戚海峰

（中核新華黃龍抽水蓄能發(fā)電有限公司，甘肅天水 741020）

1 引言

當前，抽水蓄能電站在電網中作用顯著，可為電網提供調峰、調壓等服務。 隨著經濟穩(wěn)定發(fā)展，抽水蓄能電站規(guī)模增大，對電網供電安全要求明顯提升。 抽水蓄能電站的出現，對電網的優(yōu)化重組起到了促進作用， 但基于對抽水蓄能電站穩(wěn)定性的考慮，需明確電站裝機容量選擇方法，借此維護抽水蓄能電站的整體品質。

2 工程概況

黃龍站點位置特殊，位于甘肅省天水市，距市公路里程約370 km。 從圖紙勘測結果可知，上水庫地質環(huán)境復雜，在清水縣史溝村附近，與五馬河和兩流水溝形成上水庫。 而該抽水蓄能電站的下水庫位于麥積區(qū)上游廟坪溝內，下水庫主要由溝口筑壩庫內開挖構成。 電站裝機容量（重要參數）初選210 萬kW，與此同時安裝6 臺立軸混流可逆電機組（單機容量35 萬kW），連續(xù)滿發(fā)6 h。 規(guī)劃設計上水庫正常蓄水位1 895 m，下水庫蓄水位1 260 m，均備日調節(jié)能力。 先擬在上下水庫之間科學搭建地下輸水發(fā)電系統(tǒng)，施工總工期78 個月。 純抽水蓄能電站示意圖如圖1 所示。

圖1 純抽水蓄能電站示意圖

3 裝機容量選擇思路

抽水蓄能電站應用廣泛，屬于經濟性較強的調峰電站，電站優(yōu)勢已被多個國家證實。 抽水蓄能電站使用靈活，不僅工作中爬峰（卸荷）速度快，且擁有其他電站不可比擬的調荷幅度大等優(yōu)點，該電站是最能適應負荷變化的電力系統(tǒng)[1]。經證實，在電力系統(tǒng)中啟用該類型電站能起調峰填谷作用， 可改善系統(tǒng)運行條件，最大限度地節(jié)省燃料。 抽水蓄能電站的功能發(fā)揮與裝機容量選擇關系密切。

純抽水蓄能電站建設要求較混合型抽水蓄能電站標準略高，要求有充足的蓄能庫容，這是最基本的保障。 同時，上水庫和下水庫的選址很關鍵，均要有必要的蓄能庫容，以維持供電穩(wěn)定。 上水庫可筑壩形成，或結合現有地形條件在高處圍建人工水庫，以滿足蓄水需求；下水庫可以是河流上早已存在的河川水庫或選用最佳地點（在電站上游適當地點）圍建出小水庫，如果自然條件允許，也可利用天然湖泊[2]。 從一些外文資料了解到，國外已建的電站中多選用巖洞、廢礦井等作為下水庫。純抽水蓄能電站運行中，充足的抽水能源是必須具備的，其能源有兩種：第一，利用核電站運行機組穩(wěn)定提供電能，將其作為日抽水蓄能方式，起到調峰填谷的作用，確保電網的持續(xù)穩(wěn)定；第二，利用洪水期水電站具體特征和季節(jié)性電能，作為主要的抽水蓄能方式，在此基礎上充分利用水能，為季節(jié)性電能的提供夯實基礎[3]。 在裝機容量選擇過程中需做好規(guī)劃，并進行抽水能源檢驗，檢驗時要滿足條件：

式中，η綜為電站的綜合效率，是重要參數，大型電站該項參數為0.70～0.75；t抽為可供抽水蓄能的有效時間，h；t發(fā)為發(fā)電時間，h；NT為發(fā)電機容量，kW；Np為電動機容量，kW， 兩者均需處于抽水工況下。

現實中，將有關數據代入公式，得到檢驗時具體的條件，用公式表示為：

應補充說明：在純抽水蓄能電站運轉中，負荷低谷處是重要節(jié)點， 并不是每小時均能保持相同的電動機效率進行抽水蓄能，基于此，需得到折算值，約等于每小時可完成的抽水容量總和。 如果蓄能電站調峰時產生的發(fā)電容量不是常數，此時公式中的t發(fā)表示發(fā)電時間，也應是折算值。

4 裝機容量初選的具體實現過程

4.1 電力系統(tǒng)需求分析

根據甘肅電網建設條件及外送通道需求分析， 按照計劃設計水平年，2030 年， 該地區(qū)蓄能電站需求規(guī)模區(qū)間大致為1 000～1 200 萬kW。 目前，甘肅省尚無已建或在建同類項目，經電力電量平衡分析發(fā)現， 現擬3 個裝機容量方案， 分別是180 萬kW，210 萬kW 和240 萬kW，皆效益顯著，均為電網必需容量。 不同裝機容量下，該地區(qū)可利用電量增長明顯，從1 970 億kW·h 增長至1 979 億kW·h。 與此同時，系統(tǒng)發(fā)電煤耗總量（科學衡量指標）從4 392 萬t 降低至4 368 萬t。 該項目計劃目標是優(yōu)化甘肅電網調峰能力，同時促進新能源發(fā)展，借此保障電網運行可靠性。 因此在建設中，黃龍抽水蓄能電站裝機規(guī)模越大越有利。

4.2 地形地質條件

4.2.1 上水庫

上水庫位置特殊，位于北嶼溝附近，同時鄰近兩流水溝上游溝段，上水庫區(qū)域整體處于低山地貌區(qū)，主要為花崗巖。 因自然條件優(yōu)越， 上水庫地形封閉條件可滿足蓄電站功能使用要求，僅局部存在滲漏問題，基于此施工中建議進行局部防滲處理。 經研究發(fā)現，3 個裝機容量方案所對應的最低蓄水位為1 893 m，最高蓄水位1 897 m，中間水位差較大，除此之外，各比較方案地形等條件大致相同。

4.2.2 下水庫

下水庫位于廟坪溝上游，該水庫兩側山體雄厚，自然條件優(yōu)越。 庫岸由基巖構成，并有小沖溝發(fā)育，溝谷內岸坡整體穩(wěn)定，地下水位普遍高，存在繞壩滲漏問題。 為此，需進行必要的防滲。 施工中要借助錨噴加固措施，解決局部可能形成的滑塌問題。 分析可知，上下水庫地質條件均較理想，但下水庫是重要考慮因素，上水庫對裝機容量選擇的限制較小。

4.3 樞紐布置規(guī)劃

結合以往經驗可知， 黃龍抽水蓄能電站在進行裝機容量選擇時，下水庫的地形條件需重點考慮，這是制約裝機容量擴展的核心要素之一，不容忽視。 下水庫位于廟坪溝，該區(qū)域地形狹窄，再加上水庫自然邊坡較陡，造成庫容擴展條件較差，不得不慎重考慮。 下水庫的下游壩腳設置需考慮綜合因素，受臨近330 kV 高壓線等限制，壩腳無法延伸（再繼續(xù)向下游發(fā)展），壩軸線已處在極限位置。 隨著裝機容量增加，在考慮挖料平衡的基礎上，水庫特征水位需抬高，工程投資也將增加。

與210 萬kW 方案相比， 當該蓄電站裝機容量選定為240萬kW 時，需提高下水庫毛開挖填筑比，將其變?yōu)?.0。 此時，開挖料棄方量巨大，因場地局限無法就地平衡，因此，尋找渣場處理棄料是首要工作。 高開挖量也會造成較大的邊坡支護工程量，使投資進一步增加，也加大了工程風險。 因此，該抽水蓄能電站最佳、最可行的裝機規(guī)模需控制在210 萬kW。

4.4 經濟性

研究發(fā)現，黃龍蓄能電站在建設時選擇的裝機容量不同，實際造價費用也不同，180 萬kW、210 萬kW、240 萬kW 裝機容量，所對應的費用分別為153.1 億元、131.1 億元及127.7 億元。由此可以看出，隨著裝機容量增大，其現值逐漸減小。 總體來看，210 萬kW 與240 萬kW 裝機容量方案基本相似。

綜上所述，從地質條件、電力系統(tǒng)需求等不同維度進行分析，裝機容量210 萬kW 的系統(tǒng)設計方案較優(yōu)。 除此之外，從經濟性看，210 萬kW、240 萬kW 方案差異較小。 綜合技術經濟比較，選擇210 萬kW 裝機容量最為可行，可保障黃龍蓄能電站最佳的運行效率和經濟效益。 各裝機容量方案比較情況見表1、表2。

表1 各裝機容量投資和工程量比較情況

表2 各裝機容量實現的技術條件比較情況

4.5 機組臺數初擬

機組臺數的選擇至關重要， 與電站裝機容量有著密切關系。 在項目規(guī)劃階段需重點評估黃龍抽水蓄能電站的建設能力，參考其初擬裝機容量。 研究發(fā)現，如果選用180 萬kW 的裝機容量，初擬機組臺數6 臺是比較理想的配套方案；如果初選方案是210 萬kW，可擬6 臺、8 臺進行適配，通過兩個比選方案得出最佳的機組臺數。 通過上文分析可知，黃龍抽水蓄能電站在3 套裝機容量方案中，選定210 萬kW 作為最終方案，故可結合單機容量情況初選6 臺35 萬kW 的配套可逆式水泵水輪機組，確保日常供電。

4.6 額定水頭初擬

在完成上述工作外，還需進行額定水頭初擬。 根據機組穩(wěn)定要求，需準確選擇額定水頭。 水輪機額定水頭（Hr）應用原則上應大于或等于最大水頭， 基于此， 本項目額定水頭應在585 m 以上。

明確額定水頭范疇后，參考NB/T 10072—2018《抽水蓄能電站設計規(guī)范》的內容，科學評估水頭/ 揚程變幅及穩(wěn)定性等因素。 針對水頭變幅較大且情況不穩(wěn)的抽水蓄能電站需要結合實際調整額定水頭，為保障工作效果，額定水頭這一重要參數不可小于算術平均水頭。 結合實際數據可知，電站最大揚程（科學參數）與最小水頭的比值在理想范圍內，為1.13，符合額定水頭選擇要求。 NB/T 10072—2018 《抽水蓄能電站設計規(guī)范》中電站水頭特征系數K與額定水頭有一定關系，用公式表示為：

式中，P1為機組額定水頭與電站最小水頭之差；P2為機組最大水頭與電站最小水頭之差。 調查發(fā)現，我國已建蓄能電站（純抽水蓄能電站）K的參數范圍為0.2～0.5?；诖?，結合黃龍電站初擬額定水頭及特征系數K=0.486，可得出電站額定水頭為637 m。 電站特征水頭（揚程），詳情見表3。

表3 電站特征水頭m

5 結論

綜上所述，純抽水蓄能電站不同于混合型抽水蓄能電站，在電站建設期間，對裝機容量要求較高，理想的裝機容量可保障電站的運行效率，消除電站供配電隱患。 本文以黃龍抽水蓄能水電站為例，對電站設備選型、參數優(yōu)化進行探討，并從轉換效率、可靠性等角度出發(fā)，優(yōu)選裝機容量方案。 通過研究發(fā)現，電站選擇210 萬kW 裝機容量配合6 臺、8 臺機組，且額定水頭設計為637 m 的方案較優(yōu)， 并可用于指導黃龍電站的后續(xù)運行，保障電站的運行質量。