新时期抽水蓄能电站高质量发展的思考

周兴波，周建平，杜效鹄

（1.水电水利规划设计总院，北京市 100120；2.中国电力建设股份有限公司，北京市 100048）

0 引言

能源安全对国家发展、人民生活改善和社会长治久安至关重要[1]。在“碳达峰、碳中和”战略发展目标的驱动下，抽水蓄能电站作为当前技术最成熟、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，不仅对电网运行的稳定性安全性具有重要作用，而且对构建以新型电力系统意义重大。

为统筹推进抽水蓄能快速发展，适应新型电力系统建设和大规模高比例新能源发展需要，2021 年9 月国家能源局发布了《抽水蓄能中长期发展规划（2021—2035 年）》[2]，规划到2035 年，形成满足新能源高比例大规模发展需求的，技术先进、管理优质、国际竞争力强的抽水蓄能现代化产业，培育形成一批抽水蓄能大型骨干企业。据统计，截至2023年2 月，全国已核准抽水蓄能电站67 个，投资金额合计超过6100 亿元。

为抢占未来十几年市场规模如此宏大的万亿级产业领域，各类发电企业、勘测设计企业、建筑施工企业、装备制造企业，甚至航天企业都抢跑入场，争取抽水蓄能投资开发资源，一场能源领域的全国竞技的产业正在快速崛起。但抽水蓄能电站建设运行涉及水文气象、地质条件、坝工设计、施工建设、运行管理、金属结构及机电设备安装、电网消纳等多专业协同发展，只有坚持系统规划，坚持设计施工技术创新，创新工程建设管理体制机制，坚持产业协同和产业链协调发展，维护良好产业链生态，才能促进新时期抽水蓄能产业健康高质量发展，有力支撑新能源大规模开发利用，助力实现碳达峰、碳中和目标。

1 抽水蓄能发展规划

抽水蓄能是保障电力系统安全运行的重要方式。2020 年以前，我国先后建成岗南、广州、十三陵、天荒坪、泰安、惠州、白莲河、西龙池、仙居、阳江、长龙山等一批抽水蓄能电站，这些工程的投产运行对促进我国抽水蓄能电站设计、施工、设备制造、运行管理积累了丰富的经验。

《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》和“碳达峰、碳中和”战略，极大程度推动抽水蓄能加速发展。截至2021 年，我国抽水蓄能电站建成投产规模仅3639 万kW。《抽水蓄能中长期发展规划（2021—2035 年）》中明确到2025 年，我国抽水蓄能投产总规模6200 万kW 以上；到2030 年，投产总规模1.2 亿kW；中长期规划布局重点实施项目340 个，总装机容量约4.21 亿kW。也就是说，“十四五”期间要核准开工1.6 亿kW，到2025 年投产总规模较“十三五”时期翻一番；“十五五”期间，新增核准开工8000 万kW，到2030 年再翻一番；“十六五”期间，完成投产3 亿kW，具体如图1 所示。

图1 抽水蓄能发展规划Figure 1 The development plan of pumped storage station

未来数十年，我国抽水蓄能产业发展将加速推进，“十四五”期间年均投产规模要超过600 万kW，是之前年均规模不足200 万kW 的3 倍以上。未来20 年，新增投产规模将超3 亿kW，是现有规模的8 倍多，这将是全球前所未有的发展速度和开发强度。按照当前我国抽水蓄能投资单位千瓦时约6000 元，估计抽水蓄能产业市场新增投资将超万亿元。

众所周知，在土木工程领域一般是以规划设计为龙头、施工制造为主体，建设管理为手段，投资运营为基石，全产业链协同推动行业持续发展的，抽水蓄能产业也不例外。

2 勘测设计关键技术

随着抽水蓄能电站开发建设爆发式增长，出现简化前期和设计流程、加快工作进度的提议。抽水蓄能电站作为国家重要的能源基础设施，应严格执行《建筑法》《工程勘测设计管理条例》等法律法规，分阶段开展设计，由表及里、由浅入深，循序渐进做好勘测设计工作，以保障工程本质安全。

2.1 工程地质勘察

抽水蓄能电站工程地质勘测应重视区域构造稳定性及地震安全性，工程因站点选址区域分布不同而具有不同的工程地质特点[3]。对区域构造背景复杂地区，应在预可行性研究阶段对场地构造稳定性和地震安全性做出评价，并在可行性研究阶段进行复核，尤其对高地震烈度区规划的站点，如甘肃黄羊、黄龙等抽水蓄能电站。对岩溶发育地区，应重视上下水库库周防渗、地下洞室围岩稳定问题。对层状、缓倾角地层发育地区，应重视大型地下洞室群拱顶围岩稳定问题。对湿陷性黄土地区，应重视上下水库渗漏诱发黄土湿陷及次生地质灾害等工程地质问题。

2.2 枢纽布置及水工建筑物设计

抽水蓄能枢纽布置应统筹上水库、下水库、电站厂房、变电站、水道系统、交通道路、出线场以及补充工程等。在国内已建和在建工程中，抽水蓄能电站大坝以土石坝为主，约占83%。其中，混凝土面板坝应用最为广泛，上水库约占61%，下水库约占55%；沥青混凝土面板坝上水库占20.3%，主要应用于全库盆防渗工程。对以面板堆石坝为主的抽水蓄能水库，应重点做好上下水库的防渗设计和排水设计，尤其重视水库库盆防渗问题；设计布置好水库观测仪器和设施，满足工程施工期、初期蓄水和运行期的观测要求（见图2）。

图2 抽水蓄能电站水库Figure 2 The reservoirs of pumped storage station

水道系统设计应适应抽水蓄能电站运行工况转换频繁，双向水流运动特点，过渡过程应满足设计系统调节稳定性和电站快速响应能力，并应重视高压水道的防渗承载能力。抽水蓄能电站厂房包括地下式、半地下式和地面式，相较于常规电站，抽水蓄能电站主机一般转速高，在300 ～600r/min，抽水、发电工况转换频繁，水力-机械-电磁荷载振源激励复杂。因此，厂房在满足结构安全的基础上，应重视厂房结构振动问题。

2.3 抽水蓄能电站水轮发电机机组选择设计

抽水蓄能电站机组机型参数包括机组型式、额定水头与扬程、单机容量、机组台数、转轮直径、额定流量、额定转速及安装高程等。机组型式选择应根据水头或扬程、运行特点及设计制造水平等技术经济综合分析确定。对于可逆式机组，水轮机工况参数应在水泵工况参数选择基础上进行选择。近年来，随着技术水平进步，抽水蓄能机组呈现高水头、大容量的趋势，目前我国抽水蓄能最大运行水头超过700m，最大容量超过40万kW，如图3所示。机组选择设计中，应重点关注机组振动控制、水力过渡过程控制以及智能化运行等关键技术。

图3 我国抽水蓄能电站额定水头和额定装机容量Figure 3 Rated head and rated installed capacity of pumped storage power stations in China

2.4 电气设施及金属结构设计

抽水蓄能电站电气设施设计包括电气一次设计和电气二次设计。电气一次要做好接入系统及电气主接线设计、可逆式机组启动方式选择、厂用电源设计、开关站型式和位置选择。电气二次设计要重视机组自动控制、电站监控系统、机组继电保护及二次接线设计等。随着抽水蓄能电站水头和扬程的增大，金属机构设计应重视引水系统和尾水系统的闸门设计，并提出保障闸门安全服役的调度运行方式。此外，还应重视上下水库的拦污栅设计，拦污栅进出水口建筑物应具有良好的水力学特性，控制好通过拦污栅断面的平均出水流速。

2.5 智慧抽水蓄能与环境友好型工程设计

随着网络信息技术的快速发展，利用信息化、数字化技术，从三维协同设计、BIM 施工建设管理，再到数字孪生的运行维护管理，逐渐形成了智慧抽水蓄能的全过程解决方案，提升了工程建设效率和工程安全运行保障能力。另一方面，在习近平生态文明思想的引领下，抽水蓄能电站设计与生态景观设计、水工建筑物与自然环境和人文建筑物风格有机融合，实现了环境友好型工程与自然的和谐共生，显著提升当地环境和综合社会效益。如图4 所示，安徽绩溪抽水蓄能启闭机房采用了徽派建筑风格，取得较好效果。

图4 安徽绩溪徽派风格的启闭机房Figure 4 The hoist room of Hui architectural style in Jixi Anhui province

此外，抽水蓄能电站高质量发展要维护迄今运转有效的技术管理体系，确保勘测设计工作有序开展，质量受控；要做到先规划再设计，先勘测后设计，先设计后施工，确保各专业、各阶段设计输入的准确性。工程勘察设计工作是决定工程成败的关键。

3 施工安装和建管模式

3.1 先进施工技术与经济性

抽水蓄能电站施工建设的重点是地下工程和渗控工程，地下工程主要以竖井或斜井、地下厂房等为主，渗控工程主要以水库防渗、混凝土面板防渗等为主。以洞室群为主的地下工程施工，常按“平面多工序、立体多层次”的原则，近年来随着TBM 制造技术进步，为抽水蓄能施工效率提升和安全施工提供了保障。如敞开式、单护盾、双护盾等型式的TBM（见图5），可适用于硬岩、中硬岩、软岩及较软岩等，可实现连续掘进和远程控制，能同时完成破岩、出渣和支护作业，长距离掘进速度能达到钻爆法的4 ～6 倍，但费用往往相比较高，如压力管道斜井TBM 施工隧洞全费用约为钻爆 法的1.69 倍，隧洞掘进工程费约为钻爆法的2.5 倍。

图5 不同类型的隧道掘进机Figure 5 Different types of tunnel boring machine

水库防渗工程按范围可分为全库防渗、局部防渗和不设防渗；防渗型式有单一防渗、“面板+垂直帷幕”“面板+库底铺盖”等联合防渗。在渗控工程施工中，应重视库底黏土铺盖、沥青混凝土、陡坡混凝土面板等施工技术，控制好施工进度和质量。

3.2 安装技术与质量

如前文所述，抽水蓄能电站机组近年来呈现高水头、高转速、大容量等特点，其安装和调试技术与质量控制则尤为重要。首先，抽水蓄能电站机组座环和蜗壳运行中承受压力大，安装过程中应进行严格的水压试验和保压工作，验证其焊缝的焊接质量和蜗壳变形满足设计要求。其次，转子磁轭运行中受离心力会造成磁轭径向变形，进而导致磁轭与中心体分离，为此在转子装备中应采用热打键的方法预先给转子磁轭与中心体一定的预紧力，保证机组运行安全。其三，应在抽水蓄能电站抽水和发电两个旋转方向分别开展动平衡试验，以检查机组各部位的变化情况，完成转子的配重等工作。最后，电站首台机组首次水泵工况启动应做好启动条件、调相压水、动平衡试验、调相转抽水及数据监测与分析工作。

3.3 建设管理模式

国际上于水电工程的建设管理模式主要包括设计—招标—建设管理模式、设计—建造管理模式、施工管理模式、项目管理模式、项目管理承包模式、建设—运营—移交管理模式、项目总承包管理模式等。从国内抽水蓄能电站建设来看，项目总承包（EPC）模式有利于优化项目实施路线，快速优化资源投入，加快工程建设进度，充分发挥各方技术优势，推进抽水蓄能电站高效高质量建设。近年来，辽宁清原、新疆阜康等抽水蓄能电站，雅砻江杨房沟、卡拉等常规水电工程采用了EPC 模式，取得一定成效。

总之，工程建设管理的最大风险是形成新的“三边”工程，边建边改，工期延误，成本严重超支，投资效益差；工程关键技术的最大风险是水库漏水、洞室塌方和重大地质灾害，造成工程质量缺陷和重大工程事故。

4 开发主体和商业模式

4.1 投资开发主体

投资主体负责推动项目开发论证，获取开发权，在促进立项、土地征用、环境影响评价、项目审批、核准、建设、接入系统和投产运营等方面，发挥组织领导、管理协调的主导作用，对各项工作进行统筹部署，提供项目建设费用，并承担可能存在的风险。过去电网企业是抽水蓄能电站建设的投资主体，已建在建的超过90%抽水蓄能电站均由电网公司独资建设或控股参股建设。

当前，在政府鼓励多元化投资，市场化开发，鼓励社会资本参与电力生产交易的背景下，投资主体除电网公司外，还包括发电企业、电力建设企业、水利水电勘测设计企业、地方投资平台、装备制造企业等。中央企业、地方国有企业、民营企业等各方争夺开发权，无疑将加剧市场竞争态势。抽水蓄能电站开发建设涉及诸多利益主体和利益相关方。地方政府、电网企业、开发企业、建筑施工企业、装备制造企业、金融机构和中介服务机构等，各方合作与利益博弈的前提是项目的可持续性。但是，项目可持续必须以项目开发确有必要、技术可行、生态环保和收益保障为前提，如果开发企业都没有利益，其他各方的利益也就根本无法保障。

致力于抽水蓄能产业的企业要清晰地认识到，抽水蓄能电站开发没有捷径、没有超额利润、更没有暴利。唯有始终贯彻落实国家战略，践行责任使命担当，维护市场秩序，遵循勘测设计技术体系，创新技术和管理，才能提升效率，实现抽水蓄能产业效益和社会效益的最优化。

4.2 商业模式

抽水蓄能电站建成后基本都转交电网公司运行管理，服务一定的电网区域，起到调峰填谷、调频调相、事故备用、黑启动、提升电力系统灵活性和可靠性等重要作用。极少数由开发者在局域网路中自建自用，自行调度或委托电网公司运行管理。抽水蓄能电站的核算机制，也因此而有所不同。占比超过85%的“网建网用”的抽水蓄能电站，基本都是内部核算制，没有单独的电价；占比不足15%的“自建网用”或“自建自用”的抽水蓄能电站，一般采用设备租赁制或市场电价制。电价机制由内部核算制走向市场电价制，将是未来抽水蓄能电站市场化发展的趋势。

我国抽水蓄能电站推行的是“两部制电价”，即由政府核定电量电价及容量电价，容量电价按经营期40 年，资本金内部收益率6.5%核定；电量电价按照效率75%和相应价差核定，收益分成。2021 年5 月，我国进一步完善抽水蓄能价格形成机制，在《国家发展改革委关于进一步完善抽水蓄能价格形成机制的意见》中将“政府核定电量电价及容量电价”改为“以竞争性方式形成电量电价，并将容量电价纳入输配电价回收”后的首次考核，通过对成本开展全面梳理，为抽水蓄能价格机制提供借鉴，进一步保障电站经济性。修改后的被称为“新两部制电价”，极大提振了抽水蓄能行业发展信心，这一政策将从2023 年起执行。新两部制电价鼓励抽水蓄能电站参与辅助服务市场或辅助服务补偿机制，明确了上一监管周期内形成的相应收益，以及执行抽水电价、上网电价形成的收益，20%由抽水蓄能电站分享，80%在下一监管周期核定电站容量电价时相应扣减。

随着电力体制和电力市场化改革不断深入推进，未来中国电力市场必将逐步实行市场电价机制。因此，抽水蓄能电站，不论是从国民经济评价，还是从财务评价，经论证充分，在新能源开发和新型电力系统构建中发挥重要作用的抽水蓄能电站都将是经济合理，环境友好，抗风险力强的社会财富工程，企业盈利工程。投资主体多元化后，未来抽水蓄能电站更多采用的商业模式是股份合作制，联合开发、共同履责、共享效益、共担风险。对大型抽水蓄能电站，投资企业作为责任方，联合电网公司、地方投资平台、其他参与者等或是较好的商业合作模式。

5 结束语

在“双碳”战略发展目标驱动下，抽水蓄能电站作为当前技术最成熟、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，产业规模化发展迎来前所未有的浪潮。在高速发展的进程中，应坚持系统规划、统筹开发、协调发展，坚持因地制宜、讲求效益、防范风险。所有参与企业应共同维护产业链健康生态环境，勘测设计企业遵循“先规划再设计，先勘测后设计，先设计后施工”的技术管理体系，持续推进技术创新；施工安装企业要精心组织、精心管理，控制工序、控制质量，持续推进建设管理模式创新；投资开发企业、电网企业等要协同配合，维护市场秩序，践行责任使命担当，实现抽水蓄能产业效益和社会效益的最优化，为中国电力事业的发展，为中国社会迈向“碳中和”的未来做出应有的贡献。