中國儲能網訊：8月24日，由深圳市發(fā)展和改革委員會指導，中國化學與物理電源行業(yè)協會與南方科技大學碳中和能源研究院聯合主辦，100余家機構共同支持的碳中和能源高峰論壇暨第四屆中國國際新型儲能技術及工程應用大會與新型儲能技術青年科學家論壇在深圳召開。此次大會主題是“開拓新質生產力，推動儲能產業(yè)高質量發(fā)展”。
在下午的長時儲能技術與應用專場論壇上，中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司抽水蓄能工程院副院長熊燕梅做了題為《以技術創(chuàng)新推動抽水蓄能電站高質量建設》的主題演講。
中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司抽水蓄能工程院副院長熊燕梅
以下內容根據大會發(fā)言整理，僅供參考。
關于抽水蓄能的發(fā)展現狀。先簡單了解一下我國的能源結構，至2023年底，我國的發(fā)電裝機29.2億千瓦，其中火電占比是46%，其中可再生能源占比52%，裝機容量的15.17億千瓦，抽蓄已經達到了5094萬KW，占比1.7%，風光和光伏發(fā)電呈現了很迅速的發(fā)展，總裝機超過了10億千瓦，成為我國可再生能源的生力軍。
全口徑發(fā)電量達到了9.29億千瓦時，可再生能源達到了2.95萬億千瓦時，占全社會用電量的32%，其中風電和光伏的發(fā)電量已經達到了1.47億千瓦時。
大家都知道，電力是現發(fā)現用，不能儲存，電力負荷變化又很頻繁，電力高峰期是在上午、下午和晚上，在中午和后半夜是處于用電低谷，再加上現在風電光伏的迅速發(fā)展，為使電網穩(wěn)定運行，需要在電源端、用戶端配置相應的儲能設備。
國內的儲能一般分為抽水蓄能和新型儲能，新型儲能包括電化學儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、氫儲能、熱儲能等。各類儲能技術成熟度不同、功能性差異較大，全生命期效率及經濟性也有很大差異。抽水蓄能在技術成熟性、經濟性、安全性和大規(guī)模開發(fā)條件上有明顯優(yōu)勢，從而占有壓倒性份額，但其他儲能也有其相應的應用場景。
抽水蓄能電站是兼有抽水和發(fā)電兩種工作方式，在電力負荷出現低谷時做水泵抽水工況運行，用基荷機組發(fā)出的多余電能將下水庫的水抽到上水庫存儲起來；在電力負荷出現用電高峰是做水輪發(fā)電機組運行，放水發(fā)電。在電力系統(tǒng)中起到調峰填谷平抑負荷波動，保持電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。
抽蓄電站滿發(fā)小時數一般在6小時以上，除了調峰、填谷、儲能的功能外，還具有調頻、調相、事故備用和黑啟動等功能。目前它的單位千瓦總投資在6000到7000元左右。
關于我國抽蓄的發(fā)展現狀。世界上第一座抽水蓄能電站于1882年誕生于瑞士，規(guī)?；陌l(fā)展是在20世紀50年代，歐美以及日本等經濟發(fā)達國家。到了21世紀，亞洲國家抽蓄建設速度明顯加快，特別是我國，到2023年底，我國的裝機容量5094萬千瓦，占世界28.43%，位居世界首位。其中華東區(qū)域的規(guī)模最大，達到1791萬千瓦，其次就是華北和南方電網；我國抽蓄的核準在建規(guī)模達到1.79億千瓦。
2021年9月，國家能源局發(fā)布的《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》提出：到2025年抽蓄投產裝機要達到6200萬千瓦以上，到2030年要到1.2億千瓦左右，2035年要達到3億千瓦。
關于抽水蓄能電站的設計重點。首先是站址的布局，適合建在什么地方。第一是以火電為主，缺乏有效調峰手段的大電網，二是調蓄性能較差的電網，三是風能和太陽能資源比較豐富的送電區(qū)，四是具備大規(guī)模發(fā)展的核電區(qū)，五是遠距離送電的受電區(qū)，六是經濟發(fā)達體量大負荷大的地區(qū)。
確定好站址以后，就要確定工程的規(guī)模，抽水蓄能電站分為日調節(jié)、周調節(jié)、年調節(jié)。日調節(jié)就是連續(xù)滿發(fā)小時數5到8小時之間，周調節(jié)就是10到18小時之間，年調節(jié)是指混合式抽蓄，將汛期多余的電量用來把水抽到上水庫儲存起來，在枯水期常規(guī)水電出力不足時放水發(fā)電。工程規(guī)模就是蓄能量，就是滿發(fā)利用小時數和裝機容量相乘，如果連續(xù)滿發(fā)6小時，裝機容量120萬千瓦時，蓄能量就是720萬千瓦時。蓄能量大小是由勢、量決定，也是水頭和庫容，都是由站址的地形地質條件，樞紐布置格局，水庫淹沒影響范圍以及生態(tài)環(huán)境制約等因素決定的。
第三就是通過技術經濟的比較來確定樞紐布置格局及主要建筑物的設計。抽蓄電站樞紐建筑物主要由上水庫、下水庫、輸水發(fā)電系統(tǒng)、開關站等組成。上水庫多位于山頂洼地短小溝谷，地形一般較平緩。水庫庫容由庫盆開挖、和利用溝口筑壩形成。集雨面積一般不超過5-6km2 。下水庫多利用天然河道筑壩形成，集雨面積一般7-20km2，也可利用已建水庫或天然湖泊，以及廢棄礦坑、地下礦洞作為下水庫。水庫庫容通常都在1000-2000萬m3，屬于中型水庫。
那么對于水庫來說，選擇適合的壩型是設計工作的重點，我國抽水蓄能電站大壩主要為土石壩，土石壩對地質條件適應性好，并可通過擴庫開挖增加庫容、壩體填筑消納土石料的方式降低工程投資。在國內已建和在建工程中土石壩約占83%，其中混凝土面板壩應用最為廣泛，上水庫約占61%，下水庫約占55%。近幾年，100m級高壩占比逐漸增加。當下水庫泄洪流量較大、且岸邊溢洪道難以布置的情況，采用重力壩較合適，目前占比約25%。
水庫設計的另一個重點是確定庫盆防滲形式，特別是上水庫位于高山之巔洼地溝谷、地下水位普遍偏低、存在巖體透水性強等特點，庫盆防滲問題較突出，防滲型式的選擇關系到工程投資的高低。而且上水庫一般沒有來水，水是通過下水庫抽上去的，水量很寶貴。庫盆防滲一般分為垂直防滲和表面防滲，垂直防滲有混凝土防滲墻和帷幕灌漿，表面防滲的形式就比較多，有瀝青混凝土面板、鋼筋混凝土面板，還有適合在庫底采用的黏土鋪蓋等。各種方式都有優(yōu)缺點，在實際設計當中一般都是把幾種防滲方式進行組合。
介紹一下我們院設計的一些典型工程。比如天荒坪抽蓄，上庫采用全庫盆瀝青混凝土防滲。比如位于江蘇宜興的宜興抽蓄，上水庫采用全庫盆鋼筋混凝土面板防滲。比如河南的寶泉抽蓄，上水庫采用庫周瀝青混凝土面板加庫底粘土防滲的方式，再比如泰安抽蓄，采用庫岸鋼筋混凝土面板加庫底土工膜及帷幕灌漿的方式。
還有洪屏抽蓄，位于江西，是庫岸鋼筋混凝土面板+庫岸帷幕灌漿+庫底土工膜+粘土鋪蓋。永泰抽蓄是采用庫岸鋼筋混凝土防滲墻+帷幕灌漿。以色列K抽蓄，上下庫均采用全庫盆土工膜防滲。句容抽蓄上水庫采用庫岸瀝青混凝土面板+庫底土工膜。
抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)為雙向水流運動，廠房內安裝混流可逆式水輪發(fā)電機組，其水泵工況的氣蝕系數要比水輪機工況大得多，水泵工況要求吸出高度Hs常在-20—-100m之間，因此大型抽水蓄能電站絕大部分都采用地下廠房布置。開關站及出線場布置在地面。
地下廠房一般是按位置的不同，有首部、中部式和尾部式三種開發(fā)方式。對高壓管道而言，也就是引水系統(tǒng)而言，因為水頭比較高，一個是根據水頭壓力，還有所處的地質條件，來選擇是采用混凝土襯砌還是鋼板襯砌。高壓管道立面布置型分為豎井和斜井。
有關機電技術。隨著抽蓄的快速發(fā)展，機電技術也面臨越來越多的挑戰(zhàn)，一個是為提高抽蓄的經濟性，超高水頭、超大容量抽蓄機組發(fā)展迅速。二是風、光等新能源快速發(fā)展，電網調節(jié)性能要求不斷提升，使得可變速機組開始得到發(fā)展。三是常規(guī)水電調節(jié)能力需求增加，使得混合式抽蓄電站得到發(fā)展，低水頭大變幅抽蓄機組開發(fā)逐漸啟動。四是由于站點布局靈活、距離負荷中心近等特點，中小抽蓄開發(fā)逐步進行。
目前在建最高水頭的機組為天臺抽水蓄能電站，最大揚程777m；已投產最高水頭為長龍山抽水蓄能電站，最大揚程764m。目前在建最大容量機組為天臺抽水蓄能電站，單機容量425MW；目前已投產最大單機容量機組為陽江抽水蓄能電站，單機容量400MW。
在機組及電氣設計等方面，可變速機組與定速抽蓄存在較大不同，需要通過多項技術來保障工程實施，目前河北豐寧變速機組正在調試中，廣東浪江、中洞，山東泰安二期等多個電站正在建設中。
關于如何推進抽水蓄能電站高效建設。首先是新裝備新材料的應用。在裝備方面如TBM設備的推廣應用。小斷面TBM可用于自流排水洞、排水廊道、施工支洞、地質勘探平洞。大斷面TBM可用于進廠交通洞和通風兼安全洞。斜井TBM可用于引水斜井。豎井SBM用于通風豎井、引水豎井。雖然采用TBM技術在投資上要高于鉆爆法，但保護了環(huán)境、提高了安全、減少了人力。
另外，上、下水庫大壩填筑施工中應用無人駕駛振動碾和智能碾壓系統(tǒng)，實現“碾壓無人化、過程可視化”。在新材料方面，如采用具有抗拉強度高、耐久性能好、密度小的耐堿玻璃纖維增強筋替代鋼筋，因其較輕的特質，可有效的減少工人勞動強度，提升施工功效30%以上。
其次是通過數字孿生、技術賦能抽蓄電站建設。在設計階段，聚焦設計業(yè)務流程重難點，實現全專業(yè)的三維協同設計；在建設階段，聚焦抽蓄建設管理重難點，提供擋水建筑物、洞室群及機電設備的智能建設管理，構建“要素全管理、流程全閉環(huán)、問題全紀錄”的工程管理模式；在運維階段，聚焦機電與水工結構運維安全，以專業(yè)模型算法為抓手，打造數字孿生電廠。
再就是推行EPC工程總承包建設模式，抽蓄電站工程涉及專業(yè)多、投資規(guī)模大，具有采用EPC模式的先天基礎。由設計院與施工單位聯合組建總承包方，統(tǒng)一進行規(guī)劃設計、現場管理及施工，更有利于進度、質量和成本管控。
關于展望。抽水蓄能是我國儲能體系的主要構成部分，是構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的關鍵支撐。在雙碳時代大背景下，抽水等儲能行業(yè)的前景廣闊，大有可為。
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