混合式抽水蓄能电站选点条件分析

陈宏宇，陈同法，秦晓宇，卢锟明

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.中国电建西北勘测设计研究院，陕西省西安市 710065）

混合式抽水蓄能电站选点条件分析

陈宏宇1，陈同法1，秦晓宇1，卢锟明2

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.中国电建西北勘测设计研究院，陕西省西安市 710065）

利用现有水电站址，通过增建可逆机组方式与常规水电结合开发混合式抽水蓄能电站，具有开发实施较容易，建设周期短，水库淹没环境影响小，投资较省等优点。结合常规水电开发混合式抽水蓄能电站，要兼顾地形地质条件、已建水库的调节库容、水源及泥沙条件、水头、距高比、环保等客观条件的限制。

水电开发；混合式抽水蓄能；开发选点

0 引言

目前我国抽水蓄能电站建设正处于黄金时期，抽水蓄能电站建设站点的选择直接关系到抽水蓄能电站造价及其在电网中作用与效益的发挥。[1]抽水蓄能电站的选点与规划工作是前期设计工作中的一个非常重要的环节，选点工作涉及面广、任务繁重，需要考虑的影响因素和问题较多，而且选点工作基本决定抽水蓄能电站的经济性，在勘测设计中只可能作有限度的优化，所以必须十分重视抽水蓄能电站的规划选点工作。[2-3]

随着我国国民经济发展对电力需求的增长，能源结构的调整及风电、太阳能等可再生能源的快速发展，电力系统对调蓄容量需求越来越大，现有常规水电站调蓄能力已无法满足电网对调蓄容量的需求。而个别地区受水源、地形、地质等条件的限制，布局纯抽水蓄能电站出现诸多困难。混合式抽水蓄能电站属于抽水蓄能电站的一种开发形式。利用已建的常规水电站站址资源，进行混合式抽水蓄能电站开发，可以弥补纯抽水蓄能电站装机容量不足的问题，特别是在纯抽水蓄能电站开发建设制约因素较多的区域，更是具有重要的意义。

近些年来，我国在抽水蓄能电站规划方面做了大量的工作，积累了丰富的工作经验。但在混合式抽水蓄能电站方面，仅建成有潘家口、响洪甸、天堂、白山、佛磨、羊卓雍湖等。随着混合式抽水蓄能电站关注度的提高，研究其开发选点，对规划及加快开发进度，具有一定的前瞻性和必要性。[4]

1 混合式抽水蓄能介绍

1.1 概念

混合式抽水蓄能电站属于抽水蓄能电站的一种开发形式。结合常规水电站新建、改建或扩建，加装抽水蓄能机组，既有电网调节作用，又有径流发电作用，称之为混合式抽水蓄能电站（见图1）。

1.2 开发方式

图1 混合式抽水蓄能电站示意图Fig.1 schematic diagram of mixed pumped storage power station

混合式抽水蓄能电站，按水库结合方式、水泵水轮机型式可以分为“一体化结合”开发、“上库结合”开发、“扩机+加泵”开发三种类型。

1.2.1 “一体化结合”开发

“一体化结合”开发是利用相邻梯级常规水电站的两个水库，分别作为混合式抽水蓄能电站上库和下库的开发方式。“一体化”开发上水库具有天然径流汇入，下水库库容应满足设计抽水要求，通过安装可逆式机组，使电站既有抽水蓄能电站的功能，又有径流发电作用。

“一体化结合”开发方式适合相邻梯级常规水电站的两个水库均具有调节库容，调节库容可与抽水蓄能电站的上下水库共用，调节库容及实际可用水量满足要求，且距高比不是太大，电站进（出）水口地形、地质条件满足工程布置需要。这种方式实现了抽水蓄能电站上、下水库完全利用已建水库，减少了水库工程投资。我国已建的吉林白山抽水蓄能电站即是利用原有常规水电站水库（白山水库和红石水库），安装2台150MW的抽水蓄能机组形成的混合式抽水蓄能电站，是“一体化结合”开发混合式抽水蓄能电站的成功案例。

1.2.2 “上库结合”开发

“上库结合”开发是利用常规水电站水库作为抽水蓄能上水库的开发方式。上水库利用已建常规水电站，通过开挖或筑坝新建下水库，且水库调节库容及实际可用水量满足要求，通过安装可逆机组，使电站既有抽水蓄能电站的功能，又有径流发电作用。

这种方式适合常规水电站下游附近具备建设下水库的条件，常规水电站调节库容可与抽水蓄能电站的上水库库容共用，调节库容及实际可用水量满足要求，且距高比不是太大，电站进（出）水口地形、地质条件满足工程布置需要。我国潘家口抽水蓄能电站与常规水电机组共用上水库（潘家口水库），下游建设抽水蓄能下水库。潘家口抽水蓄能电站装机容量270MW，安装3台90MW的可逆机组，1992年全部机组发电。潘家口抽水蓄能电站是“上库结合”开发混合式抽水蓄能电站的成功案例。

1.2.3 “加泵+扩机”开发

“加泵+扩机”开发方式是利用常规水电站水库作为抽水蓄能上水库，下库利用相邻常规水电站水库或新建下水库，采用“加泵+扩机”的开发方式，在负荷低谷时泵站抽水，在负荷高峰时常规水电机组扩机发电，使电站既有抽水蓄能电站的功能，又有径流发电作用。

如果利用常规水电站水库作为抽水蓄能上水库，下库利用相邻常规水电站水库或新建下水库增建抽水蓄能泵站，而常规水电机组不扩机，泵站在负荷低谷时抽水，由于泵站填谷抽水蓄能，可提高常规水电机组的运行时间，增加负荷高峰时段电量。但泵站只有抽水蓄能功能，不增加电网的调峰容量，没有提高电站的调峰能力。

“加泵+扩机”开发方式适合相邻梯级常规水电站的两个水库均具有调节库容，调节库容可与抽水蓄能电站的上下水库共用，调节库容及实际可用水量满足要求，且距高比不是太大，电站进（出）水口地形、地质条件满足工程布置需要。但这种开发方式需要扩机，又要加泵，枢纽布置及运行管理复杂，同时“加泵+扩机”开发方式需同时新建发电系统和抽水系统，若下水库为新建水库，还需考虑水库的建设费用，开发建设成本高。

2 混合式抽水蓄能电站选点条件分析

开发混合式抽水蓄能电站，除一般纯抽水蓄能电站在地形、地质、水源、泥沙、环境影响、枢纽布置与施工条件等方面的选点条件要求外，尚有其自身特点，具体如下所述。

2.1 地形、地质条件满足要求

2.1.1 地形条件

根据混合式抽水蓄能电站的建设要求，应尽量选择地形条件好，便于电站进/出水口、输水系统、厂房等布置和施工，对原有常规水电站建筑物影响小，且距高比不是太大的站点。

2.1.2 地质条件

混合式抽水蓄能电站建设应建在地震稳定地带。混合式抽水蓄能电站的地下工程较多，应参考常规水电站地质情况，首先应避开地震裂度过高的地区，也应避开活动性断层。电站位置应尽量选在结构完整的坚硬岩体内，避免地下洞室、厂房、隧洞、管道等的安全受到影响。

混合式抽水蓄能电站是利用常规水电站的水库，常规水电站周边应具备布置抽水蓄能电站的基本地形、地质条件，或者上下游梯级常规水电站具备结合开发混合式抽水蓄能电站的基本地形、地质条件，满足进/出水口、输水系统、厂房等布置要求。在枢纽布置及施工中，电站进/出水口、输水系统、厂房等必须考虑对原常规水电站建筑物的安全等影响。

2.2 常规电站水库调节库容满足要求

混合式抽水蓄能电站的水库，是利用常规水电站的水库。因此，常规水电站水库的可利用调节库容，必须满足混合式抽水蓄能电站的正常运行要求。如果常规水电站水库的可利用调节库容不满足混合式抽水蓄能电站的正常运行要求，则应研究适当增大调节库容，以满足混合式抽水蓄能电站正常运行要求。如果常规水电站水库不具备增大调节库容的条件，则应放弃该站点。另外，当常规水电站水库承担有防洪、防凌、灌溉、供水、航运、发电和生态调度等综合利用任务时，应摸清其调度运行方式，协调好抽水蓄能电站调度运行与综合利用各个部门的关系，明确保证抽水蓄能电站正常运行的必要条件。

2.3 水源和泥沙条件要求

混合式抽水蓄能电站利用常规水电站的水库，上水库为现有水库，水量一般是充足的，且抽水蓄能电站自身并不消耗水量，因此，水源一般不存在问题。但抽水蓄能电站对泥沙含量要求较高，一般应控制过机泥沙含量不超过0.2kg/m3。西北等多沙地区，抽水蓄能电站必须采取防排沙措施，这是造成投资指标偏高的原因之一。

一般而言，水轮机磨损速度与含沙量成正比，与流速的三次方成正比。抽水蓄能电站泥沙过机是双向的，对过机含沙量的要求远高于常规水电站。因此，应尽量避免在多沙、中沙河流上选点，当难以避免时，应对泥沙问题给予高度重视，对过机泥沙含量严格控制。除在选点上注意外，可以通过工程布置与工程措施、水轮机抗磨措施及合理的调度运行方式等措施解决。工程布置进/出水口位置应远离泥沙淤积体推进方向的区域，宜尽量靠近坝前；进/出水口前缘设挡水坎，机组引用上层含沙量较低的水。

2.4 水头不宜太低

混合式抽水蓄能电站经济性与水头的关系与纯抽水蓄能电站基本相同，水头由上、下游常规梯级水电站水库水位决定。水头愈大相同出力所需的水流量就愈小，水泵水轮机和输水系统结构尺寸就越小，相应储存单位能量所需的库容也就越小，大坝工程量、库盆防渗等也相应减少，即水头越高越经济。

混合式抽水蓄能电站在常规水电站水库的可利用调节库容基本确定后，装机满发利用小时数不变的条件下，水头越高，则装机容量越大，投资经济性相对越好。如果混合式抽水蓄能电站的水头太低，则装机容量小，经济性差，开发利用价值不大。混合式抽水蓄能电站受上、下游常规水电站水库天然落差的限制，最大水头一般不超过250m。如我国已建的混合抽水蓄能电站白山、潘家口、响洪甸等，最大水头分别为123.9、85、63m。一般尽量选择水头在50m以上的混合式抽水蓄能电站站点。

2.5 距高比不宜太大

距高比是抽水蓄能电站的重要参数之一。距高比即上水库进/出水口与下水库进/出水口之间的水平距离与电站平均毛水头的比值。距高比可大致说明抽水蓄能电站引水建筑物的相对长度，距高比越小，电站引水系统长度和投资越经济，但太小会不利于电站进/出水口、输水系统及厂房的布置。一般抽水蓄能电站的距高比大多数不宜超过12。受常规水电站上、下游水库水位和建筑物的限制，混合式抽水蓄能电站的水头相对较低，距高比可能较纯抽水蓄能电站略大，但不宜太大。距高比太大，引水建筑物的长度太长，投资增大，影响经济指标。应针对各个站点的总体选点条件，具体情况具体分析。

2.6 避免对原有建筑的影响

利用已建常规水电站开发混合式抽水蓄能电站，根据结合开发对原有枢纽的利用形式，可以分为以下几类：

（1）只利用现有常规水电站的上、下水库，新建进/出水口、输水系统和厂房等，安装可逆式机组，增建混合式抽水蓄能电站。这种型式是比较常用的结合开发方式，基本不影响原有常规水电站机组的运行。

（2）利用大部分现有常规水电站输水道（压力隧道及调压井等），在已有常规水电站厂房之外新建厂房等，安装可逆式机组，增建混合式抽水蓄能电站。这种型式在对老厂更新改造中可以采用，直接将部分老机组废弃，改装成可逆式机组。

（3）在现有常规水电站厂房的空位内或改建、扩建现有厂房，扩大增装抽水蓄能可逆式机组。这种型式由于两种机组的安装高程相差较大，施工及枢纽布置较为困难，采用较少。

利用常规水电建设混合式抽水蓄能电站，将牵涉到水库水位升降幅度和频率变化问题。在抽水蓄能电站运行以后，一般水库水位升降的幅度将比运用常规水轮机机组时增大很多，而水位升降变幅一天之内随着抽水蓄能机组运行方式可能有好几次。水位的频繁升降可能影响水库堤坝的稳定性，如坝是由均质材料筑成（如土坝）则可能引起滑坡，如果坝的上游面筑有防渗面板（如混凝土面板堆石坝），原有的排水措施可能不足以应付水位频繁的变化。如水库周边为堤坝，在水位上升时水渗入坝内，但在水位下降时水来不及排出，这样就可能会影响其稳定性。所以增装蓄能机组后，应对原有建筑物的安全稳定等影响进行必要的复核。[5]

利用常规水电站水库扩建可逆式机组，建设混合式抽水蓄能电站时，在枢纽总体布置中必须考虑对原常规水电站建筑物安全及运行的影响，若在现有厂房之外修建新的厂房，爆炸、出渣、混凝土浇筑等都会影响已有机组的运行，因此，应控制开挖爆破等施工手段，减少对原电站建筑物的影响。

2.7 无重大环境影响等制约

抽水蓄能电站选点时，应尽量避让自然保护区、风景名胜区、水源保护区、森林公园、地质公园等环境敏感区。混合式抽水蓄能电站虽然利用常规水电站水库，但电站进/出水口、输水系统、厂房等建筑物布置时，也应尽量避让自然保护区、风景名胜区、水源保护区、森林公园、地质公园等环境敏感区。

2.8 海拔不宜太高

抽水蓄能电站水泵水轮机在正常工况下，希望将机组振动和噪声等指标控制在一定的范围内，但在不同的水头运行范围，水泵水轮机特有的水力现象使机组出现一些无法避免的不稳定运行区域。为减小水泵水轮机的不稳定运行区域，降低机组振动和噪声等指标，除尽量减少机组的水头变幅外，降低海拔高程也是有利的。海拔太高，气压太低，不利于机组补气，不利于机组稳定运行。因此，从机组稳定运行方面考虑，无论是纯抽水蓄能电站还是混合式抽水蓄能电站，均不宜选在海拔太高的区域。一般情况下，建议海拔高程不要超过3000m（厂房位置）。

3 结束语

混合式抽水蓄能电站选点规划时，需要综合考虑工程枢纽布置区的地形地质、上下水库调节库容、水源及泥沙、水头与距高比、电站综合利用要求、对原有电站影响等多重因素[6][7]，最终目的是选出具有良好经济指标的站点。实际选点过程中应根据各个站点的特点与条件，对各影响因素进行综合分析。在常规水电站址资源越来越少，纯抽水蓄能电站站点选点条件越来越差的情况下，进行结合常规水电开发混合式抽水蓄能电站研究，具有前瞻性和必要性，从长远考虑，为解决我国抽水蓄能发展的基础性问题，实现抽水蓄能电站多元化持续健康有序发展提供了技术支持。

[1] 杨正广，黄桂蓉.论抽水蓄能电站资源普查和规划选点工作[J].YANG Zhengguang，HUANG Guirong.On the Resource Survey and Planning of the Pumped Storage Power Station[J].

[2] 邱彬如.电力体制改革后抽水蓄能电站建设的新问题[J].QIN Binru.New Problems in the Construction of Pumped Storage Power Station After Power System Reform[J].

[3] 李复生.再议抽水蓄能电站规划有关问题[J].LI Fusheng.To Discuss the Planning of Pumped Storage Power Station[J].

[4] 柴建峰，肖微.海水抽水蓄能电站及我国工程建设条件浅析[J].水电与抽水蓄能，2016（2），46-49，88.CHAI Jianfeng，XIAO Wei.Analysis on the Condition of Seawater Pumped Storage Power Station and China’s Engineering Construction[J].Hydropower and Pumped Storage，2016（2），46-49，88.

[5] 梅祖彦.抽水蓄能电站发展技术[M].北京：机械工业出版社，2000.MEI Zuyan.Development Technology of Pumped Storage Power Station[M].Beijing ： China Machine Press，2000.

[6] 杨玉增.江西省抽水蓄能电站的规划选点[J].湖北水力发电，1998，（4）.YANG Yuzeng.The Planning And Selection of Pumped Storage Power Station in Jiangxi Province[J].Hubei Hydropower，1998，（4）.

[7] 张挺.河南省抽水蓄能电站规划选点工作概况及主要经验[J].黄河规划设计，2004，（3）.ZHANG Ting.Overview and Main Experience of Planning and Selection of Pumped Storage Power Station in Henan Province[J].Planning and Design of the Yellow River，2004，（3）.

[8] 卢锟明，赵文发等.常规水电结合混合式抽水蓄能开发研究[R].LUN Kunming，Zhao Wenfa.Research on the Development of Conventional Hydropower Combined with Hybrid Pumped Storage[R].

[9] 卢锟明，赵文发等.白山抽水蓄能电站建设运行总结[R].LUN Kunming，Zhao Wenfa.Summary of Construction Operation of Baishan Pumped Storage Power Station[R].

2017-02-15

2017-05-20

陈宏宇（1963—），男，辽宁人，教授级高工，中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会副秘书长，中国水力发电工程学会水能规划及动能经济专业委员会副主任委员，主要研究方向：抽水蓄能规划、项目前期论证、开发与建设。E-mail：yuhong-chen@sgxy.sgcc.com.cn

陈同法（1976—），男，山东人，硕士，国家一级注册建造师，教授级高级工程师。主要研究方向：抽水蓄能开发与建设。E-mail： tongfa-chen@sgxy.sgcc.com.cn

秦晓宇（1980—），男，河北人，高级工程师，主要研究方向：抽水蓄能开发与建设。E-mail：xiaoyu-qin@sgxy.sgcc.com.cn

卢锟明（1987—），男，陕西人，工程师，主要研究方向：动能经济、风光电工程规划、水环境等设计工作。E-mail：398303914@qq.com

Analysis of Selected Conditions of Mixed Pumped Storage Power Station

CHEN Hongyu1，CHEN Tongfa1，QIN Xiaoyu1，LU Kunming2
（1.State Grid XinYuan Company Ltd.，Beijing 100761，China ；2.Northwest Engineering Corporation Limited，Xian 710065，China）

The mixed pumped storage development mode with useing existing hydropower station has many advantages，such as develop and implement easily，short construction period，the reservoir flood small impact on the environment，saving investment and other investment construction advantages.Combined with conventional hydropower development hybrid pumped storage power station，both existing topography and geological conditions，reservoir regulation capacity，water and sediment conditions，water head，spacing ratio limit of objective conditions，environment protection，etc.

hydroelectric development; mixed pumped storage;development and select1

TK71

A学科代码：480.6030

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.006

国网新源控股有限公司科技项目（52570015007J）。