何發(fā)龍
(安仁縣水利局,湖南 郴州 423600)
風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電具有隨機性、間歇性和波動性等特點,電力系統(tǒng)必須有足夠的靈活調(diào)節(jié)的電源,以保障運行穩(wěn)定。相對電化學(xué)儲能、壓縮空氣儲能等而言,抽水蓄能技術(shù)是目前世界公認(rèn)的技術(shù)最成熟、經(jīng)濟效益最好、最具靈活性、安全性最高、壽命最長、環(huán)境污染最少、應(yīng)用最為廣泛的儲能技術(shù)。截至2022 年底,我國抽水蓄能裝機規(guī)模占全球儲能總規(guī)模的94.6%。我國在2022 年已建成抽水蓄能電站總裝機4 089 萬kW,全球最高。但我國抽水蓄能在電力系統(tǒng)中的比例僅有1.59%,遠(yuǎn)低于歐美發(fā)達(dá)國家。抽水蓄能電站廠址都在山區(qū),對發(fā)展地方經(jīng)濟、實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興具有現(xiàn)實意義。在抽水蓄能電站發(fā)展的同時,必須正視影響抽水蓄能建設(shè)的問題,以推進抽水蓄能電站快速、有序、高效、健康地發(fā)展。
金紫仙抽水蓄能電站位于金紫仙鎮(zhèn)金紫仙村。上水庫位于金紫仙鎮(zhèn)高源村西康片區(qū)(原西康村),下水庫位于金紫仙鎮(zhèn)金紫仙村(原金花村)。西康水庫(上水庫)集雨面積為1.2 km2,庫周山體較雄厚,巖性以砂礫巖為主。初擬西康水庫正常蓄水位為870 m,相應(yīng)庫容為990 萬m3,死水位為830 m,死庫容為110 萬m3,調(diào)節(jié)庫容約880 萬m3。上水庫壩頂總長度約550 m。
金紫仙水庫(下水庫)集雨面積為17.8 km2(不含上水庫)。初擬金紫仙水庫正常蓄水位為470 m,相應(yīng)庫容為1 000 萬m3,死水位為430 m,死庫容為120 萬m3,調(diào)節(jié)庫容為880 萬m3。下水庫壩頂長度約460 m。
輸水發(fā)電系統(tǒng)主要建筑物包括上水庫進/出水口、上游引水道、地下電站、下游引水道、下水庫進/出水口、變電站等。
上、下水庫進/出水口水平距離約1 600 m,利用水頭400 m,距高比為4。
電站裝機容量為120 萬kW,安裝4 臺單機容量為30 萬kW 的單級、立軸、單轉(zhuǎn)速、混流、可逆式水泵水輪機組。電站初擬500 kV 出線一回接入郴州蘇耽500 kV變電站,直線距離約80 km。經(jīng)估算,該項目總投資為80 億元。
安仁縣金紫仙抽水蓄能電站是性能優(yōu)良的調(diào)峰電站,具有電能轉(zhuǎn)換(填谷)、調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用、調(diào)相、快速跟蹤負(fù)荷、提高系統(tǒng)可靠性等顯著作用。
該項目于2021 年8 月進入國家能源局《抽水蓄能中長期規(guī)劃》(2021—2035 年),2022 年8 月預(yù)可行性研究報告審查通過,2023 年2 月樞紐布置、正常蓄水位、施工總布置等3 個專題報告審查通過,2023 年3 月征地移民專題報告審查通過,計劃2023 年6 月可行性研究報告審查通過、核準(zhǔn)開工,2030 年全部機組竣工、發(fā)電。
金紫仙抽水蓄能電站樞紐工程采用:混凝土面板堆石壩+溢洪道+泄洪兼沖沙放空洞+引水道+地下廠房。西康水庫(上水庫)和金紫仙水庫(下水庫)大壩均采用面板堆石壩方案,大壩是設(shè)計與施工的關(guān)鍵。
堆石料分區(qū)按面板壩的受力特點和滲流要求劃分,壩體分區(qū)從上游到下游分別為上游鋪蓋區(qū)、墊層區(qū)、特殊墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、主堆石排水區(qū)和下游堆石區(qū)。
1)上游鋪蓋區(qū)。為封堵面板可能出現(xiàn)的裂縫及周邊縫缺陷,在上游壩腳設(shè)置黏土鋪蓋區(qū),鋪蓋水平厚度為3 m,上游坡比為1∶2.5,下游面緊貼面板與趾板。
2)特殊墊層區(qū)。位于面板下,設(shè)計水平寬度為4 m。主要采用新鮮、堅硬的細(xì)料并經(jīng)過碾壓以達(dá)到級配優(yōu)良、連續(xù)、密實,使?jié)B透系數(shù)達(dá)到10-3cm/s。壓實后,其孔隙率小于21%,小于5 mm 的墊層料占30%~40%,最大粒徑為80 mm。
3)過渡區(qū)。過渡區(qū)位于墊層區(qū)與主堆石之間,設(shè)計水平寬度為4 m。過渡料應(yīng)具有良好的級配,用堅硬的石料填筑,最大粒徑不超過300 mm,壓實后孔隙率不大于23%。壓實后具有低壓縮性,高抗剪強度,并能對墊層料有反濾作用。
4)主堆石區(qū)。主堆石區(qū)是面板壩的主體,是墊層、過渡層的支撐體,堆石料具有良好的級配。使用堅硬的巖石填筑,壓實后孔隙率不大于25%,最大粒徑不大于600 mm。
5)下游堆石區(qū)。下游堆石區(qū)處于壩體的次要地位,主堆石區(qū)下游,其變形對壩體和面板變形影響不大,對級配要求可以放寬,碾壓層厚度可達(dá)1.2 m,最大粒徑不大于碾壓層厚的80%,壓實后的孔隙率不大于28%。
1)混凝土面板設(shè)計。面板堆石壩上游迎水面設(shè)置混凝土面板,它是壩體的主要防滲結(jié)構(gòu)。面板頂部高程厚度為0.3 m,面板底部高程厚度為0.6 m。中間按t=0.3+0.003 51H 變化,其中H 為面板頂部高程至計算點的高差。為防止面板開裂,分別給面板縱、橫加筋,其鋼筋率為0.5%。面板采用C25 混凝土,抗?jié)B指標(biāo)為W10,抗凍指標(biāo)為F100。面板混凝土采用滑模施工,為適應(yīng)壩體變形,面板設(shè)垂直縫,在兩壩肩附近的面板設(shè)張性垂直縫,間距為15 m,其余部分的面板設(shè)壓性垂直縫,間距也為15 m,與趾板結(jié)合處設(shè)周邊縫。
2)混凝土趾板設(shè)計。壩體堆石存在沉陷變形,面板不能與河床及兩岸基巖直接連接,只能通過混凝土底座與河床及兩岸基巖相連接。趾板寬度按水頭的1/15設(shè)計,分兩級,1/2 壩高以上的趾板寬度為4 m,1/2 壩高以下為6 m。趾板厚度為1.0 m。趾板分縫間距為16 m,趾板混凝土性能及其防裂要求與面板相同。
為增強基巖的整體性和耐久性,擬對壩基的軟弱夾層(砂礫巖)進行固結(jié)灌漿。固結(jié)灌漿的漿液為水泥漿,灌漿孔距為3 m,排距為3 m,梅花形布置。
帷幕灌漿布置在趾板中部,趾板帷幕灌漿與壩體及壩肩兩岸帷幕防滲相結(jié)合,形成一個整體。帷幕灌漿孔按單排布置,孔距為2 m,防滲標(biāo)準(zhǔn)按透水率小于或等于3 Lu。
壩體邊坡按覆蓋層1∶1.25、強風(fēng)化巖體1∶0.75、弱風(fēng)化巖體1∶0.5 開挖;壩肩岸坡為高邊坡開挖,采用L=28 m,間排距5 m 的錨索支護,在邊坡表面掛單層Φ6 鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格大小為15 cm×15 cm,然后噴10 cm 厚C25 混凝土的方式進行加固。見圖1。
圖1 金紫仙抽水蓄能電站上(下)水庫大壩標(biāo)準(zhǔn)剖面圖(1∶500)
1) 截至2022 年年底,我國抽水蓄能裝機容量為4 089 萬kW,遠(yuǎn)低于西方發(fā)達(dá)國家的占發(fā)電總裝機容量10%的一般要求。數(shù)據(jù)顯示,我國2010 年風(fēng)能和太陽能發(fā)電裝機僅有2 986 萬kW,然而到2022 年底,風(fēng)電、光電兩項新能源裝機總量達(dá)到6.38 億kW,增長21.4 倍之多。相比之下,抽水蓄能電站裝機從2010 年的1 692 萬kW 增加到2022 年的4 089 萬kW,僅增長2.42 倍。湖南省抽水蓄能資源很豐富,但規(guī)劃與建設(shè)跟不上新型電力系統(tǒng)發(fā)展;抽水蓄能資源跨省區(qū)投資與電力、電量交易尚處于探索階段,市場化程度很低??傮w上看,抽水蓄能電站發(fā)展滯后于新型電力系統(tǒng)需求。
2)湖南長沙黑麋峰抽水蓄能電站2018 年投產(chǎn),單位造價4 503 元/kW;金紫仙電站預(yù)計2030 年投產(chǎn),單位造價預(yù)計將在6 500 元/kW 以上,投資成本的快速增長將嚴(yán)重影響抽水蓄能上網(wǎng)電價和銷售電價。
3)國家發(fā)展和改革委員會《關(guān)于進一步完善抽水蓄能價格形成機制的意見》明確了電價形成機制,“能核盡核、能開盡開”,這是國家發(fā)改委和國家能源局對“十四五”時期抽水蓄能項目的明確政策。但規(guī)劃布局也可能會產(chǎn)生一些問題:布局不盡合理,可能造成電站建成不被需要或無法使用;一些電站建設(shè)條件較差,經(jīng)濟性差,建成后增加用戶電費負(fù)擔(dān);建設(shè)成本和運行成本可能一時難以消化,推高投資企業(yè)負(fù)債率和社會用電成本。這些情況不利于抽水蓄能電站健康發(fā)展。
4)國內(nèi)抽水蓄能機組的主要生產(chǎn)商是哈爾濱電氣、東方電氣和浙富控股,前兩家公司的產(chǎn)能約為40臺/年,即1 年1 000 萬kW 左右。2022 年,我國水輪發(fā)電機組市場占有率前三位的企業(yè)分別是:哈爾濱電氣,約占49%,東方電氣,約占41%,浙富控股,約占5%。抽水蓄能設(shè)備制造能力的不足也是影響抽水蓄能電站發(fā)展的重要因素。
1)金紫仙抽水蓄能電站抽水與發(fā)電總效率按80%計算,則綜合平均電價至少要在標(biāo)桿電價的基礎(chǔ)上提高27%;如果再計入容量電價(內(nèi)部收益+財務(wù)費用+稅金),估計還要增加14%。抽水蓄能電站必須要達(dá)到年度設(shè)計利用小時數(shù)(2 100 h)以上才具有合理的經(jīng)濟性。如果經(jīng)濟技術(shù)可行性研究做得不夠詳實,最終結(jié)局必然是浪費投資,抬高電價。
其他抽水蓄能電站如果無序開發(fā),無視電力系統(tǒng)和電力市場需求,就有可能建而少用或不用,而輸配電價將在不知不覺中提高,最終影響銷售電價,這種情況應(yīng)當(dāng)通過政府監(jiān)管予以避免。
2)抽水蓄能電站工程投資中機電設(shè)備及安裝工程投資約占28%;到2030 年抽水蓄能投產(chǎn)目標(biāo)是1.2億kW,全國抽水蓄能建設(shè)市場巨大。只有堅持自主創(chuàng)新為主,增強機電設(shè)備設(shè)計制造能力,重點攻關(guān)超高水頭大容量抽水蓄能水輪機、大容量變速機組設(shè)計制造自主化,并進一步提升勵磁、調(diào)速器、變頻裝置等輔機設(shè)備國產(chǎn)化水平,金紫仙抽水蓄能電站機組才能按時交貨,電站運行過程中抽水、發(fā)電效益才會提高。
3)從湖南抽水蓄能電站業(yè)主分布來看,已建成投產(chǎn)的湖南長沙黑麋峰抽水蓄能電站總裝機120 萬kW,控股業(yè)主為國網(wǎng)新源;在建的平江福壽山抽水蓄能電站總裝機140 萬kW,控股業(yè)主為國網(wǎng)新源;金紫仙抽水蓄能電站裝機120 萬kW,控股業(yè)主為國投集團。從全國以往的抽水蓄能發(fā)展歷程來看,國網(wǎng)新源公司是我國抽水蓄能電站投資的最大股東,這當(dāng)然有其合理性和合法性,但是其他國有或民營企業(yè)也有很高的投資積極性,以謀求在抽水蓄能電站建設(shè)市場中獲得發(fā)展,政府應(yīng)當(dāng)給予支持。
4)抽水蓄能電站應(yīng)根據(jù)電源分布特點、電網(wǎng)運行特性、用電負(fù)荷分布、電力結(jié)構(gòu)等確定抽水蓄能電站選址和容量。鑒于抽水蓄能發(fā)展有其自身特點,即建設(shè)周期通常為5~8 年,前期勘測設(shè)計及審批一般需要2~3年,因此抽水蓄能電站應(yīng)當(dāng)根據(jù)電力發(fā)展特點,提前進行勘測設(shè)計、選址布局,加快開工建設(shè),適時投產(chǎn)發(fā)電。
以10 年甚至30 年的時間跨度,在分析、預(yù)測當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會和電力發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上,進行選址規(guī)劃、土地預(yù)審、社會穩(wěn)定評估、移民規(guī)劃報告等前期工作,在符合生態(tài)環(huán)境保護要求的前提下,為抽水蓄能電站發(fā)展進行規(guī)劃和預(yù)留空間。
目前,金紫仙抽水蓄能電站已經(jīng)列入國家“十四五”重點能源項目,前期工作進展順利,計劃2023 年6月正式開工,2030 年全部機組竣工、發(fā)電。在安仁縣金紫仙鎮(zhèn)同一地區(qū),尚有金紫仙抽水蓄能電站二期工程,裝機容量120 萬kW(上水庫為學(xué)頭嶺水庫,下水庫為豪山水庫),可以列入國家“十五五”重點能源項目,做到滾動發(fā)展,優(yōu)勢發(fā)展,高質(zhì)量發(fā)展,快速、有序、高效、健康地發(fā)展。