)已形成較為完備的抽水蓄能電站勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、機(jī)組制造及設(shè)備成套等技術(shù)管理體系，在建的河北豐寧抽水蓄能電站總裝機(jī)3600MW更是成為世界最大的抽水蓄能電站。

4.抽水蓄能電站工程選址及投資影響

抽水蓄能電站的規(guī)劃選址及投資成本控制，通常受區(qū)域地理位置、地質(zhì)地形條件、環(huán)境條件、水頭及距高比等因素影響。

4.1 地理位置因素

抽水蓄能電站主要的工作任務(wù)為削峰填谷、調(diào)相調(diào)頻等，因此，電站地理位置選址多位于電源中心或負(fù)荷中心及城市周邊附近，通過國內(nèi)近90座抽水蓄能電站建設(shè)資料分析，93%的電站選址位置距離電源及負(fù)荷中心通常在200km以內(nèi)[3]，67.9%的電站選址在100km以內(nèi)。如十三陵抽水蓄能電站，總裝機(jī)80萬千瓦，距離北京市區(qū)約40km，承擔(dān)北京市應(yīng)急及事故備用電源的職責(zé)。為配合山東海陽、乳山紅石頂、威海石島灣等核電站建設(shè)，山東省內(nèi)同步規(guī)劃建設(shè)了文登、沂蒙、萊蕪、海陽、濰坊等抽水蓄能電站，以達(dá)到削峰填谷動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的作用。

4.2 地質(zhì)地形條件

抽水蓄能電站通常選擇在河流或水庫周邊，有利于利用地形優(yōu)勢形成天然上、下水庫的地質(zhì)條件優(yōu)良區(qū)域。選擇有利于庫盆形成的地形區(qū)域，可減少上下水庫的壩體填筑，節(jié)省土石方開發(fā)成本。同時(shí)，圍巖的地質(zhì)條件對(duì)庫盆的防滲性處理及輸水管道的襯砌形式起著很大的作用，上水庫的防滲性處理有時(shí)對(duì)工程經(jīng)濟(jì)性影響最大。此外，由于抽水蓄能電站多為地下式廠房，選擇地質(zhì)條件發(fā)育優(yōu)良區(qū)域可為輸水系統(tǒng)及地下廠房洞室群的開挖提供有利條件，對(duì)于保證工程建設(shè)工期及整體投資控制影響性較大。

4.3 環(huán)境影響因素

近年來，國家高度重視環(huán)境保護(hù)評(píng)價(jià)和工程建設(shè)與周邊環(huán)境的影響。相對(duì)于常規(guī)水電，抽水蓄能的上下庫庫容小、占地面積小、征地拆遷范圍小，并多位于城市附近對(duì)自然環(huán)境的影響遠(yuǎn)小于常規(guī)水電工程。電站在選址設(shè)計(jì)過程中需要考慮上、下庫進(jìn)、出水口等地表建筑物與周邊風(fēng)景名勝區(qū)的景觀配合，與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)。電站在建設(shè)施工過程中，需重點(diǎn)考慮工程廢水、廢氣、廢渣對(duì)自然環(huán)境的影響與破壞，通常設(shè)計(jì)單位會(huì)結(jié)合工程區(qū)域特點(diǎn)合理開展各工區(qū)的施工場地規(guī)劃，在廠內(nèi)施工道路、施工用電線路的設(shè)計(jì)過程中，考慮永臨結(jié)合，充分利用地下洞室開挖的石料進(jìn)行壩體填筑，做到資源的二次利用，減少對(duì)周邊環(huán)境的破壞。

4.4 水頭及距高比

抽水蓄能電站中的水頭是指上水庫的水平面至水輪機(jī)入口的垂直高度，水頭高度越高所具備的重力勢能越大，同等流量條件下機(jī)組的發(fā)電量越多，對(duì)機(jī)組形式的設(shè)計(jì)選擇影響較大。距高比指上、下水庫水平距離與垂直高度的比值，我國70%抽水蓄能電站的距高比集中在2～7，距高比影響了輸水線路長度與水頭損失，對(duì)電站的整體投資及工程布置影響較大。

5.抽水蓄能電站技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

經(jīng)過50多年的抽水蓄能電站建設(shè)與發(fā)展，我國已經(jīng)積累了豐富的抽水蓄能電建設(shè)計(jì)建設(shè)及運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)。

5.1 抽水蓄能電站典型化設(shè)計(jì)

區(qū)別于常規(guī)水電工程，抽水蓄能電站的裝機(jī)容量固定，通常為4臺(tái)300MW或6臺(tái)300MW的機(jī)組容量，機(jī)組布置于地下廠房內(nèi)受地形條件影響小，為電站的典型化設(shè)計(jì)提供了有利條件。目前相關(guān)設(shè)計(jì)建設(shè)單位按照“安全可靠、環(huán)保節(jié)約、技術(shù)先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一”的原則，先后形成電站地下廠房、開關(guān)站、輸水系統(tǒng)等主要工程構(gòu)筑物的典型化設(shè)計(jì)方案，后續(xù)抽水蓄能電站的整體投資控制及大規(guī)模建設(shè)提供技術(shù)指導(dǎo)。

5.2 抽水蓄能電站數(shù)字化設(shè)計(jì)建造

目前已利用GIS、傾斜攝影及地勘三維分析等數(shù)字化手段服務(wù)抽水蓄能電站的規(guī)劃選址，通過三維位片與地質(zhì)數(shù)據(jù)模擬形成主要建筑物工程布置與地質(zhì)三維模型，開展初步經(jīng)濟(jì)性比選分析。利用BIM等技術(shù)完成地下廠房、輸水系統(tǒng)、機(jī)組布置等三維設(shè)計(jì)，利用BIM技術(shù)服務(wù)電站全生命周期管理，做到設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行的工期可控，成本節(jié)約與一體化協(xié)同。借助物聯(lián)網(wǎng)傳感器、5G、北斗定位等智能化設(shè)備輔助施工建設(shè)管理，做到智慧化建設(shè)感知，提高工程建設(shè)質(zhì)量，形成數(shù)字孿生的智慧化抽水蓄能電站。

5.3 抽水蓄能電站設(shè)計(jì)施工自主可控

上下水庫庫盆的設(shè)計(jì)施工過程中應(yīng)用了鋼筋混凝土、瀝青混凝土、土工膜等多種組合防滲處理方式，防滲技術(shù)世界領(lǐng)先。地下洞室群建設(shè)開挖支護(hù)先后采用噴錨支護(hù)配合局部預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)對(duì)發(fā)雜圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)支護(hù)處理經(jīng)驗(yàn)豐富。完全掌握巖壁吊車梁的設(shè)計(jì)施工技術(shù)，利用巖壁錨桿與鋼筋混凝土配合澆筑形成巖壁吊車梁可支撐500t橋起吊重量，服務(wù)電站建設(shè)及機(jī)組安裝。

6.發(fā)展與展望

隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，國家正積極構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，風(fēng)電、光伏等綠色能源在電網(wǎng)中的比例將會(huì)大規(guī)模提高，而抽水蓄能電站作為當(dāng)前電力能源的最安全、經(jīng)濟(jì)、有效儲(chǔ)能方式對(duì)于保障電力系統(tǒng)供電安全，促進(jìn)新能源的大規(guī)模發(fā)展起到積極作用[5]。抽水蓄能電站經(jīng)過多年的建設(shè)發(fā)展已經(jīng)具備技術(shù)上的自主可控，將在未來清潔低碳、安全可靠、智慧靈活、經(jīng)濟(jì)高效新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮積極作用。