何發(fā)龍

（安仁縣水利局，湖南 郴州 423600）

風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性等特點(diǎn)，電力系統(tǒng)必須有足夠的靈活調(diào)節(jié)的電源，以保障運(yùn)行穩(wěn)定。相對電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能等而言，抽水蓄能技術(shù)是目前世界公認(rèn)的技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)效益最好、最具靈活性、安全性最高、壽命最長、環(huán)境污染最少、應(yīng)用最為廣泛的儲(chǔ)能技術(shù)。截至2022 年底，我國抽水蓄能裝機(jī)規(guī)模占全球儲(chǔ)能總規(guī)模的94.6%。我國在2022 年已建成抽水蓄能電站總裝機(jī)4 089 萬kW，全球最高。但我國抽水蓄能在電力系統(tǒng)中的比例僅有1.59%，遠(yuǎn)低于歐美發(fā)達(dá)國家。抽水蓄能電站廠址都在山區(qū)，對發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興具有現(xiàn)實(shí)意義。在抽水蓄能電站發(fā)展的同時(shí)，必須正視影響抽水蓄能建設(shè)的問題，以推進(jìn)抽水蓄能電站快速、有序、高效、健康地發(fā)展。

1 工程基本情況

金紫仙抽水蓄能電站位于金紫仙鎮(zhèn)金紫仙村。上水庫位于金紫仙鎮(zhèn)高源村西康片區(qū)（原西康村），下水庫位于金紫仙鎮(zhèn)金紫仙村（原金花村）。西康水庫（上水庫）集雨面積為1.2 km2，庫周山體較雄厚，巖性以砂礫巖為主。初擬西康水庫正常蓄水位為870 m，相應(yīng)庫容為990 萬m3，死水位為830 m，死庫容為110 萬m3，調(diào)節(jié)庫容約880 萬m3。上水庫壩頂總長度約550 m。

金紫仙水庫（下水庫）集雨面積為17.8 km2（不含上水庫）。初擬金紫仙水庫正常蓄水位為470 m，相應(yīng)庫容為1 000 萬m3，死水位為430 m，死庫容為120 萬m3，調(diào)節(jié)庫容為880 萬m3。下水庫壩頂長度約460 m。

輸水發(fā)電系統(tǒng)主要建筑物包括上水庫進(jìn)/出水口、上游引水道、地下電站、下游引水道、下水庫進(jìn)/出水口、變電站等。

上、下水庫進(jìn)/出水口水平距離約1 600 m，利用水頭400 m，距高比為4。

電站裝機(jī)容量為120 萬kW，安裝4 臺(tái)單機(jī)容量為30 萬kW 的單級(jí)、立軸、單轉(zhuǎn)速、混流、可逆式水泵水輪機(jī)組。電站初擬500 kV 出線一回接入郴州蘇耽500 kV變電站，直線距離約80 km。經(jīng)估算，該項(xiàng)目總投資為80 億元。

安仁縣金紫仙抽水蓄能電站是性能優(yōu)良的調(diào)峰電站，具有電能轉(zhuǎn)換（填谷）、調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用、調(diào)相、快速跟蹤負(fù)荷、提高系統(tǒng)可靠性等顯著作用。

該項(xiàng)目于2021 年8 月進(jìn)入國家能源局《抽水蓄能中長期規(guī)劃》（2021—2035 年），2022 年8 月預(yù)可行性研究報(bào)告審查通過，2023 年2 月樞紐布置、正常蓄水位、施工總布置等3 個(gè)專題報(bào)告審查通過，2023 年3 月征地移民專題報(bào)告審查通過，計(jì)劃2023 年6 月可行性研究報(bào)告審查通過、核準(zhǔn)開工，2030 年全部機(jī)組竣工、發(fā)電。

2 金紫仙抽水蓄能電站設(shè)計(jì)與施工

金紫仙抽水蓄能電站樞紐工程采用：混凝土面板堆石壩+溢洪道+泄洪兼沖沙放空洞+引水道+地下廠房。西康水庫（上水庫）和金紫仙水庫（下水庫）大壩均采用面板堆石壩方案，大壩是設(shè)計(jì)與施工的關(guān)鍵。

2.1 壩體材料分區(qū)

堆石料分區(qū)按面板壩的受力特點(diǎn)和滲流要求劃分，壩體分區(qū)從上游到下游分別為上游鋪蓋區(qū)、墊層區(qū)、特殊墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、主堆石排水區(qū)和下游堆石區(qū)。

1）上游鋪蓋區(qū)。為封堵面板可能出現(xiàn)的裂縫及周邊縫缺陷，在上游壩腳設(shè)置黏土鋪蓋區(qū)，鋪蓋水平厚度為3 m，上游坡比為1∶2.5，下游面緊貼面板與趾板。

2）特殊墊層區(qū)。位于面板下，設(shè)計(jì)水平寬度為4 m。主要采用新鮮、堅(jiān)硬的細(xì)料并經(jīng)過碾壓以達(dá)到級(jí)配優(yōu)良、連續(xù)、密實(shí)，使?jié)B透系數(shù)達(dá)到10-3cm/s。壓實(shí)后，其孔隙率小于21%，小于5 mm 的墊層料占30%～40%，最大粒徑為80 mm。

3）過渡區(qū)。過渡區(qū)位于墊層區(qū)與主堆石之間，設(shè)計(jì)水平寬度為4 m。過渡料應(yīng)具有良好的級(jí)配，用堅(jiān)硬的石料填筑，最大粒徑不超過300 mm，壓實(shí)后孔隙率不大于23%。壓實(shí)后具有低壓縮性，高抗剪強(qiáng)度，并能對墊層料有反濾作用。

4）主堆石區(qū)。主堆石區(qū)是面板壩的主體，是墊層、過渡層的支撐體，堆石料具有良好的級(jí)配。使用堅(jiān)硬的巖石填筑，壓實(shí)后孔隙率不大于25%，最大粒徑不大于600 mm。

5）下游堆石區(qū)。下游堆石區(qū)處于壩體的次要地位，主堆石區(qū)下游，其變形對壩體和面板變形影響不大，對級(jí)配要求可以放寬，碾壓層厚度可達(dá)1.2 m，最大粒徑不大于碾壓層厚的80%，壓實(shí)后的孔隙率不大于28%。

2.2 壩體防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）混凝土面板設(shè)計(jì)。面板堆石壩上游迎水面設(shè)置混凝土面板，它是壩體的主要防滲結(jié)構(gòu)。面板頂部高程厚度為0.3 m，面板底部高程厚度為0.6 m。中間按t=0.3+0.003 51H 變化，其中H 為面板頂部高程至計(jì)算點(diǎn)的高差。為防止面板開裂，分別給面板縱、橫加筋，其鋼筋率為0.5%。面板采用C25 混凝土，抗?jié)B指標(biāo)為W10，抗凍指標(biāo)為F100。面板混凝土采用滑模施工，為適應(yīng)壩體變形，面板設(shè)垂直縫，在兩壩肩附近的面板設(shè)張性垂直縫，間距為15 m，其余部分的面板設(shè)壓性垂直縫，間距也為15 m，與趾板結(jié)合處設(shè)周邊縫。

2）混凝土趾板設(shè)計(jì)。壩體堆石存在沉陷變形，面板不能與河床及兩岸基巖直接連接，只能通過混凝土底座與河床及兩岸基巖相連接。趾板寬度按水頭的1/15設(shè)計(jì)，分兩級(jí)，1/2 壩高以上的趾板寬度為4 m，1/2 壩高以下為6 m。趾板厚度為1.0 m。趾板分縫間距為16 m，趾板混凝土性能及其防裂要求與面板相同。

2.3 灌 漿

為增強(qiáng)基巖的整體性和耐久性，擬對壩基的軟弱夾層（砂礫巖）進(jìn)行固結(jié)灌漿。固結(jié)灌漿的漿液為水泥漿，灌漿孔距為3 m，排距為3 m，梅花形布置。

帷幕灌漿布置在趾板中部，趾板帷幕灌漿與壩體及壩肩兩岸帷幕防滲相結(jié)合，形成一個(gè)整體。帷幕灌漿孔按單排布置，孔距為2 m，防滲標(biāo)準(zhǔn)按透水率小于或等于3 Lu。

2.4 壩基開挖和邊坡開挖處理

壩體邊坡按覆蓋層1∶1.25、強(qiáng)風(fēng)化巖體1∶0.75、弱風(fēng)化巖體1∶0.5 開挖；壩肩岸坡為高邊坡開挖，采用L=28 m，間排距5 m 的錨索支護(hù)，在邊坡表面掛單層Φ6 鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格大小為15 cm×15 cm，然后噴10 cm 厚C25 混凝土的方式進(jìn)行加固。見圖1。

圖1 金紫仙抽水蓄能電站上（下）水庫大壩標(biāo)準(zhǔn)剖面圖（1∶500）

3 抽水蓄能電站發(fā)展中幾個(gè)值得注意的問題

1） 截至2022 年年底，我國抽水蓄能裝機(jī)容量為4 089 萬kW，遠(yuǎn)低于西方發(fā)達(dá)國家的占發(fā)電總裝機(jī)容量10%的一般要求。數(shù)據(jù)顯示，我國2010 年風(fēng)能和太陽能發(fā)電裝機(jī)僅有2 986 萬kW，然而到2022 年底，風(fēng)電、光電兩項(xiàng)新能源裝機(jī)總量達(dá)到6.38 億kW，增長21.4 倍之多。相比之下，抽水蓄能電站裝機(jī)從2010 年的1 692 萬kW 增加到2022 年的4 089 萬kW，僅增長2.42 倍。湖南省抽水蓄能資源很豐富，但規(guī)劃與建設(shè)跟不上新型電力系統(tǒng)發(fā)展；抽水蓄能資源跨省區(qū)投資與電力、電量交易尚處于探索階段，市場化程度很低?？傮w上看，抽水蓄能電站發(fā)展滯后于新型電力系統(tǒng)需求。

2）湖南長沙黑麋峰抽水蓄能電站2018 年投產(chǎn)，單位造價(jià)4 503 元/kW；金紫仙電站預(yù)計(jì)2030 年投產(chǎn)，單位造價(jià)預(yù)計(jì)將在6 500 元/kW 以上，投資成本的快速增長將嚴(yán)重影響抽水蓄能上網(wǎng)電價(jià)和銷售電價(jià)。

3）國家發(fā)展和改革委員會(huì)《關(guān)于進(jìn)一步完善抽水蓄能價(jià)格形成機(jī)制的意見》明確了電價(jià)形成機(jī)制，“能核盡核、能開盡開”，這是國家發(fā)改委和國家能源局對“十四五”時(shí)期抽水蓄能項(xiàng)目的明確政策。但規(guī)劃布局也可能會(huì)產(chǎn)生一些問題：布局不盡合理，可能造成電站建成不被需要或無法使用；一些電站建設(shè)條件較差，經(jīng)濟(jì)性差，建成后增加用戶電費(fèi)負(fù)擔(dān)；建設(shè)成本和運(yùn)行成本可能一時(shí)難以消化，推高投資企業(yè)負(fù)債率和社會(huì)用電成本。這些情況不利于抽水蓄能電站健康發(fā)展。

4）國內(nèi)抽水蓄能機(jī)組的主要生產(chǎn)商是哈爾濱電氣、東方電氣和浙富控股，前兩家公司的產(chǎn)能約為40臺(tái)/年，即1 年1 000 萬kW 左右。2022 年，我國水輪發(fā)電機(jī)組市場占有率前三位的企業(yè)分別是：哈爾濱電氣，約占49%，東方電氣，約占41%，浙富控股，約占5%。抽水蓄能設(shè)備制造能力的不足也是影響抽水蓄能電站發(fā)展的重要因素。

4 關(guān)于發(fā)展抽水蓄能的幾點(diǎn)探討

1）金紫仙抽水蓄能電站抽水與發(fā)電總效率按80%計(jì)算，則綜合平均電價(jià)至少要在標(biāo)桿電價(jià)的基礎(chǔ)上提高27%；如果再計(jì)入容量電價(jià)（內(nèi)部收益+財(cái)務(wù)費(fèi)用+稅金），估計(jì)還要增加14%。抽水蓄能電站必須要達(dá)到年度設(shè)計(jì)利用小時(shí)數(shù)（2 100 h）以上才具有合理的經(jīng)濟(jì)性。如果經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性研究做得不夠詳實(shí)，最終結(jié)局必然是浪費(fèi)投資，抬高電價(jià)。

其他抽水蓄能電站如果無序開發(fā)，無視電力系統(tǒng)和電力市場需求，就有可能建而少用或不用，而輸配電價(jià)將在不知不覺中提高，最終影響銷售電價(jià)，這種情況應(yīng)當(dāng)通過政府監(jiān)管予以避免。

2）抽水蓄能電站工程投資中機(jī)電設(shè)備及安裝工程投資約占28%；到2030 年抽水蓄能投產(chǎn)目標(biāo)是1.2億kW，全國抽水蓄能建設(shè)市場巨大。只有堅(jiān)持自主創(chuàng)新為主，增強(qiáng)機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)制造能力，重點(diǎn)攻關(guān)超高水頭大容量抽水蓄能水輪機(jī)、大容量變速機(jī)組設(shè)計(jì)制造自主化，并進(jìn)一步提升勵(lì)磁、調(diào)速器、變頻裝置等輔機(jī)設(shè)備國產(chǎn)化水平，金紫仙抽水蓄能電站機(jī)組才能按時(shí)交貨，電站運(yùn)行過程中抽水、發(fā)電效益才會(huì)提高。

3）從湖南抽水蓄能電站業(yè)主分布來看，已建成投產(chǎn)的湖南長沙黑麋峰抽水蓄能電站總裝機(jī)120 萬kW，控股業(yè)主為國網(wǎng)新源；在建的平江福壽山抽水蓄能電站總裝機(jī)140 萬kW，控股業(yè)主為國網(wǎng)新源；金紫仙抽水蓄能電站裝機(jī)120 萬kW，控股業(yè)主為國投集團(tuán)。從全國以往的抽水蓄能發(fā)展歷程來看，國網(wǎng)新源公司是我國抽水蓄能電站投資的最大股東，這當(dāng)然有其合理性和合法性，但是其他國有或民營企業(yè)也有很高的投資積極性，以謀求在抽水蓄能電站建設(shè)市場中獲得發(fā)展，政府應(yīng)當(dāng)給予支持。

4）抽水蓄能電站應(yīng)根據(jù)電源分布特點(diǎn)、電網(wǎng)運(yùn)行特性、用電負(fù)荷分布、電力結(jié)構(gòu)等確定抽水蓄能電站選址和容量。鑒于抽水蓄能發(fā)展有其自身特點(diǎn)，即建設(shè)周期通常為5～8 年，前期勘測設(shè)計(jì)及審批一般需要2～3年，因此抽水蓄能電站應(yīng)當(dāng)根據(jù)電力發(fā)展特點(diǎn)，提前進(jìn)行勘測設(shè)計(jì)、選址布局，加快開工建設(shè)，適時(shí)投產(chǎn)發(fā)電。

以10 年甚至30 年的時(shí)間跨度，在分析、預(yù)測當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)和電力發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，進(jìn)行選址規(guī)劃、土地預(yù)審、社會(huì)穩(wěn)定評(píng)估、移民規(guī)劃報(bào)告等前期工作，在符合生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求的前提下，為抽水蓄能電站發(fā)展進(jìn)行規(guī)劃和預(yù)留空間。

目前，金紫仙抽水蓄能電站已經(jīng)列入國家“十四五”重點(diǎn)能源項(xiàng)目，前期工作進(jìn)展順利，計(jì)劃2023 年6月正式開工，2030 年全部機(jī)組竣工、發(fā)電。在安仁縣金紫仙鎮(zhèn)同一地區(qū)，尚有金紫仙抽水蓄能電站二期工程，裝機(jī)容量120 萬kW（上水庫為學(xué)頭嶺水庫，下水庫為豪山水庫），可以列入國家“十五五”重點(diǎn)能源項(xiàng)目，做到滾動(dòng)發(fā)展，優(yōu)勢發(fā)展，高質(zhì)量發(fā)展，快速、有序、高效、健康地發(fā)展。