周興波,周建平,杜效鵠
(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院,北京市 100120;2.中國電力建設(shè)股份有限公司,北京市 100048)
能源安全對國家發(fā)展、人民生活改善和社會長治久安至關(guān)重要[1]。在“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)的驅(qū)動下,抽水蓄能電站作為當(dāng)前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、最具大規(guī)模開發(fā)條件的電力系統(tǒng)綠色低碳清潔靈活調(diào)節(jié)電源,不僅對電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性安全性具有重要作用,而且對構(gòu)建以新型電力系統(tǒng)意義重大。
為統(tǒng)籌推進(jìn)抽水蓄能快速發(fā)展,適應(yīng)新型電力系統(tǒng)建設(shè)和大規(guī)模高比例新能源發(fā)展需要,2021 年9 月國家能源局發(fā)布了《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035 年)》[2],規(guī)劃到2035 年,形成滿足新能源高比例大規(guī)模發(fā)展需求的,技術(shù)先進(jìn)、管理優(yōu)質(zhì)、國際競爭力強(qiáng)的抽水蓄能現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè),培育形成一批抽水蓄能大型骨干企業(yè)。據(jù)統(tǒng)計,截至2023年2 月,全國已核準(zhǔn)抽水蓄能電站67 個,投資金額合計超過6100 億元。
為搶占未來十幾年市場規(guī)模如此宏大的萬億級產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,各類發(fā)電企業(yè)、勘測設(shè)計企業(yè)、建筑施工企業(yè)、裝備制造企業(yè),甚至航天企業(yè)都搶跑入場,爭取抽水蓄能投資開發(fā)資源,一場能源領(lǐng)域的全國競技的產(chǎn)業(yè)正在快速崛起。但抽水蓄能電站建設(shè)運行涉及水文氣象、地質(zhì)條件、壩工設(shè)計、施工建設(shè)、運行管理、金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)電設(shè)備安裝、電網(wǎng)消納等多專業(yè)協(xié)同發(fā)展,只有堅持系統(tǒng)規(guī)劃,堅持設(shè)計施工技術(shù)創(chuàng)新,創(chuàng)新工程建設(shè)管理體制機(jī)制,堅持產(chǎn)業(yè)協(xié)同和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調(diào)發(fā)展,維護(hù)良好產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài),才能促進(jìn)新時期抽水蓄能產(chǎn)業(yè)健康高質(zhì)量發(fā)展,有力支撐新能源大規(guī)模開發(fā)利用,助力實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。
抽水蓄能是保障電力系統(tǒng)安全運行的重要方式。2020 年以前,我國先后建成崗南、廣州、十三陵、天荒坪、泰安、惠州、白蓮河、西龍池、仙居、陽江、長龍山等一批抽水蓄能電站,這些工程的投產(chǎn)運行對促進(jìn)我國抽水蓄能電站設(shè)計、施工、設(shè)備制造、運行管理積累了豐富的經(jīng)驗。
《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》和“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略,極大程度推動抽水蓄能加速發(fā)展。截至2021 年,我國抽水蓄能電站建成投產(chǎn)規(guī)模僅3639 萬kW。《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035 年)》中明確到2025 年,我國抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模6200 萬kW 以上;到2030 年,投產(chǎn)總規(guī)模1.2 億kW;中長期規(guī)劃布局重點實施項目340 個,總裝機(jī)容量約4.21 億kW。也就是說,“十四五”期間要核準(zhǔn)開工1.6 億kW,到2025 年投產(chǎn)總規(guī)模較“十三五”時期翻一番;“十五五”期間,新增核準(zhǔn)開工8000 萬kW,到2030 年再翻一番;“十六五”期間,完成投產(chǎn)3 億kW,具體如圖1 所示。
圖1 抽水蓄能發(fā)展規(guī)劃Figure 1 The development plan of pumped storage station
未來數(shù)十年,我國抽水蓄能產(chǎn)業(yè)發(fā)展將加速推進(jìn),“十四五”期間年均投產(chǎn)規(guī)模要超過600 萬kW,是之前年均規(guī)模不足200 萬kW 的3 倍以上。未來20 年,新增投產(chǎn)規(guī)模將超3 億kW,是現(xiàn)有規(guī)模的8 倍多,這將是全球前所未有的發(fā)展速度和開發(fā)強(qiáng)度。按照當(dāng)前我國抽水蓄能投資單位千瓦時約6000 元,估計抽水蓄能產(chǎn)業(yè)市場新增投資將超萬億元。
眾所周知,在土木工程領(lǐng)域一般是以規(guī)劃設(shè)計為龍頭、施工制造為主體,建設(shè)管理為手段,投資運營為基石,全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同推動行業(yè)持續(xù)發(fā)展的,抽水蓄能產(chǎn)業(yè)也不例外。
隨著抽水蓄能電站開發(fā)建設(shè)爆發(fā)式增長,出現(xiàn)簡化前期和設(shè)計流程、加快工作進(jìn)度的提議。抽水蓄能電站作為國家重要的能源基礎(chǔ)設(shè)施,應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行《建筑法》《工程勘測設(shè)計管理條例》等法律法規(guī),分階段開展設(shè)計,由表及里、由淺入深,循序漸進(jìn)做好勘測設(shè)計工作,以保障工程本質(zhì)安全。
抽水蓄能電站工程地質(zhì)勘測應(yīng)重視區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性及地震安全性,工程因站點選址區(qū)域分布不同而具有不同的工程地質(zhì)特點[3]。對區(qū)域構(gòu)造背景復(fù)雜地區(qū),應(yīng)在預(yù)可行性研究階段對場地構(gòu)造穩(wěn)定性和地震安全性做出評價,并在可行性研究階段進(jìn)行復(fù)核,尤其對高地震烈度區(qū)規(guī)劃的站點,如甘肅黃羊、黃龍等抽水蓄能電站。對巖溶發(fā)育地區(qū),應(yīng)重視上下水庫庫周防滲、地下洞室圍巖穩(wěn)定問題。對層狀、緩傾角地層發(fā)育地區(qū),應(yīng)重視大型地下洞室群拱頂圍巖穩(wěn)定問題。對濕陷性黃土地區(qū),應(yīng)重視上下水庫滲漏誘發(fā)黃土濕陷及次生地質(zhì)災(zāi)害等工程地質(zhì)問題。
抽水蓄能樞紐布置應(yīng)統(tǒng)籌上水庫、下水庫、電站廠房、變電站、水道系統(tǒng)、交通道路、出線場以及補(bǔ)充工程等。在國內(nèi)已建和在建工程中,抽水蓄能電站大壩以土石壩為主,約占83%。其中,混凝土面板壩應(yīng)用最為廣泛,上水庫約占61%,下水庫約占55%;瀝青混凝土面板壩上水庫占20.3%,主要應(yīng)用于全庫盆防滲工程。對以面板堆石壩為主的抽水蓄能水庫,應(yīng)重點做好上下水庫的防滲設(shè)計和排水設(shè)計,尤其重視水庫庫盆防滲問題;設(shè)計布置好水庫觀測儀器和設(shè)施,滿足工程施工期、初期蓄水和運行期的觀測要求(見圖2)。
圖2 抽水蓄能電站水庫Figure 2 The reservoirs of pumped storage station
水道系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)適應(yīng)抽水蓄能電站運行工況轉(zhuǎn)換頻繁,雙向水流運動特點,過渡過程應(yīng)滿足設(shè)計系統(tǒng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性和電站快速響應(yīng)能力,并應(yīng)重視高壓水道的防滲承載能力。抽水蓄能電站廠房包括地下式、半地下式和地面式,相較于常規(guī)電站,抽水蓄能電站主機(jī)一般轉(zhuǎn)速高,在300 ~600r/min,抽水、發(fā)電工況轉(zhuǎn)換頻繁,水力-機(jī)械-電磁荷載振源激勵復(fù)雜。因此,廠房在滿足結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上,應(yīng)重視廠房結(jié)構(gòu)振動問題。
抽水蓄能電站機(jī)組機(jī)型參數(shù)包括機(jī)組型式、額定水頭與揚程、單機(jī)容量、機(jī)組臺數(shù)、轉(zhuǎn)輪直徑、額定流量、額定轉(zhuǎn)速及安裝高程等。機(jī)組型式選擇應(yīng)根據(jù)水頭或揚程、運行特點及設(shè)計制造水平等技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合分析確定。對于可逆式機(jī)組,水輪機(jī)工況參數(shù)應(yīng)在水泵工況參數(shù)選擇基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇。近年來,隨著技術(shù)水平進(jìn)步,抽水蓄能機(jī)組呈現(xiàn)高水頭、大容量的趨勢,目前我國抽水蓄能最大運行水頭超過700m,最大容量超過40萬kW,如圖3所示。機(jī)組選擇設(shè)計中,應(yīng)重點關(guān)注機(jī)組振動控制、水力過渡過程控制以及智能化運行等關(guān)鍵技術(shù)。
圖3 我國抽水蓄能電站額定水頭和額定裝機(jī)容量Figure 3 Rated head and rated installed capacity of pumped storage power stations in China
抽水蓄能電站電氣設(shè)施設(shè)計包括電氣一次設(shè)計和電氣二次設(shè)計。電氣一次要做好接入系統(tǒng)及電氣主接線設(shè)計、可逆式機(jī)組啟動方式選擇、廠用電源設(shè)計、開關(guān)站型式和位置選擇。電氣二次設(shè)計要重視機(jī)組自動控制、電站監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)組繼電保護(hù)及二次接線設(shè)計等。隨著抽水蓄能電站水頭和揚程的增大,金屬機(jī)構(gòu)設(shè)計應(yīng)重視引水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)的閘門設(shè)計,并提出保障閘門安全服役的調(diào)度運行方式。此外,還應(yīng)重視上下水庫的攔污柵設(shè)計,攔污柵進(jìn)出水口建筑物應(yīng)具有良好的水力學(xué)特性,控制好通過攔污柵斷面的平均出水流速。
隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速發(fā)展,利用信息化、數(shù)字化技術(shù),從三維協(xié)同設(shè)計、BIM 施工建設(shè)管理,再到數(shù)字孿生的運行維護(hù)管理,逐漸形成了智慧抽水蓄能的全過程解決方案,提升了工程建設(shè)效率和工程安全運行保障能力。另一方面,在習(xí)近平生態(tài)文明思想的引領(lǐng)下,抽水蓄能電站設(shè)計與生態(tài)景觀設(shè)計、水工建筑物與自然環(huán)境和人文建筑物風(fēng)格有機(jī)融合,實現(xiàn)了環(huán)境友好型工程與自然的和諧共生,顯著提升當(dāng)?shù)丨h(huán)境和綜合社會效益。如圖4 所示,安徽績溪抽水蓄能啟閉機(jī)房采用了徽派建筑風(fēng)格,取得較好效果。
圖4 安徽績溪徽派風(fēng)格的啟閉機(jī)房Figure 4 The hoist room of Hui architectural style in Jixi Anhui province
此外,抽水蓄能電站高質(zhì)量發(fā)展要維護(hù)迄今運轉(zhuǎn)有效的技術(shù)管理體系,確??睖y設(shè)計工作有序開展,質(zhì)量受控;要做到先規(guī)劃再設(shè)計,先勘測后設(shè)計,先設(shè)計后施工,確保各專業(yè)、各階段設(shè)計輸入的準(zhǔn)確性。工程勘察設(shè)計工作是決定工程成敗的關(guān)鍵。
抽水蓄能電站施工建設(shè)的重點是地下工程和滲控工程,地下工程主要以豎井或斜井、地下廠房等為主,滲控工程主要以水庫防滲、混凝土面板防滲等為主。以洞室群為主的地下工程施工,常按“平面多工序、立體多層次”的原則,近年來隨著TBM 制造技術(shù)進(jìn)步,為抽水蓄能施工效率提升和安全施工提供了保障。如敞開式、單護(hù)盾、雙護(hù)盾等型式的TBM(見圖5),可適用于硬巖、中硬巖、軟巖及較軟巖等,可實現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)和遠(yuǎn)程控制,能同時完成破巖、出渣和支護(hù)作業(yè),長距離掘進(jìn)速度能達(dá)到鉆爆法的4 ~6 倍,但費用往往相比較高,如壓力管道斜井TBM 施工隧洞全費用約為鉆爆 法的1.69 倍,隧洞掘進(jìn)工程費約為鉆爆法的2.5 倍。
圖5 不同類型的隧道掘進(jìn)機(jī)Figure 5 Different types of tunnel boring machine
水庫防滲工程按范圍可分為全庫防滲、局部防滲和不設(shè)防滲;防滲型式有單一防滲、“面板+垂直帷幕”“面板+庫底鋪蓋”等聯(lián)合防滲。在滲控工程施工中,應(yīng)重視庫底黏土鋪蓋、瀝青混凝土、陡坡混凝土面板等施工技術(shù),控制好施工進(jìn)度和質(zhì)量。
如前文所述,抽水蓄能電站機(jī)組近年來呈現(xiàn)高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量等特點,其安裝和調(diào)試技術(shù)與質(zhì)量控制則尤為重要。首先,抽水蓄能電站機(jī)組座環(huán)和蝸殼運行中承受壓力大,安裝過程中應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的水壓試驗和保壓工作,驗證其焊縫的焊接質(zhì)量和蝸殼變形滿足設(shè)計要求。其次,轉(zhuǎn)子磁軛運行中受離心力會造成磁軛徑向變形,進(jìn)而導(dǎo)致磁軛與中心體分離,為此在轉(zhuǎn)子裝備中應(yīng)采用熱打鍵的方法預(yù)先給轉(zhuǎn)子磁軛與中心體一定的預(yù)緊力,保證機(jī)組運行安全。其三,應(yīng)在抽水蓄能電站抽水和發(fā)電兩個旋轉(zhuǎn)方向分別開展動平衡試驗,以檢查機(jī)組各部位的變化情況,完成轉(zhuǎn)子的配重等工作。最后,電站首臺機(jī)組首次水泵工況啟動應(yīng)做好啟動條件、調(diào)相壓水、動平衡試驗、調(diào)相轉(zhuǎn)抽水及數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析工作。
國際上于水電工程的建設(shè)管理模式主要包括設(shè)計—招標(biāo)—建設(shè)管理模式、設(shè)計—建造管理模式、施工管理模式、項目管理模式、項目管理承包模式、建設(shè)—運營—移交管理模式、項目總承包管理模式等。從國內(nèi)抽水蓄能電站建設(shè)來看,項目總承包(EPC)模式有利于優(yōu)化項目實施路線,快速優(yōu)化資源投入,加快工程建設(shè)進(jìn)度,充分發(fā)揮各方技術(shù)優(yōu)勢,推進(jìn)抽水蓄能電站高效高質(zhì)量建設(shè)。近年來,遼寧清原、新疆阜康等抽水蓄能電站,雅礱江楊房溝、卡拉等常規(guī)水電工程采用了EPC 模式,取得一定成效。
總之,工程建設(shè)管理的最大風(fēng)險是形成新的“三邊”工程,邊建邊改,工期延誤,成本嚴(yán)重超支,投資效益差;工程關(guān)鍵技術(shù)的最大風(fēng)險是水庫漏水、洞室塌方和重大地質(zhì)災(zāi)害,造成工程質(zhì)量缺陷和重大工程事故。
投資主體負(fù)責(zé)推動項目開發(fā)論證,獲取開發(fā)權(quán),在促進(jìn)立項、土地征用、環(huán)境影響評價、項目審批、核準(zhǔn)、建設(shè)、接入系統(tǒng)和投產(chǎn)運營等方面,發(fā)揮組織領(lǐng)導(dǎo)、管理協(xié)調(diào)的主導(dǎo)作用,對各項工作進(jìn)行統(tǒng)籌部署,提供項目建設(shè)費用,并承擔(dān)可能存在的風(fēng)險。過去電網(wǎng)企業(yè)是抽水蓄能電站建設(shè)的投資主體,已建在建的超過90%抽水蓄能電站均由電網(wǎng)公司獨資建設(shè)或控股參股建設(shè)。
當(dāng)前,在政府鼓勵多元化投資,市場化開發(fā),鼓勵社會資本參與電力生產(chǎn)交易的背景下,投資主體除電網(wǎng)公司外,還包括發(fā)電企業(yè)、電力建設(shè)企業(yè)、水利水電勘測設(shè)計企業(yè)、地方投資平臺、裝備制造企業(yè)等。中央企業(yè)、地方國有企業(yè)、民營企業(yè)等各方爭奪開發(fā)權(quán),無疑將加劇市場競爭態(tài)勢。抽水蓄能電站開發(fā)建設(shè)涉及諸多利益主體和利益相關(guān)方。地方政府、電網(wǎng)企業(yè)、開發(fā)企業(yè)、建筑施工企業(yè)、裝備制造企業(yè)、金融機(jī)構(gòu)和中介服務(wù)機(jī)構(gòu)等,各方合作與利益博弈的前提是項目的可持續(xù)性。但是,項目可持續(xù)必須以項目開發(fā)確有必要、技術(shù)可行、生態(tài)環(huán)保和收益保障為前提,如果開發(fā)企業(yè)都沒有利益,其他各方的利益也就根本無法保障。
致力于抽水蓄能產(chǎn)業(yè)的企業(yè)要清晰地認(rèn)識到,抽水蓄能電站開發(fā)沒有捷徑、沒有超額利潤、更沒有暴利。唯有始終貫徹落實國家戰(zhàn)略,踐行責(zé)任使命擔(dān)當(dāng),維護(hù)市場秩序,遵循勘測設(shè)計技術(shù)體系,創(chuàng)新技術(shù)和管理,才能提升效率,實現(xiàn)抽水蓄能產(chǎn)業(yè)效益和社會效益的最優(yōu)化。
抽水蓄能電站建成后基本都轉(zhuǎn)交電網(wǎng)公司運行管理,服務(wù)一定的電網(wǎng)區(qū)域,起到調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故備用、黑啟動、提升電力系統(tǒng)靈活性和可靠性等重要作用。極少數(shù)由開發(fā)者在局域網(wǎng)路中自建自用,自行調(diào)度或委托電網(wǎng)公司運行管理。抽水蓄能電站的核算機(jī)制,也因此而有所不同。占比超過85%的“網(wǎng)建網(wǎng)用”的抽水蓄能電站,基本都是內(nèi)部核算制,沒有單獨的電價;占比不足15%的“自建網(wǎng)用”或“自建自用”的抽水蓄能電站,一般采用設(shè)備租賃制或市場電價制。電價機(jī)制由內(nèi)部核算制走向市場電價制,將是未來抽水蓄能電站市場化發(fā)展的趨勢。
我國抽水蓄能電站推行的是“兩部制電價”,即由政府核定電量電價及容量電價,容量電價按經(jīng)營期40 年,資本金內(nèi)部收益率6.5%核定;電量電價按照效率75%和相應(yīng)價差核定,收益分成。2021 年5 月,我國進(jìn)一步完善抽水蓄能價格形成機(jī)制,在《國家發(fā)展改革委關(guān)于進(jìn)一步完善抽水蓄能價格形成機(jī)制的意見》中將“政府核定電量電價及容量電價”改為“以競爭性方式形成電量電價,并將容量電價納入輸配電價回收”后的首次考核,通過對成本開展全面梳理,為抽水蓄能價格機(jī)制提供借鑒,進(jìn)一步保障電站經(jīng)濟(jì)性。修改后的被稱為“新兩部制電價”,極大提振了抽水蓄能行業(yè)發(fā)展信心,這一政策將從2023 年起執(zhí)行。新兩部制電價鼓勵抽水蓄能電站參與輔助服務(wù)市場或輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制,明確了上一監(jiān)管周期內(nèi)形成的相應(yīng)收益,以及執(zhí)行抽水電價、上網(wǎng)電價形成的收益,20%由抽水蓄能電站分享,80%在下一監(jiān)管周期核定電站容量電價時相應(yīng)扣減。
隨著電力體制和電力市場化改革不斷深入推進(jìn),未來中國電力市場必將逐步實行市場電價機(jī)制。因此,抽水蓄能電站,不論是從國民經(jīng)濟(jì)評價,還是從財務(wù)評價,經(jīng)論證充分,在新能源開發(fā)和新型電力系統(tǒng)構(gòu)建中發(fā)揮重要作用的抽水蓄能電站都將是經(jīng)濟(jì)合理,環(huán)境友好,抗風(fēng)險力強(qiáng)的社會財富工程,企業(yè)盈利工程。投資主體多元化后,未來抽水蓄能電站更多采用的商業(yè)模式是股份合作制,聯(lián)合開發(fā)、共同履責(zé)、共享效益、共擔(dān)風(fēng)險。對大型抽水蓄能電站,投資企業(yè)作為責(zé)任方,聯(lián)合電網(wǎng)公司、地方投資平臺、其他參與者等或是較好的商業(yè)合作模式。
在“雙碳”戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)驅(qū)動下,抽水蓄能電站作為當(dāng)前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、最具大規(guī)模開發(fā)條件的電力系統(tǒng)綠色低碳清潔靈活調(diào)節(jié)電源,產(chǎn)業(yè)規(guī)?;l(fā)展迎來前所未有的浪潮。在高速發(fā)展的進(jìn)程中,應(yīng)堅持系統(tǒng)規(guī)劃、統(tǒng)籌開發(fā)、協(xié)調(diào)發(fā)展,堅持因地制宜、講求效益、防范風(fēng)險。所有參與企業(yè)應(yīng)共同維護(hù)產(chǎn)業(yè)鏈健康生態(tài)環(huán)境,勘測設(shè)計企業(yè)遵循“先規(guī)劃再設(shè)計,先勘測后設(shè)計,先設(shè)計后施工”的技術(shù)管理體系,持續(xù)推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新;施工安裝企業(yè)要精心組織、精心管理,控制工序、控制質(zhì)量,持續(xù)推進(jìn)建設(shè)管理模式創(chuàng)新;投資開發(fā)企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)等要協(xié)同配合,維護(hù)市場秩序,踐行責(zé)任使命擔(dān)當(dāng),實現(xiàn)抽水蓄能產(chǎn)業(yè)效益和社會效益的最優(yōu)化,為中國電力事業(yè)的發(fā)展,為中國社會邁向“碳中和”的未來做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。