論常蓄混合式水電站

劉 恒，賀雨陽，劉新鵬

（1.新疆水利發(fā)展投資（集團(tuán)）有限公司，新疆 烏魯木齊 832000；2.天津市熱力有限公司，天津 300070）

新疆電力系統(tǒng)是以火電為主的電源結(jié)構(gòu)，火電裝機(jī)容量嚴(yán)重過剩，環(huán)境壓力大；新疆的風(fēng)電、光電發(fā)展很快，存在棄風(fēng)、棄光，風(fēng)電、光電消納困難，發(fā)展受阻的問題。天山北坡的河流都是典型的內(nèi)陸季節(jié)性山溪性小河流，按常規(guī)水電站型式開發(fā)水電資源，都是中、小型水電站，而且多是小型水電站，對滿足當(dāng)前和將來大容量能源電力需求作用不大，對大規(guī)模區(qū)域電網(wǎng)調(diào)峰、能源革命、生態(tài)文明建設(shè)起不到重要作用。天山北坡由于當(dāng)?shù)刭Y源特性，造成火電規(guī)模大，重化工產(chǎn)業(yè)密集，區(qū)域性環(huán)境污染問題嚴(yán)重，天山北坡實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和難度很大。如果按照常蓄混合式水電站型式開發(fā)天山北坡眾多山溪性河流的水電資源，可以降低抽水蓄能產(chǎn)業(yè)供給成本，對天山北坡電力系統(tǒng)優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)、優(yōu)化用電結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定強(qiáng)化電網(wǎng)、平抑峰谷差，消納風(fēng)、光清潔能源、促進(jìn)疆電高效率、高質(zhì)量外送，促進(jìn)新疆碳達(dá)峰和碳中和，推動(dòng)以電力為核心的能源體系實(shí)現(xiàn)多種能源的高效轉(zhuǎn)化和利用，建設(shè)區(qū)域性新型電力系統(tǒng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”綜合樞紐平臺(tái)發(fā)揮更加重要的關(guān)鍵性作用。

1 常蓄混合式水電站及裝機(jī)容量、蓄能庫容的確定

1.1 常蓄混合式水電站

在進(jìn)行河流水電規(guī)劃設(shè)計(jì)、開發(fā)時(shí)，或者老水庫電站除險(xiǎn)加固、增容改造時(shí)，充分利用水力發(fā)電水體的帶能作用及其可逆性，將梯級水電站上下游兩個(gè)水庫用壓力隧洞連接起來，利用部分庫容作為抽水蓄能[1]日循環(huán)庫容，在保持原有水庫調(diào)節(jié)功能、常規(guī)水力發(fā)電機(jī)組工作容量規(guī)模的基礎(chǔ)上融合抽水蓄能擴(kuò)大裝機(jī)容量，將部分機(jī)組設(shè)計(jì)成可逆式抽水蓄能機(jī)組，這樣的水庫電站可以充分利用自身水能條件增加裝機(jī)規(guī)模，同時(shí)具有更大規(guī)模的常規(guī)水電站和純抽水蓄能電站的全部功能。根據(jù)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”各方面安全生產(chǎn)的需要適時(shí)適量及時(shí)轉(zhuǎn)變角色，準(zhǔn)確靈活的進(jìn)行常規(guī)水力發(fā)電和抽水蓄能發(fā)電，從而保障電力系統(tǒng)電量容量的動(dòng)態(tài)平衡、安全穩(wěn)定運(yùn)行。這樣就形成了常規(guī)水電站與抽水蓄能電站為一體的混合式水電站，簡稱常蓄混合式水電站。這種水電站在理論界被稱作混合式抽水蓄能電站，由于是在常規(guī)水庫電站基礎(chǔ)上拓展水力發(fā)電可逆性利用功能，常規(guī)水庫電站原有的正向調(diào)蓄供水發(fā)電作用是主要基礎(chǔ)功能，抽水蓄能逆向供水作用和填谷削峰電量容量轉(zhuǎn)化保障作用是重要拓展功能，可以成為新水電開發(fā)、老水庫電站改造主要開發(fā)運(yùn)用模式，通過廣泛的大規(guī)模運(yùn)用，在新時(shí)代為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和、促進(jìn)能源革命發(fā)揮關(guān)鍵性作用，故稱常蓄混合式水電站。常蓄混合式水電站主機(jī)設(shè)備由常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組和抽水蓄能可逆式水泵水輪機(jī)電動(dòng)發(fā)電機(jī)組組成，年發(fā)電量由常規(guī)徑流發(fā)電電量和抽水蓄能轉(zhuǎn)換發(fā)電電量兩部分組成，豐水期一般以常規(guī)泄洪發(fā)電為主，枯水期一般以蓄能轉(zhuǎn)換電能發(fā)電為主。由于利用了已有的上游、下游水庫，只是增加了裝機(jī)容量，有些電站距高比雖然較大，工程造價(jià)投資增加不多，而發(fā)電量和容量效益可以大幅度提高。常蓄混合式水電站匯集了常規(guī)水電站和純抽水蓄能電站各自的優(yōu)點(diǎn)，裝機(jī)容量規(guī)模主要由水頭和日調(diào)節(jié)蓄能庫容以及地形條件決定，相對受徑流量影響減小。全國聯(lián)網(wǎng)、電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，用電質(zhì)量要求的提高，用電量的增大，電網(wǎng)用電對裝機(jī)容量規(guī)模希望越大越好，這樣工程設(shè)計(jì)更加簡便。常蓄混合式水電站裝機(jī)規(guī)模雖然增大，運(yùn)行發(fā)電設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)仍然高于同等規(guī)模的常規(guī)水電站或純抽水蓄能電站，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)明顯優(yōu)化。我國抽水蓄能事業(yè)起步，就是從投資省、方便建設(shè)的常蓄混合式水電站開始探索實(shí)踐的。我國最早投產(chǎn)的3 座抽水蓄能電站崗南、密云、潘家口水電站都是常蓄混合式水電站，潘家口水電站屬于大型常蓄混合式水電站、總裝機(jī)容量42 萬kW。這些水電站長期的運(yùn)行實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)為我國抽水蓄能技術(shù)發(fā)展積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，也充分證明了常蓄混合式水電站的優(yōu)越性。

1.2 常蓄混合式水電站裝機(jī)容量、蓄能庫容的確定

常蓄混合式水電站總裝機(jī)容量=常規(guī)機(jī)組裝機(jī)容量＋抽水蓄能可逆式機(jī)組裝機(jī)容量。

常規(guī)機(jī)組裝機(jī)容量按常規(guī)水電站規(guī)劃設(shè)計(jì)的工作容量、季節(jié)容量確定規(guī)模，保持水庫原有的調(diào)節(jié)性能和發(fā)電功能[2]。老水庫電站改造只需保留原常規(guī)機(jī)組裝機(jī)容量，增加蓄能機(jī)組裝機(jī)容量即可。

蓄能機(jī)組裝機(jī)容量按照水泵運(yùn)行狀態(tài)抽水所需功率確定規(guī)模，根據(jù)其設(shè)計(jì)抽水流量及日運(yùn)行小時(shí)數(shù)確定蓄能庫容。常蓄混合式水電站最大發(fā)電容量按照總裝機(jī)容量控制運(yùn)行，最大發(fā)電流量為常規(guī)機(jī)組額定流量與蓄能機(jī)組發(fā)電額定流量之和。

確定常蓄混合式水電站蓄能裝機(jī)容量、庫容：

根據(jù)新疆電網(wǎng)日峰平谷時(shí)段劃分確定抽水填谷運(yùn)行時(shí)間和蓄能庫容：

高峰時(shí)段：10：00～13：00，19：30～00：30 （8 h）；

平時(shí)段：08：30～10：00 ，13：00～19：30（8 h）；

低谷時(shí)段：00：30～08：30（8 h）。

我國東西最大時(shí)差3 h，各地區(qū)峰平谷時(shí)段出現(xiàn)從東向西逐漸推遲。

常蓄混合式水電站按蓄能機(jī)組容量低谷時(shí)段滿負(fù)荷填谷運(yùn)行8 h 抽取的水量就是蓄能庫容，也是最大蓄能庫容。調(diào)峰發(fā)電按照常規(guī)機(jī)組和蓄能機(jī)組總?cè)萘吭谠缟虾屯砩细叻鍟r(shí)段8 h 內(nèi)變化運(yùn)行。

蓄能機(jī)組裝機(jī)容量：水泵運(yùn)行狀態(tài)抽水所需功率計(jì)算公式

蓄能庫容：日蓄能庫容計(jì)算公式

V蓄—水庫蓄能庫容/萬m3；

N—水泵水輪電動(dòng)發(fā)電機(jī)組輸出功率/kW；

H—抽水揚(yáng)程，近似于發(fā)電水頭/m；

Q抽—水泵抽水流量/m3/s；

η—水泵效率，約為85%～93%，取值0.89。

按照以上公式可以計(jì)算繪制出中高水頭、中小型常蓄混合式水電站蓄能裝機(jī)容量、庫容、水頭關(guān)系表和曲線圖，見圖1、表1。計(jì)算繪制出高水頭、大型常蓄混合式水電站蓄能裝機(jī)容量、庫容、水頭關(guān)系表和曲線圖，見圖2、表2。

表1 中高水頭、中小型常蓄混合式水電站蓄能裝機(jī)容量、庫容、水頭關(guān)系表

表2 高水頭、大型常蓄混合式水電站蓄能裝機(jī)容量、庫容、水頭關(guān)系表

圖1 中高水頭、中小型常蓄混合式水電站蓄能裝機(jī)容量庫容關(guān)系曲線

圖2 高水頭、大型常蓄混合式水電站蓄能裝機(jī)容量庫容關(guān)系曲線

2 采用常蓄混合式水電站開發(fā)的思路和方案

瑪納斯河是天山北坡流入準(zhǔn)噶爾盆地最大的河流，瑪納斯河流域位于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中心地帶，地緣優(yōu)勢顯著?，敿{斯河干流山區(qū)按照常規(guī)式水電專業(yè)規(guī)劃，肯斯瓦特水利樞紐以上河段規(guī)劃有呼斯臺(tái)、喀拉薩依、哈熊溝3 座高水頭梯級水庫電站，總裝機(jī)容量39.5 萬kW，年總發(fā)電量11.95 億kW·h，總投資34.33 億元。

2.1 融合抽水蓄能增容按三級開發(fā)形成優(yōu)化方案1

融合抽水蓄能按三級增容開發(fā)，原規(guī)劃3 座梯級水庫電站中的兩座中壩日調(diào)節(jié)中型水庫需要加高壩體、增加相應(yīng)蓄能調(diào)峰庫容，3 座梯級水庫電站都要增加發(fā)電洞壓力管直徑、水道斷面積，土建工程按蓄能電站廠房（內(nèi)置常規(guī)機(jī)組）、尾水設(shè)計(jì)。呼斯臺(tái)水電站常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量18 萬kW、抽水蓄能可逆式機(jī)組裝機(jī)容量為120 萬kW，總裝機(jī)容量138 萬kW。喀拉薩依水電站常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量12.5 萬kW、抽水蓄能可逆式機(jī)組裝機(jī)容量為90 萬kW，總裝機(jī)容量102.5 萬kW，獨(dú)立運(yùn)行需要加高壩體、增加蓄能庫容841 萬m3。哈熊溝水電站常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量9 萬kW、抽水蓄能可逆式機(jī)組裝機(jī)容量為60 萬kW，總裝機(jī)容量69 萬kW，獨(dú)立運(yùn)行需要加高壩體、增加蓄能庫容870 萬m3。3 座梯級水庫電站常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組規(guī)模保持原規(guī)劃39.5 萬kW，抽水蓄能可逆式機(jī)組擴(kuò)大裝機(jī)容量為270 萬kW，總裝機(jī)容量309.5 萬kW增加684%，常規(guī)發(fā)電量由11.95kW·h 增加到17.07 kW·h、增長42.8%，蓄能發(fā)電量40.5 kW·h、年總發(fā)電量57.57 億kW·h、增加382%，消納風(fēng)電、光電、電網(wǎng)低谷電量57.24 億kW·h，雖然距高比較大，單位kW、單位電能造價(jià)和其他技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)會(huì)更加優(yōu)化。3 座梯級水電站最大發(fā)電流量由61.8 m3/s增加到451 m3/s，出庫水量除去生態(tài)基流、排沙流量、一般洪峰流量可以全部用于常規(guī)發(fā)電[3-5]。

2.2 融合抽水蓄能按二級開發(fā)形成優(yōu)化方案2

融合抽水蓄能原規(guī)劃3 座梯級水庫電站也可以優(yōu)化為二級開發(fā)，瑪納斯河哈熊溝下游紅溝河段河床與河岸有700 m 的高差，可以將喀拉薩依水電站和哈熊溝水電站合并為一級開發(fā)，喀拉薩依水電站和哈熊溝水電站合并為一座水庫、一個(gè)電站，可以集中利用水頭為460 m，喀拉薩依中水電站常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量21.5 萬kW、抽水蓄能可逆式機(jī)組裝機(jī)容量為150 萬kW，總裝機(jī)容量171.5 萬kW，獨(dú)立運(yùn)行需要加高壩體、增加蓄能庫容852.5 萬m3。常規(guī)發(fā)電量由6.68 億kW·h 增加到8.6 億kW·h、增長28.7%，增加蓄能發(fā)電量22.5 億kW·h，年總發(fā)電量31.1 億kW·h、增加466%。消納風(fēng)電、光電、電網(wǎng)低谷電量31.8 億kW·h。呼斯臺(tái)水電站按方案1 不變，二級開發(fā)總裝機(jī)容量309.5 萬kW。這樣優(yōu)化有利于保障減流河段生態(tài)基流，梯級開發(fā)更加經(jīng)濟(jì)高效，喀拉薩依水電站和哈熊溝水電站合并為一級開發(fā)，總裝機(jī)容量不變，雖然距高比較大，減少一座中型大壩、一座調(diào)壓井、一座廠房尾水池，建設(shè)投資、運(yùn)行維護(hù)成本進(jìn)一步降低。

3 常蓄混合式水電站的優(yōu)勢

常蓄混合式水電站克服了常規(guī)水電站以及純抽水蓄能電站局限性，拓展了他們的優(yōu)勢，綜合效益價(jià)值增值顯著，水能利用、水資源配置更加充分高效。

3.1 中、小型河流，常規(guī)中、小型水庫電站條件也可以建設(shè)大、中型常蓄混合式水電站

按照常規(guī)式水電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，裝機(jī)規(guī)模在一定的水頭條件下、主要由年徑流量決定，一般情況下，大、中型河流可以建設(shè)大、中型水電站，中、小型河流只能建設(shè)中、小型水電站[6]。按照常蓄混合式水電站規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，裝機(jī)規(guī)模主要由水頭、日調(diào)節(jié)庫容決定，中、小河流也可以建設(shè)大、中型的常蓄混合式水電站。河流季節(jié)性越強(qiáng)越需要開發(fā)常蓄混合式水電站，使季節(jié)性較強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)不太好的水電資源也具有開發(fā)價(jià)值。常蓄混合式水電站的上下庫、壓力輸水道、可逆式水泵水輪機(jī)電動(dòng)發(fā)電機(jī)等工程設(shè)備組成一座完整的可逆式供水系統(tǒng)，在一條河流上按常蓄混合式水電站梯級開發(fā)或改造水庫電站，還可以實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)上下游水量的逆分配；水量豐富的下游也可以向水量小、缺水的上游逆向補(bǔ)水，這種功能意義更加重要，可以深入研究。建設(shè)一座常蓄混合式水電站，相當(dāng)于建設(shè)一座更大規(guī)模的常規(guī)水電站、一座純抽水蓄能電站[7]，一座可以逆向供水的大型揚(yáng)水站，一舉多得、一役而多役濟(jì)。

3.2 解決常規(guī)式水電開發(fā)中的問題

以往的水電開發(fā)中，為了更多地利用季節(jié)性電能，規(guī)劃、設(shè)計(jì)常規(guī)水電站的裝機(jī)規(guī)模越來越大，造成水電站的年利用小時(shí)數(shù)降低，枯水期水電站機(jī)組容量大量閑置，在汛期仍然會(huì)失去調(diào)峰能力。把水電站部分季節(jié)容量和全部備用容量設(shè)計(jì)成抽水蓄能可逆式機(jī)組，擴(kuò)大總裝機(jī)容量，泄洪發(fā)電能力增強(qiáng)而減少水庫棄水多發(fā)電，枯水期抽水蓄能發(fā)電，克服了常規(guī)水電站因季節(jié)性容量增加，發(fā)電年利用小時(shí)數(shù)降低的問題。汛期增加調(diào)峰能力，使水電站豐水期發(fā)電量增加的同時(shí)，低谷發(fā)電量減少、高峰發(fā)電量增加，優(yōu)質(zhì)電能增加，既增加電能電量效益又增加電力填谷削峰容量效益。還可以減少常規(guī)機(jī)組臺(tái)數(shù)，節(jié)約投資、并節(jié)省運(yùn)行維修成本，潘家口水電站只安裝一臺(tái)15 萬kW 常規(guī)機(jī)組就實(shí)現(xiàn)了常規(guī)正向水能利用。

3.3 解決防洪安全與發(fā)電興利的矛盾，提高洪水的資源化利用

常蓄混合式水電站擴(kuò)大了裝機(jī)容量，水電站的發(fā)電泄洪能力增大，有利于重新研究提高汛限水位增加運(yùn)行水頭，提高了季節(jié)性水量及洪水電能的利用率，有利于減小下游洪水危害、化災(zāi)為利，提高洪水的資源化利用程度。有利于水庫防洪安全并減輕高速水流對泄洪設(shè)施的沖刷磨損破壞，減少運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。有利于水庫合理安排沖沙、泄洪，有效解決安全泄洪與蓄水發(fā)電的矛盾。對于多沙河流、高水頭水電站，常蓄混合式水電站擴(kuò)大裝機(jī)規(guī)模，減少機(jī)組臺(tái)數(shù)，單機(jī)容量增大，機(jī)組轉(zhuǎn)速降低，有利于減輕機(jī)組泥沙磨損。

3.4 降低抽水蓄能成本、擴(kuò)大綜合利用功能和效益

純抽水蓄能電站是在水源條件滿足的情況下，需要建造專用的上下水庫，必須有較高的水頭才能建設(shè)，一般純抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)水頭在300～600 m，為降低造價(jià)、要求距高比必須越小越好，國外一般要求距高比L/H＜4～10，國內(nèi)要求距高比L/H＜5.8～11.6、水頭低于100 m 則不建抽水蓄能電站。這樣，純抽水蓄能電站的建設(shè)選址就受到一定的限制。純抽水蓄能電站專用的上下庫及庫盤防滲使得造價(jià)投資、運(yùn)行維護(hù)成本都比較高，一定程度上增加了電網(wǎng)應(yīng)用抽水蓄能技術(shù)的成本。純抽水蓄能電站自身不產(chǎn)出電能、完全依附電網(wǎng)，每天運(yùn)行規(guī)律基本是一樣的，運(yùn)行方式主要為日循環(huán)，以日調(diào)節(jié)削峰填谷運(yùn)行為主。常蓄混合式水電站只要調(diào)節(jié)庫容滿足，距高比可以適當(dāng)放大，高、中、低水頭，大、中、小型規(guī)模都可以建設(shè)；既可以自身產(chǎn)出電能，又能將電力系統(tǒng)低谷容量轉(zhuǎn)移為高峰容量；還可以利用上游控制性大型水庫進(jìn)行多年調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)、月調(diào)節(jié)、周調(diào)節(jié)、日調(diào)節(jié)，充分發(fā)揮日、周、月、季、年、多年循環(huán)等多種循環(huán)周期運(yùn)行方式的作用。利用已建成或已規(guī)劃水庫電站建設(shè)常蓄混合式水電站，可以充分利用原有的工程、設(shè)備、人員、道路、勘測資料等條件，不需要全庫盤防滲，不改變與電力系統(tǒng)的聯(lián)系并升級改造，基本不增加生產(chǎn)管理人員，征地、移民、環(huán)保、入網(wǎng)手續(xù)容易辦理，實(shí)現(xiàn)抽水蓄能低成本高質(zhì)量快速發(fā)展。

4 結(jié)論

上善若水，水利萬物而不爭，常蓄混合式水電站對于“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”各個(gè)環(huán)節(jié)，無論在時(shí)間上還是空間上只做對電網(wǎng)、其他類型電源、用電戶、用水戶有利的事，常蓄混合式水電站全面具備水的優(yōu)秀品質(zhì)。常蓄混合式水電站型式的開發(fā)模式有資格、有條件成為今后水電資源開發(fā)利用的主要開發(fā)方式。我國是多山國家，不缺乏大小河流、山川溝壑、峽谷落差，無論是老水庫電站改造，還是新水庫電站開發(fā)，采用常蓄混合式水電站型式開發(fā)水電資源與其他清潔能源相配套，由風(fēng)、光、常規(guī)水電等清潔能源主要滿足電力系統(tǒng)增長的電量數(shù)量需求，由常蓄混合式水電站、純抽水蓄能電站主要滿足電網(wǎng)不斷增長的安全穩(wěn)定電力容量需求。這樣，在實(shí)現(xiàn)可再生清潔能源逐步替代化石能源、促進(jìn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，保證新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，充分發(fā)揮“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”一體化綜合樞紐平臺(tái)作用。一個(gè)由上下游銜接常蓄混合式梯級水庫電站群組成的流域河道就是一條雙向水流、電流高速公路和優(yōu)質(zhì)航道，可以在流域內(nèi)上下游、跨流域跨區(qū)域靈活高效配置水、電、運(yùn)輸資源，為新時(shí)代穩(wěn)妥實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，促進(jìn)地方、流域、區(qū)域、國家水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水災(zāi)害等水問題的空間均衡、系統(tǒng)治理發(fā)揮重要作用。