中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：8月24日，由深圳市發(fā)展和改革委員會(huì)指導(dǎo)，中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)與南方科技大學(xué)碳中和能源研究院聯(lián)合主辦，100余家機(jī)構(gòu)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(chǔ)能技術(shù)及工程應(yīng)用大會(huì)與新型儲(chǔ)能技術(shù)青年科學(xué)家論壇在深圳召開。此次大會(huì)主題是“開拓新質(zhì)生產(chǎn)力，推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展”。
在下午的長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)與應(yīng)用專場(chǎng)論壇上，中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)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(shù)創(chuàng)新推動(dòng)抽水蓄能電站高質(zhì)量建設(shè)》的主題演講。
中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司抽水蓄能工程院副院長熊燕梅
以下內(nèi)容根據(jù)大會(huì)發(fā)言整理，僅供參考。
關(guān)于抽水蓄能的發(fā)展現(xiàn)狀。先簡單了解一下我國的能源結(jié)構(gòu)，至2023年底，我國的發(fā)電裝機(jī)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(jī)容量的15.17億千瓦，抽蓄已經(jīng)達(dá)到了5094萬KW，占比1.7%，風(fēng)光和光伏發(fā)電呈現(xiàn)了很迅速的發(fā)展，總裝機(jī)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(dá)到了9.29億千瓦時(shí)，可再生能源達(dá)到了2.95萬億千瓦時(shí)，占全社會(huì)用電量的32%，其中風(fēng)電和光伏的發(fā)電量已經(jīng)達(dá)到了1.47億千瓦時(shí)。
大家都知道，電力是現(xiàn)發(fā)現(xiàn)用，不能儲(chǔ)存，電力負(fù)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(xiàn)在風(fēng)電光伏的迅速發(fā)展，為使電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，需要在電源端、用戶端配置相應(yīng)的儲(chǔ)能設(shè)備。
國內(nèi)的儲(chǔ)能一般分為抽水蓄能和新型儲(chǔ)能，新型儲(chǔ)能包括電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能等。各類儲(chǔ)能技術(shù)成熟度不同、功能性差異較大，全生命期效率及經(jīng)濟(jì)性也有很大差異。抽水蓄能在技術(shù)成熟性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和大規(guī)模開發(fā)條件上有明顯優(yōu)勢(shì)，從而占有壓倒性份額，但其他儲(chǔ)能也有其相應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)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(fù)荷出現(xiàn)低谷時(shí)做水泵抽水工況運(yùn)行，用基荷機(jī)組發(fā)出的多余電能將下水庫的水抽到上水庫存儲(chǔ)起來；在電力負(fù)荷出現(xiàn)用電高峰是做水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，放水發(fā)電。在電力系統(tǒng)中起到調(diào)峰填谷平抑負(fù)荷波動(dòng)，保持電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。
抽蓄電站滿發(fā)小時(shí)數(shù)一般在6小時(shí)以上，除了調(diào)峰、填谷、儲(chǔ)能的功能外，還具有調(diào)頻、調(diào)相、事故備用和黑啟動(dòng)等功能。目前它的單位千瓦總投資在6000到7000元左右。
關(guān)于我國抽蓄的發(fā)展現(xiàn)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(jì)50年代，歐美以及日本等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家。到了21世紀(jì)，亞洲國家抽蓄建設(shè)速度明顯加快，特別是我國，到2023年底，我國的裝機(jī)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(dá)到1791萬千瓦，其次就是華北和南方電網(wǎng)；我國抽蓄的核準(zhǔn)在建規(guī)模達(dá)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(chǎn)裝機(jī)要達(dá)到6200萬千瓦以上，到2030年要到1.2億千瓦左右，2035年要達(dá)到3億千瓦。
關(guān)于抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。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(diào)峰手段的大電網(wǎng)，二是調(diào)蓄性能較差的電網(wǎng)，三是風(fēng)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(yuǎn)距離送電的受電區(qū)，六是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)體量大負(fù)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(diào)節(jié)、周調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)。日調(diào)節(jié)就是連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)5到8小時(shí)之間，周調(diào)節(jié)就是10到18小時(shí)之間，年調(diào)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(chǔ)存起來，在枯水期常規(guī)水電出力不足時(shí)放水發(fā)電。工程規(guī)模就是蓄能量，就是滿發(fā)利用小時(shí)數(shù)和裝機(jī)容量相乘，如果連續(xù)滿發(fā)6小時(shí)，裝機(jī)容量120萬千瓦時(shí)，蓄能量就是720萬千瓦時(shí)。蓄能量大小是由勢(shì)、量決定，也是水頭和庫容，都是由站址的地形地質(zhì)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(shù)經(jīng)濟(jì)的比較來確定樞紐布置格局及主要建筑物的設(shè)計(jì)。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(guān)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(duì)于水庫來說，選擇適合的壩型是設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)，我國抽水蓄能電站大壩主要為土石壩，土石壩對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)性好，并可通過擴(kuò)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(nèi)已建和在建工程中土石壩約占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%。近幾年，100m級(jí)高壩占比逐漸增加。當(dāng)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(shè)計(jì)的另一個(gè)重點(diǎn)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(qiáng)等特點(diǎn)，庫盆防滲問題較突出，防滲型式的選擇關(guān)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(diǎn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中一般都是把幾種防滲方式進(jìn)行組合。
介紹一下我們?cè)涸O(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)，廠房內(nèi)安裝混流可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，其水泵工況的氣蝕系數(shù)要比水輪機(jī)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(guān)站及出線場(chǎng)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(duì)高壓管道而言，也就是引水系統(tǒng)而言，因?yàn)樗^比較高，一個(gè)是根據(jù)水頭壓力，還有所處的地質(zhì)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(guān)機(jī)電技術(shù)。隨著抽蓄的快速發(fā)展，機(jī)電技術(shù)也面臨越來越多的挑戰(zhàn)，一個(gè)是為提高抽蓄的經(jīng)濟(jì)性，超高水頭、超大容量抽蓄機(jī)組發(fā)展迅速。二是風(fēng)、光等新能源快速發(fā)展，電網(wǎng)調(diào)節(jié)性能要求不斷提升，使得可變速機(jī)組開始得到發(fā)展。三是常規(guī)水電調(diào)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(jī)組開發(fā)逐漸啟動(dòng)。四是由于站點(diǎn)布局靈活、距離負(fù)荷中心近等特點(diǎn)，中小抽蓄開發(fā)逐步進(jìn)行。
目前在建最高水頭的機(jī)組為天臺(tái)抽水蓄能電站，最大揚(yáng)程777m；已投產(chǎn)最高水頭為長龍山抽水蓄能電站，最大揚(yáng)程764m。目前在建最大容量機(jī)組為天臺(tái)抽水蓄能電站，單機(jī)容量425MW；目前已投產(chǎn)最大單機(jī)容量機(jī)組為陽江抽水蓄能電站，單機(jī)容量400MW。
在機(jī)組及電氣設(shè)計(jì)等方面，可變速機(jī)組與定速抽蓄存在較大不同，需要通過多項(xiàng)技術(shù)來保障工程實(shí)施，目前河北豐寧變速機(jī)組正在調(diào)試中，廣東浪江、中洞，山東泰安二期等多個(gè)電站正在建設(shè)中。
關(guān)于如何推進(jìn)抽水蓄能電站高效建設(shè)。首先是新裝備新材料的應(yīng)用。在裝備方面如TBM設(shè)備的推廣應(yīng)用。小斷面TBM可用于自流排水洞、排水廊道、施工支洞、地質(zhì)勘探平洞。大斷面TBM可用于進(jìn)廠交通洞和通風(fēng)兼安全洞。斜井TBM可用于引水斜井。豎井SBM用于通風(fēng)豎井、引水豎井。雖然采用TBM技術(shù)在投資上要高于鉆爆法，但保護(hù)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(yīng)用無人駕駛振動(dòng)碾和智能碾壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“碾壓無人化、過程可視化”。在新材料方面，如采用具有抗拉強(qiáng)度高、耐久性能好、密度小的耐堿玻璃纖維增強(qiáng)筋替代鋼筋，因其較輕的特質(zhì)，可有效的減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提升施工功效30%以上。
其次是通過數(shù)字孿生、技術(shù)賦能抽蓄電站建設(shè)。在設(shè)計(jì)階段，聚焦設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程重難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)全專業(yè)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)；在建設(shè)階段，聚焦抽蓄建設(shè)管理重難點(diǎn)，提供擋水建筑物、洞室群及機(jī)電設(shè)備的智能建設(shè)管理，構(gòu)建“要素全管理、流程全閉環(huán)、問題全紀(jì)錄”的工程管理模式；在運(yùn)維階段，聚焦機(jī)電與水工結(jié)構(gòu)運(yùn)維安全，以專業(yè)模型算法為抓手，打造數(shù)字孿生電廠。
再就是推行EPC工程總承包建設(shè)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(chǔ)。由設(shè)計(jì)院與施工單位聯(lián)合組建總承包方，統(tǒng)一進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)管理及施工，更有利于進(jìn)度、質(zhì)量和成本管控。
關(guān)于展望。抽水蓄能是我國儲(chǔ)能體系的主要構(gòu)成部分，是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐。在雙碳時(shí)代大背景下，抽水等儲(chǔ)能行業(yè)的前景廣闊，大有可為。
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