新疆玛纳斯河干流常蓄混合式水电资源开发探索

刘新鹏 ，刘恒 ，任强

（1新疆伊犁河流域开发建设管理局；2新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局；3新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 832000）

构建安全、可靠、绿色的电力系统是保障国民经济正常运转的重要基础。在我国的新疆地区，其电力系统的电源结构仍以火电为主，火电装机容量严重过剩，年利用小时数低、调峰成本高、环境压力大；与此同时，新疆的新能源发电产业发展迅猛，风电和光电等装机容量快速增长，但也存在弃风、弃光，风电、光电消纳等问题[1-2]。面对复杂的能源生产特征，如何高效灵活地利用当地资源，并配置适当的储能装置以适应高比例可再生能源接入，对于保障电力生产的安全可靠与绿色清洁具有非常重要的意义[3]。

通过储能达到能源的“削峰填谷”利用，对于缓解供需矛盾和增加电网稳定性意义重大。其中，抽水蓄能电站具有容量大和调节灵活等优点，可有效解决电力系统风光消纳等问题，保障其安全经济运行[4-5]。作为支撑新型电力系统的重要技术，近些年抽水蓄能技术发展迅速，截至2021年6月，我国抽水蓄能装机容量已达3214万kW，预期到2025年，在运装机总规模将达6200万kW[6]。李瑞师[7]通过实际案例分析指出，抽水蓄能与火电的联合运行，可以释放水电和火电的调峰压力，增加火电利用时长、降低运行成本。邹金等[8]针对风电和抽水蓄能的协调运行，建立了以电网弃风最小为优化目标的规划模型，以得到最优的抽水蓄能容量。王辉等[9]提出采用抽水蓄能电站与光伏发电配合运行，并建立可靠性评价模型和优化调度模型，提升电力系统稳定运行特性。Xu等[10]以四川省小金县为例，借助发电量和投资成本等多目标粒子群优化算法，对集成抽水蓄能与光伏、风电和水电的混合能源系统进行优化分析，将有效降低平均发电成本。然而，建设纯抽水蓄能电站受到水头等多因素限制，建设选址也较为严苛，并且其本身不产出电能，仅将电力系统低负荷时期的电量存储并转移到高负荷时期，设备利用时长完全依附于电网[11]。对此，刘新鹏[12]提出了常蓄混合式水电开发方案，可以充分利用上水库的天然径流发电，也利用由下水库抽蓄的水发电，将有助于的综合利用效益，充分发挥水利水电工程的经济效益。

新疆水资源量约占全国的3%，共有大小河流570条，水能资源理论蕴藏量占全国的5.5%，开发潜力巨大，并已建成多座水电站[13]。水电资源总量虽不及火电、风电和光电资源量，但其在提供大规模清洁、优质、廉价的能源电力电量的同时，对于优化电源结构、平抑电网峰谷差、促进风光清洁能源消纳将发挥出重要作用。新疆的水电资源比较集中的天山北坡的河流，作为典型的内陆季节性山溪性小河流，如果按照常规水电站型式进行开发，将主要建设中、小型水电站，对满足当前及未来大容量能源电力需求、提高区域电网调峰能力等作用有限。

对此，为了优化新疆地区天山北坡各流域水资源配置，本文将以玛纳斯河山区干流为例探讨常蓄混合式水电开发新模式，以充分利用有限的水电资源，提升区域电力系统的稳定运行特性，助力实现区域“碳达峰、碳中和”重要目标。

1 常蓄混合式水电站装机容量、蓄能库容

1.1 常蓄混合式水电站

在进行河流水电规划设计和开发，或者对老水库电站增容改造时，应充分利用水力发电水体的带能作用及其可逆性，将具有中高水头、调节性能较好的水电站水库作为上库，再利用已规划或已建设的下游水库、反调节水库作为下库，或者把合适的两个上下游水库用长压力隧道连接，把机组部分或全部容量设计成可逆式抽水蓄能机组，这样的水库电站可以充分增加装机规模，同时具有常规水电站和纯抽水蓄能电站的全部功能。

利用电网的峰谷差，在自身常规发电的同时，吸纳电网多余清洁电能和电网多余容量，根据需要灵活地进行正向逆向、由水能到电能和由电能到水能的往复生产过程，将有助于实现局部或整体电力系统容量的平衡和电网的安全稳定运行，这样就形成了常蓄混合式水电站，或也称之为混合式抽水蓄能电站。由于是在常规水库电站基础上拓展水力发电可逆性利用功能，常规水库电站调蓄供水发电是主要基础功能，抽水蓄能发电则是其重要的功能拓展，将成为新水电开发、老水库电站改造的主要开发模式。

常蓄混合式水电站年发电量由常规径流发电电量和抽水蓄能发电电量两部分组成。由于利用了已有的上游、下游水库，只是增加了装机容量，工程投资增加较少，而发电量和容量效益却可以大幅增加。常蓄混合式水电站集合了常规水电站和纯抽水蓄能电站的优点，装机容量规模受水文径流条件的影响减小，将主要根据水头和日调节蓄能库容以及地形条件是否满足工程布置来确定规模。因此，常蓄混合式水电站发装机容量可以大于常规水电站的设计装机容量，其发电设备年利用小时数也高于同等规模的常规水电站或纯抽水蓄能电站，经济技术指标明显优化。

1.2 装机容量、蓄能库容的确定

常蓄混合式水电站上库利用有调节能力的中、高坝水库，具有周调节以上水库的兴利库容，一般情况下都能满足常蓄混合式水电站日填谷蓄能与削峰发电的库容要求，调节性能越好，上库水位变化越小。常规日调节水库做上库，需要对坝体加高以增加蓄能库容。若无合适的下游水库或反调节水库，可以通过在下游河道建坝、开挖修整库区河段、全库盘防渗形成库容。下库水库根据上游电站的水头及装机规模关系确定蓄能库容，再根据日径流发电调峰所需的库容设计日反调节库容，形成日径流反调节库容和蓄能库容组成的总库容。下库坝后采用贯流式或轴流式机组建设低水头末端电站发电，既满足常蓄混合式水电站抽水蓄能运行的日填谷调峰库容要求，又能充分利用河段水能低水头发电。常蓄混合式水电站装机容量、蓄能库容以抽水运行时所需功率、日运行时间确定。

常蓄混合式水电站主要是根据已规划或已建水库电站的水头、库容条件建设，常蓄混合式水电站装机容量按照水泵运行状态抽水所需功率确定，再根据其抽水流量及日运行小时数确定蓄能库容，另外，我国的电网峰平谷时段划分标准如表1所示。

表1 我国的电网峰平谷时段划分标准Table 1 Peak and valley period division of power grid in China

图1 蓄能库容关系曲线图Fig.1 Energy storage capacity of reservoir for hydraulic power

2 玛纳斯河山区干流常蓄混合式水电站开发思路

玛纳斯河干流山区水电专业规划早已完成，对于天山北坡电网来说，按照常规式水电规划，总规模较小、技术经济指标不甚优良，项目建设至今没有开展。为了提高玛纳斯河山区段水电资源、工程、设备综合经济效益，建议将已规划的三座高水头蓄水式中型电站采用常蓄混合式水电站型式开发，装机容量和发电量可以大幅度增加，从根本上优化水电站的经济技术指标。

2.1 玛纳斯河山区干流新规划成果

玛纳斯河是天山北坡流入准葛尔盆地最大的河流，玛纳斯河流域位于天山北坡经济带中心地带，地缘优势显著[14]。葛洲坝集团通过自治区玛管处委托自治区水电设计院对玛纳斯河干流山区水电资源进行常规式水电专业规划。此次玛纳斯河干流肯斯瓦特水利枢纽以上规划有3座水库电站，总装机容量39.5万kW，年总发电量11.95亿kW·h，总投资34.33亿元，如表2所示。

表2 玛纳斯河山区干流新规划成果表Table 2 New development planning for the mainstream of the mountainous area of Manas River

在玛纳斯河干流山区按常规式水电专业规划中，最上游呼斯台水电站装机容量18万kW，为390 m水头、175 m高坝不完全年调节大型水库；喀拉萨依水电站装机容量12.5万kW，280 m水头、60 m中坝日调节中型水库；哈熊沟水电站装机容量9万kW，为180 m水头、65.5 m中坝日调节中型水库，哈熊沟水电站尾水注入已建成的肯斯瓦特水库。上述3座水电站均为高水头水电站，规划的水电站上、下游之间设计水位是相互衔接的，因此，规划水利工程布置、结构形式不需要较大改动，只需增加发电洞压力管直径、水道断面积。通过增大引水量、扩大装机容量，即可把常规水轮发电机组改为抽水蓄能可逆式水泵水轮电动发电机组，按照设计装机容量，将具有日调节性能中坝进行加高，以形成三座大型梯级常蓄混合式水电站。

2.2 工程布置形式

呼斯台水库是流域山区控制性、不完全年调节大型水库，又是呼斯台水电站的上库，一库两用；喀拉萨依中坝日调节中型水库既是呼斯台水电站的下库，又是喀拉萨依水电站的上库，一库三用；哈熊沟中坝日调节中型水库既是喀拉萨依水电站的下库，又是哈熊沟水电站的上库，一库三用；利用已建成肯斯瓦特水库作为哈熊沟水电站的下库，肯斯瓦特水库本是玛纳斯河出山口控制性大型年调节水库，实现一库二用。

肯斯瓦特水利枢纽已于2015年建成投产，肯斯瓦特水库正常蓄水位990 m，最大坝高129.4 m，总库容1.85亿m3，调节库容1.24亿m3，为年调节水库，水电站装机10万kW，设计年发电量2.73亿kW·h。呼斯台水库、肯斯瓦特水库均为高坝年调节大型水库，无需改变规划可直接利用；喀拉萨依水库、哈熊沟水库是中坝日调节中型水库，既是上库、又是下库，两座水库按蓄能调峰日调节库容加高大坝，两座电站水库可以充分满足径流日调节和蓄能调峰联合运行、独立运行的库容要求；两座日调节蓄能水库库容虽然增大，但比建设4座日调节纯蓄能型水库造价要低；利用最下游已建成的肯斯瓦特水库作为三座梯级大型常蓄混合式水电站的末端下库，新修三座水库实现一库多用，虽然发电洞长、距高比大，扩大规划发电洞压力管直径、水道断面积也是经济高效的。呼斯台水库是龙头、控制性水库，将从根本上改善三座水电站防洪、防沙、防冰运行条件，须先行建设。

3 玛纳斯河干流已规划水电站优化方案

3.1 常蓄混合式水电开发方案

方案一：采用原规划水电站的发电流量作为抽水流量以确定装机容量，略增加喀拉萨依和哈熊沟的坝体高度，不增加规划发电洞压力管直径、水道断面积，中坝日调节中型水库独立运行需要增加蓄能调峰库容最大约170万m3，土建工程按蓄能电站厂房、尾水设计，把常规水轮发电机组改为抽水蓄能可逆式机组、扩大装机容量，通过对抽水蓄能可逆式机组水泵水轮发电机市场调查及工程估算，规划投资可能增加15%，投资增加至39.45亿元。3座水库电站总装机容量55万kW，年总发电量22.42亿kW·h，可消纳风电、光电和电网低谷电量11.66亿kW·h。投资增加15%，装机容量增加39.2%，发电量增加87.6%。

表3 方案一：玛河干流规划水电站优化技术指标表Table 3 Option 1:The optimized technical index of the planned hydropower station on the mainstream of the Manas River

方案二：3座水库电站规划总装机容量135万kW，独立运行需要增加两座中坝日调节中型水库坝高、各自增加相应蓄能调峰库容最大约400万m3，增加规划发电洞压力管直径、水道断面积，土建工程按蓄能电站厂房、尾水设计，将常规水轮发电机组改为抽水蓄能可逆式机组、扩大装机容量。3座水库电站总装机容量增加2.42倍至135万kW，年总发电量增加2.34倍至39.87亿kW·h，能够消纳风电、光电、电网低谷电量28.62亿kW·h，出库水量可以全部用于常规发电。

表4 方案二：玛河干流规划水电站优化技术指标表Table 4 Option 2:The optimized technical index of the planned hydropower station on the mainstream of the Manas River

方案三：3座水库电站规划总装机容量270万kW，独立运行需要增加两座中坝日调节中型水库坝高、各自增加相应蓄能调峰库容最大约800万m3，增加规划发电洞压力管直径、水道断面积，土建工程按蓄能电站厂房、尾水设计，把常规水轮发电机组改为抽水蓄能可逆式机组、扩大装机容量。3座水库电站总装机容量270万kW、装机容量增加584%，年总发电量60.12亿kW·h、发电量增加403%，消纳风电、光电和电网低谷电量57.24亿kW·h。出库水量除去生态基流、排沙流量、较大洪峰流量可以全部用于常规发电。

表5 方案三：玛河干流规划水电站优化技术指标表Table 5 Option 3:The optimized technical index of the planned hydropower station on the mainstream of the Manas River

方案四：玛纳斯河哈熊沟下游红沟河段河床与河岸有700 m的高差，可以考虑将喀拉萨依水电站和哈熊沟水电站合并一级开发，更加经济高效。喀拉萨依水电站可以规划水头为460 m，可按前三个方案合并为一座水库、一个电站，其装机容量将分别达到30万kW、75万kW和150万kW，年总发电量分别为12.4亿kW·h、21.87亿kW·h和31.12亿kW·h，对应能够消纳风光电及电网低谷电量6.36亿kW·h、12.9亿kW·h和31.8亿kW·h。将喀拉萨依水电站和哈熊沟水电站合并一级开发，将减少一座中型大坝、一座调压井和一座厂房尾水系统，建设投资和运行成本得以进一步降低。

表6 方案四：玛河干流规划水电站优化技术指标表Table 6 Option 4:The optimized technical index of the planned hydropower station on the mainstream of the Manas River

原规划河段分三级三座水电站梯级开发，可以按三级三座水电站3个规模一次或分期建设。也可以按两级两座水电站3个规模一次或分期建设。

3.2 采用常蓄混合式水电开发的优势分析

上述4个优化方案均采用常蓄混合式水电站型式开发，开发河段可建设的装机容量和基本工程方案均具有可行性，可以研究比选，如图2和图3所示。可以看出，常规水电规划方案的总装机容量只有39.5万kW，年总发电量为11.95亿kW·h；而采用常蓄混合式水电站型式的总装机容量可以达到270万kW、装机容量增加近6倍，年总发电量达到60.12亿kW·h，可以消纳风光及电网低谷电量57.24亿kW·h。

图2 不同优化方案的电站运行时间Fig.2 Power station operating duration of the evaluated options

图3 不同优化方案的电站发电量Fig.3 Annual generated power of the evaluated options

从水电资源的开发、利用方面看，常蓄混合式水电站克服了常规水电站以及纯抽水蓄能电站的许多局限性，结合了它们的优点，综合效果显著。

（1）按照常蓄混合式水电站规划设计方法，中、小河流也可以建设大、中型的常蓄混合式水电站，其规模主要由水头和日调节库容决定。上库与下库水位衔接紧凑，使河流河段的水能资源开发利用更加充分，通过梯级开发或改造水库电站，还可以实现流域内上下游水量的逆分配。采用常蓄混合式水电站型式开发玛纳斯河山区水电资源，电站容量充足，在丰水期全容量常规径流连续调峰发电，另外也具有多年、年、季、月、周、日可逆式调节性能，并实现电能动态储存，助力天山北坡电网可以成为先进高效的电力系统和巨大的储能基地，将为清洁能源替代和疆电外送创造有利条件。

（2）相对于常规水电站，将水电站部分或全部工作容量和全部备用容量、重复容量、空闲容量设计成可逆式常蓄混合式抽水发电机组，可以进一步扩大装机容量，在丰水期实现全容量常规径流连续调峰发电，水电站的发电泄洪能力增大，提高了季节性水量及洪水电能的利用率。此外，抽水蓄能电站还具有调峰填谷、开停机迅速、调频调相、负荷调节灵活、事故备用等诸多功能，大幅度提高电网输变电设备双向往复输电利用率，提高供电质量。

（3）纯抽水蓄能电站的建设选址受到一定的限制，而常蓄混合式水电站只要库容满足，根据高、中、低水头可以对应建设大、中、小型规模的水电站；既可以自身产出电能，又能将电力系统低谷容量转移为高峰容量。采用常蓄混合式水电站型式开发水电资源有利于跨流域调水，实现送水和送电双重收益，不论是新开发项目或老水电站改造项目，可以提高调水工程取水点的位置，充分发挥常蓄混合式水电站逆向供水功能；还将有利于缩短长距离输水隧洞的长度、节省工期与投资。

（4）采用常蓄混合式水电站型式开发玛纳斯河山区水电资源，可以促进旅游业和工矿产业的发展。尤其天山北坡经济带是新疆最发达的区域，天山北坡电力系统电源结构以火电为主，在其东西两端正在大规模发展风电，太阳能发电潜力也巨大，而区域内的河流都属于季节性很强的山溪性河流，水电资源开发利用程度低，调峰能力弱，采用常蓄混合式进行开发水力资源，产蓄并举，加强电网的调峰能力和电网运行安全可靠性，有助于改善天山北坡的生态环境和实现疆电外送。

（5）采用常蓄混合式水电站型式开发水电资源将充分发挥已有老旧水库电站、机电设备、金属结构、输变电设备等工程设施，并减少移民征地。可以充分拓展水力发电可逆性利用功能，实现流域内上下游水量的逆分配，有利于流域内、跨流域水资源的科学合理配置，从而提高水利水电工程“一库多利，一水多用，一物多能”的综合利用功能，实现水利水电工程由被动发挥功能向主动发挥功能、由重要功能发挥向综合功能全面发挥的两个转变。

4 关于常蓄混合式水电站需要进一步研究的问题

4.1 优化电源结构，科学规划常蓄混合式水力发电

我国江河水能理论蕴藏量6.94亿kW，水能资源量位居世界第一，在“碳达峰、碳中和”战略背景下，水力发电也将发挥不可替代的关键作用。采用常蓄混合式水电站型式开发模式，可以优化开发水电资源、提升对已建中高水头水电站的技术改造，将大幅提高水电资源的开发容量，其规模甚至可以扩大2～3倍以达到10～15亿kW以上。然而，面对未来我国经济社会的快速发展、能源消费总量和风光等清洁能源发电装机的高速增长，对实现安全、经济、高效的电网运行提出了更高要求。对此，需要合理科学规划常蓄混合式水电站、纯抽水蓄能电站的容量开发比例，以优化电源结构，满足清洁能源替代、能源电力安全的需要，稳定所需容量、电量需求。

4.2 优化引水结构设计，提升水力特性

大多数的常蓄混合式水电站建有长距离发电引水洞，需要深入研究沿程水头损失增加所带来的技术经济问题；长距离发电引水洞在发电蓄能往复运行过程中的水力特性变化，水击、水锤等引起安全稳定问题；由于常蓄混合式水电站发电蓄能输水往复运行，从上库到调压井长距离发电引水洞按水平连通管设计优化问题；调压井在蓄能逆向输水运行的功能作用，其合理的结构形式和规模研究。在部分投产和在建水电站已积累了一定的经验和取得相关研究成果，有待进一步总结和深入谈到，以期推广应用。

4.3 完善政策引导，加强多方协同

国家发展改革委2021年5月7日发布了《关于进一步完善抽水蓄能价格形成机制的意见》(简称《意见》)。《意见》的实施对调动各方面积极性，促进抽水蓄能电站加快发展、充分发挥综合效益创造了有利的条件。为发挥常蓄混合式水电站的重要优势以实现快速健康发展，还需要水利电力等多部门携手协同发展，进一步打破行业壁垒，以实现互动和双赢式“以电养水”良性循环运行，从而解决水利行业公益性负担过重、经营生存举步维艰的难题，并有利于降低供电、调峰和储能成本，实现高质量、高效益、安全稳定供电。常蓄混合式水电站经济效益、综合效益优于一般常规水电站和纯抽水蓄能电站，更容易吸引社会各界积极参与投资，发挥更大的经济价值和社会效益，针对具体的电价政策支持还有待行政部门与行业单位共同研究，以推进常蓄混合式水电站的高速度、高质量和高效益发展。

5 结 论

玛纳斯河流域作为新疆地区重要的水能资源，为了充分利用有限的水电资源并提升区域电力系统的稳定运行特性，本文探讨了用常蓄混合式水电资源开发模式代替常规水电开发形式，并从工程规模、工程投资和发电效益等方面综合分析常蓄混合式电站的优势。经分析研究，本文的主要结论如下。

（1）新疆天山北坡经济带所属的电力系统以火电为主，东西两端还在大规模开发风能、太阳能发电，发展潜力巨大。采用常蓄混合式水电站型式开发玛纳斯河山区水电资源，可以使火电机组发挥更好节能减排效益，可以集中消纳风电和光伏发电等清洁能源并进行深加工、精加工，实现疆电高质量外送，将对电网形成强有力支撑，提高电网安全稳定运行水平。

（2）玛纳斯河山区规划的3座梯级水库电站可开发常蓄混合式水电站总装机容量和年总发电量可以分别达到270万kW和60.12亿kW·h，较常规开发方式分别增加了5.8倍和4倍，可消纳风电、光电、电网低谷电量57.24亿kW·h，大幅提升清洁能源的替代容量。

（3）常蓄混合式水电站综合效益高，具有选址灵活、库容利用效率高和流域内上下游水量逆分配等诸多优势，为优化水资源高效利用提供了新思路。但目前在常蓄混合式水电站开发或改造等方面的工程技术、系统规划等方面还存在一定的短板，也有待进一步加强相关技术研发和政策引导，以共同推动常蓄混合式水电开发技术的健康快速发展。

常蓄混合式水电资源开发方式符合新时代创新、协调、绿色、开放、共享新发展理念，将优化新疆地区天山北坡各流域水资源配置，为组成高效的清洁能源电力系统提供了重要支撑，有力推动实现区域“碳中和、碳达峰”。