数字经济发展背景下的抽水蓄能电站建设浅谈

刘珊

（中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024）

1.国家数字经济及“双碳”发展目标

1.1 数字经济发展政策法规

2020年10月29日，党的十九届五中全会指出“坚定不移建设网络强国、数字中国，加快数字化发展”正式将“加快数字化发展”、建设“数字中国”写入国民经济和社会发展“十四五”规划及2035年远景目标，数字化发展成为国家明确的政策重点方向。2021年，国家相继出台了《中华人民共和国数据安全法》《关键信息基础设施安全保护条例》等法律法规；印发了《“十四五”国家信息化规划》《“十四五”数字经济发展规划》《“十四五”智能制造发展规划》《“十四五”大数据产业发展规划》《物联网新型基础设施建设三年行动计划》《工业互联网创新发展行动计划》等系列发展规划，聚焦数字经济、数字社会、数字政府和数字生态4大主题领域，提出数字中国未来发展展望和具体应用举措。

1.2 碳达峰、碳中和的绿色能源发展

2020年9月22日，习近平总书记在第75届联合国大会一般性辩论上宣布中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。把碳达峰、碳中和纳入经济社会全局发展，以经济社会发展全面绿色转型为引领，以能源绿色低碳发展为关键，加快形成节约资源和保护环境的产业结构，构建绿色低碳循环发展的经济体系，提升能源利用效率、提高非化石能源消费比重、降低二氧化碳排放水平、提升生态系统碳汇能力[1]。

碳达峰、碳中和的绿色能源发展目标的提出，对我国的能源主体结构提出新的要求。当前，传统的化石能源在能源消费主体架构所占比重逐年降低，太阳能、风能、水能、地热能等可再生能源的装机规模逐年上升，随着白鹤滩、乌东德、两河口等大型水电站的投产发电，多能互补促进能源结构调整。

碳达峰、碳中和的绿色能源发展目标的提出，对我国的电力系统结构提出了新的要求。光伏、风电等分布式电源具有随机性、波动性、分散性等特点，对电力系统结构的安全稳定运行提出新的挑战。借助数字技术发展大规模储能技术构建新型电力系统，提高可再生能源占比和利用效率，实现源网荷储全环节的智能互动、精准控制推动电力系统结构转型升级。

2021年8月国家能源局发布《抽水蓄能中长期发展规划（2021—2035年）》重点指出“在全球应对气候变化，我国努力实现‘2030年前碳达峰、2060年前碳中和’目标，加快能源绿色低碳转型的新形势下，抽水蓄能加快发展势在必行”，“抽水蓄能是当前技术最成熟、经济性最优、最具大规模开发条件的电力系统绿色低碳清洁灵活调节电源”[2]。

2.抽水蓄能电站简介

2.1 什么是抽水蓄能电站

抽水蓄能电站是水电站的一种特殊形式，又称蓄能式水电站，是电网中的充电宝。电站通常由上水库、下水库、引水隧洞、地下厂房、地面送出开关站等主要工程建筑物构成。电站机组采用发电/电动机+水泵水轮机，同时具备发电工况与电动工况两种运行方式。通常夜间机组工作于电动机工况，将下水库的水抽入至上水库，以消纳电网中过剩的电能，实现电网储能。日间机组工作于发电工况，利用上水库水的重力势能进行发电，以补充电网中的电力不足，削峰填谷实现电力平衡。抽水蓄能电站具备开停机时间短、运行灵活可靠等特点，可对电网急剧变化的负荷快速响应，通过抽水蓄能机组发电-电动工况的切换实现调峰、调压、调频、系统备用和黑启动电源等多种功能。发展抽水蓄能电站有利用提升电力系统运行的灵活性、经济性与安全性，是“双碳”绿色能源发展目标下，构建新能源为主体的新型电力系统的重要方式。

2.2 抽水蓄能电站的调节形式

按照抽水蓄能电站上、下水库的调节周期不同通常将抽水蓄能电站分为日调节、周调节、季调节电站。

日调节电站在电力系统中主要承担日负荷的削峰填谷及事故备用职责，通常以一天为一个调节周期，白天负荷高峰时段通过上水库向下水库放水进行发电满足电网调峰需求，夜间负荷低谷时通过下水库向上水库抽水作为负荷消耗电能达到填谷的要求。

周调节电站以一周为一个运行周期，除根据系统负荷变化每日调节外，针对周一至周五的工作时段用电负荷较大的特点尽可能较多的发电配合系统调峰，周末尽可能利用多余电能延长抽水时间，储备更多的蓄水能量。目前，福建仙游、河北丰宁等抽水蓄能电站多为周调节电站。

季调节电站通常利用常规水电站汛期弃水的季节性电能作为抽水能源，将水源抽到上水库储存起来，枯水期再进行发电以弥补负荷高峰及地表径流不足，季节性电站通常需要下水库具备充足的水源及较大的上水库库容以满足季节性调节要求。国家能源局在抽水蓄能中长期发展规划中提出，探索常规水电站梯级融合改造增建混合式抽水蓄能电站，使之形成示范推广。

3.国内外抽水蓄能电站发展历程

3.1 国外抽水蓄能电站发展

抽水蓄能电站的发展距今已有130余年的历史，抽水蓄能电站先后经历了水泵、水轮机、发电机、电动机相分离的四机式，水泵、水轮机、发电-电动机组成的三机式，到目前的水泵水轮机、发电-电动机两机可逆式机组。1882年，瑞士苏黎世奈特拉电站是第一座抽水蓄能电站，总装机容量515kW，是一座季调节性抽水蓄能电站。20世纪60年代以前，欧洲国家引领着世界抽水蓄能电站的发展。20世纪70至80年代，随着两次石油危机的影响，燃油电站比重下降，核电建设迅猛发展，低谷富裕电量大增，急需调峰填谷为抽水蓄能电站的发展带来契机，抽数蓄能电站的年增长率达到11.26%，美国抽水蓄能电站的装机容量跃居世界第一，到1990年底，全世界抽水蓄能电站的装机容量达到86879MW，占总装机容量的3.15%。20世纪90年代，受苏联切尔诺贝利核电站事故影响，世界对核电站安全性提出疑问，加之发达国家经济增速放缓，抽水蓄能电站年均增长速度降至2.75%，到2000年，全世界抽水蓄能电站的装机容量达到114000MW，日本超越美国成为抽水蓄能电站装机容量最大的国家。进入21世纪，西方发达国家经济增速放缓，抽水蓄能电站新增装机规模有限，中国、韩国、印度等亚洲国家电力需求旺盛，抽水蓄能电站发展迅猛。2010年，全世界抽水蓄能电站的装机容量达到135000MW，2020年，装机容量达到159490MW，年均增长率1.68%。2017年，中国抽水蓄能装机容量超过日本达到28490MW，成为世界抽水蓄能电站规模最大的国家[4]。

3.2 国内抽水蓄能电站发展

我国的抽水蓄能电站起步于20世纪60年代，经过50多年的建设与发展已经积累了丰富的机组制造技术和工程建设经验。1968年，河北岗南水电站安装了一台11MW的进口抽水蓄能机组，拉开了我国抽水蓄能电站建设的序幕。1973年—1975年，密云水库白河水电站安装了两台11MW的抽水蓄能机组，第一次实现了抽水蓄能机组的国产化。20世纪90年代，为了配合国家经济发展，减少拉闸限电相继建设了十三凌、广蓄、天荒坪等一批大型抽水蓄能电站，到2000年，国内抽水蓄能电站装机容量达到5520MW。进入21世纪，我国经济进入快速发展期，惠州、宝泉、张河湾、西龙池、桐柏、泰安等11个抽水蓄能电站开展建设，截至2010年底，国内抽水蓄能电站装机容量达到14510MW，抽水蓄能机组国产化率大幅提升。2011年—2020年，为适应“十三五”时期新能源、特高压电网的快速发展，抽水蓄能迎来新的高峰，吉林敦化、河北丰宁、山东文登、山东沂蒙、安徽绩溪等一批抽水蓄能开展建设。截至2020年底，全国抽水蓄能运行电站32座总装机容量32490MW，在建抽水蓄能电站装机容量55130MW，国内已形成较为完备的抽水蓄能电站勘察、设计、施工、运行、机组制造及设备成套等技术管理体系，在建的河北丰宁抽水蓄能电站总装机3600MW更是成为世界最大的抽水蓄能电站。

4.抽水蓄能电站工程选址及投资影响

抽水蓄能电站的规划选址及投资成本控制，通常受区域地理位置、地质地形条件、环境条件、水头及距高比等因素影响。

4.1 地理位置因素

抽水蓄能电站主要的工作任务为削峰填谷、调相调频等，因此，电站地理位置选址多位于电源中心或负荷中心及城市周边附近，通过国内近90座抽水蓄能电站建设资料分析，93%的电站选址位置距离电源及负荷中心通常在200km以内[3]，67.9%的电站选址在100km以内。如十三陵抽水蓄能电站，总装机80万千瓦，距离北京市区约40km，承担北京市应急及事故备用电源的职责。为配合山东海阳、乳山红石顶、威海石岛湾等核电站建设，山东省内同步规划建设了文登、沂蒙、莱芜、海阳、潍坊等抽水蓄能电站，以达到削峰填谷动态调节的作用。

4.2 地质地形条件

抽水蓄能电站通常选择在河流或水库周边，有利于利用地形优势形成天然上、下水库的地质条件优良区域。选择有利于库盆形成的地形区域，可减少上下水库的坝体填筑，节省土石方开发成本。同时，围岩的地质条件对库盆的防渗性处理及输水管道的衬砌形式起着很大的作用，上水库的防渗性处理有时对工程经济性影响最大。此外，由于抽水蓄能电站多为地下式厂房，选择地质条件发育优良区域可为输水系统及地下厂房洞室群的开挖提供有利条件，对于保证工程建设工期及整体投资控制影响性较大。

4.3 环境影响因素

近年来，国家高度重视环境保护评价和工程建设与周边环境的影响。相对于常规水电，抽水蓄能的上下库库容小、占地面积小、征地拆迁范围小，并多位于城市附近对自然环境的影响远小于常规水电工程。电站在选址设计过程中需要考虑上、下库进、出水口等地表建筑物与周边风景名胜区的景观配合，与自然环境相协调。电站在建设施工过程中，需重点考虑工程废水、废气、废渣对自然环境的影响与破坏，通常设计单位会结合工程区域特点合理开展各工区的施工场地规划，在厂内施工道路、施工用电线路的设计过程中，考虑永临结合，充分利用地下洞室开挖的石料进行坝体填筑，做到资源的二次利用，减少对周边环境的破坏。

4.4 水头及距高比

抽水蓄能电站中的水头是指上水库的水平面至水轮机入口的垂直高度，水头高度越高所具备的重力势能越大，同等流量条件下机组的发电量越多，对机组形式的设计选择影响较大。距高比指上、下水库水平距离与垂直高度的比值，我国70%抽水蓄能电站的距高比集中在2～7，距高比影响了输水线路长度与水头损失，对电站的整体投资及工程布置影响较大。

5.抽水蓄能电站技术应用经验

经过50多年的抽水蓄能电站建设与发展，我国已经积累了丰富的抽水蓄能电建设计建设及运行管理经验。

5.1 抽水蓄能电站典型化设计

区别于常规水电工程，抽水蓄能电站的装机容量固定，通常为4台300MW或6台300MW的机组容量，机组布置于地下厂房内受地形条件影响小，为电站的典型化设计提供了有利条件。目前相关设计建设单位按照“安全可靠、环保节约、技术先进、标准统一”的原则，先后形成电站地下厂房、开关站、输水系统等主要工程构筑物的典型化设计方案，后续抽水蓄能电站的整体投资控制及大规模建设提供技术指导。

5.2 抽水蓄能电站数字化设计建造

目前已利用GIS、倾斜摄影及地勘三维分析等数字化手段服务抽水蓄能电站的规划选址，通过三维位片与地质数据模拟形成主要建筑物工程布置与地质三维模型，开展初步经济性比选分析。利用BIM等技术完成地下厂房、输水系统、机组布置等三维设计，利用BIM技术服务电站全生命周期管理，做到设计、建设、运行的工期可控，成本节约与一体化协同。借助物联网传感器、5G、北斗定位等智能化设备辅助施工建设管理，做到智慧化建设感知，提高工程建设质量，形成数字孪生的智慧化抽水蓄能电站。

5.3 抽水蓄能电站设计施工自主可控

上下水库库盆的设计施工过程中应用了钢筋混凝土、沥青混凝土、土工膜等多种组合防渗处理方式，防渗技术世界领先。地下洞室群建设开挖支护先后采用喷锚支护配合局部预应力锚索支护对发杂围岩地质结构支护处理经验丰富。完全掌握岩壁吊车梁的设计施工技术，利用岩壁锚杆与钢筋混凝土配合浇筑形成岩壁吊车梁可支撑500t桥起吊重量，服务电站建设及机组安装。

6.发展与展望

随着碳达峰、碳中和目标的提出，国家正积极构建以新能源为主体的新型电力系统，风电、光伏等绿色能源在电网中的比例将会大规模提高，而抽水蓄能电站作为当前电力能源的最安全、经济、有效储能方式对于保障电力系统供电安全，促进新能源的大规模发展起到积极作用[5]。抽水蓄能电站经过多年的建设发展已经具备技术上的自主可控，将在未来清洁低碳、安全可靠、智慧灵活、经济高效新型电力系统中发挥积极作用。