综合利用抽水蓄能电站初步探讨

卢锟明，赵文发，黄晓华

（1.中国电建西北勘测设计研究院有限公司，陕西省西安市 710065；2.中国电力出版社有限公司，北京市 100005）

0 引言

目前，我国电源结构不断优化、特高压智能电网迅速发展以及电网安全稳定运行的保障需求不断提高，抽水蓄能电站建设越来越受到重视，抽水蓄能电站已迎来快速发展时期。根据《抽水蓄能电站选点规划编制规范》（NB/T 35009—2013）和《抽水蓄能电站设计导则》（DL/T 5208—2005），在抽水蓄能电站选点规划、设计过程中，主要考虑电站在电力系统中的作用与效益，不涉及其他综合利用功能。我国已、在建抽水蓄能电站功能定位也均以为电网服务为主，通过调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、黑启动等方式保障电力系统安全稳定运行。在此情况下，抽水蓄能电站的上、下水库在确定库容时，通常只需满足电站的调峰填谷要求。

随着人们对抽水蓄能电站的认识不断加深，对抽水蓄能电站综合利用的要求也逐步提高。特别是在我国的干旱半干旱地区，在某些抽水蓄能站点选点时，随着规划、设计工作的不断深入，对是否能利用抽水蓄能上、下水库开展灌溉、供水等综合利用任务提出了需求。本文将对开发建设综合利用抽水蓄能电站的一些问题作初步探讨。

1 抽水蓄能资源属性潜力分析

抽水蓄能开发利用有四种资源属性概念：本身的资源属性、可利用的资源属性、水库资源属性和站址的资源属性。

（1）抽水蓄能资源。资源属性是指抽水蓄能作为一种二次利用资源，或者说是一种伴生经济资源，它消耗能源资源，但却可以优化能源资源的利用，产出更多的系统能源资源利用的经济价值。

（2）抽水蓄能可利用资源。与常规水电站只利用水能资源不同，抽水蓄能电站通过泵工况利用电能资源，发电工况利用水能资源，电站既以水为利用资源，又以电力系统各种要求作为可利用资源。也就是说，只要发电与用电存在质量差和保证率，就是抽水蓄能可利用的资源[2]。

（3）水库资源。抽水蓄能电站开发建设至少利用两座水库，一座为抽水蓄能电站上水库，一座为抽水蓄能电站下水库。上、下水库联合起来通过电站的抽水和发电工况实现水资源的循环利用。抽水蓄能的水库资源以水为介质，实现了电能的存储和利用。

（4）抽水蓄能电站站址资源。抽水蓄能电站站址资源是可以人为选择的，因此抽水蓄能电站站址的资源站点众多。但好站址资源满足的条件众多，一般来说包括地理位置（距离负荷中心距离）、水头、地形地质、环境和水库淹没等方面[7]。同时，抽水蓄能电站站址选择还受制于外部环境因素，没有相对固定的边界条件。因此，外部环境的不确定性，导致抽水蓄能电站在主要为电网服务的同时，存在其他综合利用的可能性，为抽水蓄能电站的综合利用开发提供了机遇和空间。

从抽水蓄能开发利用自身的四种资源属性来说，抽水蓄能资源属性和可利用资源属性是抽水蓄能电站建设的基础，水库资源属性、站址资源属性以及外部环境的不确定性从内、外两个方面为抽水蓄能发展提供了新的思路，既综合利用发展。

2 抽水蓄能电站开发方式

与常规水电站利用水能资源不同，抽水蓄能电站是一种特殊类型的水电站。按径流利用与机组构成划分为纯抽水蓄能电站、混合式抽水蓄能电站、调水式抽水蓄能电站（较少）和地下式抽水蓄能电站（较少）。

（1）纯抽水蓄能电站。纯抽水蓄能电站的上水库没有或只有少量的天然径流来源，在一个周期内，抽水与发电的水量在上、下水库循环使用，两者水量相等，仅需补充蒸发和渗漏损失，大部分电站补充的水量由下水库抽到上水库。纯抽水蓄能电站示意如图1所示。

图1 纯抽水蓄能电站示意Fig．1 Schematic diagram of pumped storage power station

（2）混合式抽水蓄能电站。结合常规水电站新建、改建或扩建，加装抽水蓄能机组，既有电网调节作用，又有径流发电作用，称之为混合式抽水蓄能电站[3]。与纯抽水蓄能电站不同的是，混合式抽水蓄能电站上水库有天然径流的汇入，并且厂房中的机组包括常规水轮机组和可逆式机组，如我国的白山抽水蓄能电站等。混合式抽水蓄能电站示意如图2所示。

（3）调水式抽水蓄能电站。调水式抽水蓄能电站从位于一条河流的下水库抽水至上水库，再由上水库向另一条河流的下水库放水发电。这种蓄能电站可将水量从一条河流调至另一条河流，它的特点是抽水泵站与发电站分别布置在两处，上库建在分水岭上，可与调水工程结合修建。调水式抽水蓄能电站受抽水泵站所在河流年内径流分配的影响，枯水期抽水流量及水量不足时，抽水蓄能电站运行方式将受到影响。

图2 混合式抽水蓄能电站示意Fig．2 Schematic diagram of mixed pumped storage power station

（4）地下式抽水蓄能电站。地下水抽水蓄能电站下水库和厂房均位于地下，下水库一般利用废弃的矿井改建而成，上水库在地面修建，如美国新泽西州的霍普山抽水蓄能电站即为地下式抽水蓄能电站。

3 综合利用抽水蓄能电站开发方式

综合利用抽水蓄能电站主要是指担负两种或两种以上工程任务的抽水蓄能电站。不同类型抽水蓄能电站，若在抽水蓄能电站规划、设计过程中考虑上、下水库承担一定的综合利用任务，那么该抽水蓄能电站具有综合利用功能。综合利用抽水蓄能电站的综合利用水库必须是新建的水库，而不是利用已建的综合利用水库。综合利用任务主要包括上、下水库周边生态恢复（灌溉）、旅游、供水、防洪、水产养殖等，只要承担其中一项综合利用任务既可称为综合利用抽水蓄能电站。

综合利用抽水蓄能电站按上、下水库利用情况可以分为不完全综合利用抽水蓄能电站、完全综合利用抽水蓄能电站两大类。

（1）不完全综合利用抽水蓄能电站。不完全综合利用抽水蓄能电站指的是抽水蓄能电站上、下水库中其中一库具有综合利用任务的抽水蓄能电站。如在规划、设计过程中考虑抽水蓄能电站的上水库或下水库中的一库承担水库周边生态恢复（灌溉）、旅游、供水、防洪、水产养殖等综合利用任务，而另一库不承担综合利用任务。

承担综合利用任务的水库（上水库或下水库中的一库），其调节库容及运行方式的确定，除同常规抽水蓄能电站一样满足电力系统调峰填谷等需要外，还应根据综合利用任务要求加大调节库容，运行方式应同时满足抽水蓄能运行及综合利用要求。

不承担综合利用任务的水库（上水库或下水库中的一库），其调节库容及运行方式的确定，只要满足电力系统调峰填谷等需要既可，不需要加大调节库容。

（2）完全综合利用抽水蓄能电站。完全综合利用抽水蓄能电站指的是抽水蓄能电站上、下水库都具有综合利用任务的抽水蓄能电站，如在规划、设计过程中考虑抽水蓄能电站的上水库和下水库都承担水库周边生态恢复（灌溉）、旅游、供水、防洪、水产养殖等综合利用任务。上水库和下水库调节库容及运行方式的确定，除同常规抽水蓄能电站一样满足电力系统调峰填谷等需要外，还应根据综合利用任务要求加大调节库容，运行方式应同时满足抽水蓄能运行及综合利用要求。

综合利用抽水蓄能电站开发需具备两个条件：第一是抽水蓄能电站的上、下水库同时或其中一库具有综合利用功能；第二是具有综合利用功能的水库必须为新建工程。

综合利用抽水蓄能电站根据水库与河道间的位置关系，又可分为河道式综合利用抽水蓄能电站、河岸式综合利用抽水蓄能电站和内陆式综合利用抽水蓄能电站等三种开发方式。

（1）河道式综合利用抽水蓄能电站。河道式综合利用抽水蓄能电站是指利用河道新建综合利用抽水蓄能电站下水库的方式。河道式综合利用抽水蓄能电站，可以结合电站所在建设区的要求和工程建设条件确定综合开发任务。如某站点在选点时，下水库位于河道中，结合河道周围灌区灌溉以及城镇供水等要求，可考虑下水库结合灌溉、城镇供水等综合开发任务进行规划。

（2）河岸式综合利用抽水蓄能电站。河岸式综合利用抽水蓄能电站是指在河道两岸选择合适的位置，通过挖填新建综合利用抽水蓄能电站下水库的方式。河岸式综合利用抽水蓄能电站的水源仍为引用河道的水，通过水库的调节可以满足河道周围灌区灌溉以及城镇供水等要求。

（3）内陆式综合利用抽水蓄能电站。内陆式综合利用抽水蓄能电站是指在距河道较远处新建综合利用抽水蓄能电站上、下水库的方式。内陆式综合利用抽水蓄能电站的水源从河道抽水补给。如我国西部干旱地区，植被差，生态环境脆弱，某些站点在选点时，当地政府也提出利用抽水蓄能电站上、下水库对所在区域内周边山区植被进行灌溉，满足生态恢复要求。可以结合水库周边生态恢复（灌溉）及景观等要求，确定抽水蓄能电站上、下水库调节库容等。

4 综合利用抽水蓄能电站开发任务

《水电发展“十三五”规划》中提出“十三五”期间加快开发建设抽水蓄能电站，加快开工建设一批距离负荷中心近、促进新能源消纳、受电端电源支撑的抽水蓄能电站。可以看出，目前抽水蓄能的主要开发任务还是以服务电力系统为主，基本不涉及其他综合利用功能。抽水蓄能电站作为资源综合利用的一种形式，如何更有效地发挥其综合利用功能值得思考。抽水蓄能电站的规划选点与设计工作是前期工作中的一个非常重要的环节，它对工程的设计与建设影响很大[4]，在规划选点与设计阶段，应结合站点实际情况，贯彻综合利用原则，确定抽水蓄能电站承担的综合利用任务。

常规水电站在规划设计时，往往从工程动能设计出发，分析发电、防洪（涝、凌）、供水、灌溉、航运、水产养殖、生态与环境等对电力、水量、电量、水位和用水时间的要求，按照开发任务的主次关系，合理协调水资源综合利用各部门之间的矛盾，尽可能充分发挥工程的综合效益。抽水蓄能电站的综合利用可参照常规水电综合利用任务，初步考虑可按以下开发任务进行规划设计。

（1）电网调节。一方面，电力系统用电结构、负荷特性及各类电源调节特性不尽相同，抽水蓄能电站开停机迅速、运行灵活，可以快速反应和跟踪负荷。这些特点也使其具有调峰、填谷、调频、调相、事故备用、旋转备用及黑启动等多种功能[5]。另一方面，风、光电出力具有随机性、不稳定性、间断性，风电还具有反调峰特性，给电网的运行调峰造成很大压力。抽水蓄能电站通过抽水和发电两种工况的科学合理运行，能够显著提升电网吸纳新能源的能力。抽水蓄能电站独特的运行特点，在保障电网安全稳定运行、保证电能质量、促进电力系统节能等方面发挥着不可替代的作用[6]，是一个能够用于电网管理的工具。

（2）防洪、防凌。抽水蓄能电站作为特殊电站，在其建设过程中通常仅考虑厂房、大坝等主要工程的防洪、防凌。但若抽水蓄能站点上、下库的选址位于天然河流或湖泊且下游有防护对象，此时，抽水蓄能电站的规划设计中应研究考虑下游防洪、防凌等要求。河道式综合利用抽水蓄能电站应考虑防洪、防凌等任务。

（3）灌溉、供水。我国水资源时空分布不均，东多西少，南多北少[7]。因此，在我国北方缺水地区建设抽水蓄能电站，可以结合周边适当范围的供水和灌区、林地、草场等的灌溉，综合开发抽水蓄能电站。

（4）景观及生态。随着社会进步，人们对生活环境要求不断提高，抽水蓄能电站可以结合上、下水库建设水库型水利风景区。在抽水蓄能电站工程设计及建设过程中，应满足景观及生态要求。

（5）水产养殖。抽水蓄能电站在开发建设过程中还可考虑水产养殖。不同开发形式下，水产养殖任务也不同，主要为过鱼、养鱼和其他养殖业对放流量及时间的要求。

5 综合利用抽水蓄能电站面临的挑战

当前，我国指导抽水蓄能发展的核心理论是“调峰填谷”理论，该理论指导我国抽水蓄能事业取得今天的辉煌成就。随着形势的发展和人们对抽水蓄能电站的认识逐步提高，在满足电网调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、黑启动等电网服务功能的基础上，结合项目区的综合利用要求和工程建设条件建设综合利用抽水蓄能，可以更好地发挥水库资源的社会和经济效益。但目前规范中对抽水蓄能电站综合利用尚未有明确定位，笔者在此初步对综合利用抽水蓄能电站可能面临的挑战进行分析。

（1）已建综合利用水库的水量统一调度是水资源可持续管理的重要内容[8]，水库来水应充分考虑各项工程任务，调度运行复杂。因此原有综合利用水库运行调度是在考虑多种任务要求下形成的，若在此基础上开发建设抽水蓄能电站，可能打破已有的调度平衡，或重新对水库运行调度进行研究，因此原则上不推荐利用已建综合利用水库开发建设综合利用抽水蓄能电站。

（2）在抽水蓄能电站建设中，利用综合利用功能水库进行改建加固作为抽水蓄能电站水库的情况比较常见，如广东清远抽水蓄能、琅琊山抽水蓄能等。由于利用原有电站水库是具有综合利用功能的水库，水库改建加固后需要保留原水库的综合利用功能，对电站施工和运行管理带来诸多干扰与不便，而且原水库大坝及防洪设施等也需考虑是否需要加固，考虑因素较多，关系复杂。因此，应避免利用原关系复杂、功能综合的水库[9]。

（3）开发综合利用抽水蓄能电站，抽水蓄能电站上、下水库在满足抽水、发电工况前提下，考虑不同的综合开发任务，将增加水库建设规模，提高电站建设投资。因此，在开发综合利用抽水蓄能电站时应考虑增加投资与综合利用获得的效益的投入产出情况，对项目经济性进行权衡。

（4）目前，我国抽水蓄能电站的相关规划及设计规范中，很少提及综合利用抽水蓄能电站（不是利用已建的综合利用水库），但实际规划设计中，某些站点涉及综合利用要求，因此，需要不断提高认识，逐步达成共识，将综合利用抽水蓄能电站逐步纳入规划设计过程中。

（5）我国大型抽水蓄能电站主要由电网公司负责建设运营，而综合利用抽水蓄能电站涉及的综合利用效益及投资分摊等问题，需要进一步研究。

（6）抽水蓄能电站站点常规选点、规划、设计过程中应以服务电网定位为主。对于综合利用抽水蓄能站站点的选点，应根据各站点实际情况，在服务电网的基础上，结合当地的实际需求和建设条件开展论证工作。

6 结束语

全球很多地区正在采取多种策略以实现其抽水蓄能的愿景[10]。通常抽水蓄能电站无周边生态恢复（灌溉）、旅游、供水、防洪、水产养殖等综合利用要求，通过开发建设综合利用抽水蓄能电站可以做到一库多利、一水多用，充分发挥综合效益，以达到国民经济整体利益最大的目标。但综合利用抽水蓄能建设存在机遇的同时，也面临着众多挑战，因此开发综合利用抽水蓄能电站还需结合开发任务、水库调度运行、建设必要性、综合利用效益及投资分摊、项目经济性等因素进一步研究。

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