开发优质蓄能资源打造赣州中西部可储存调节电源基地

2023-10-23陈秀端

小水电 2023年5期

陈秀端

(赣州市安水工程咨询有限公司，江西赣州 341200 )

1 问题的提出

江西省赣州市中西部地区是全市电力负荷中心。目前，赣州市可储存的调节电源严重缺乏，加大蓄能调节电源建设力度，优化电源结构，已是当务之急。为加快赣州市抽水蓄能电站建设，保障赣州电力系统安全、经济、稳定运行，促进可再生新能源大规模发展和消纳利用，根据国家能源局《抽水蓄能中长期发展规划》(2021—2035 年)和赣州市政府《关于支持赣州市电力高质量发展的若干意见》的精神，结合处于赣州市中西部地区的上犹县梅岭地区抽水蓄能资源实际，滚动纳入国家中长期发展规划，应加快项目前期工作，促进赣州中西部可储存调节电源基地建设。

2 基本情况

2.1 赣州市概况

赣州市位于江西省南部赣江上游，处于东南沿海地区向中部内地延伸的过渡地带，是内地通向东南沿海的重要通道。全市国土面积3.94万km2，约占全省总面积的1/4，下辖18个县(市、区)，人口近1 000万人，是江西省面积最大、人口最多的地级市。

2.2 赣州市用电负荷及调峰电力需求趋势

近年来，赣州市经济强力拉动，带动电力需求增加，电网最大负荷持续增长，负荷峰谷差扩大。2022年全市用电最大负荷达437.7万kW，负荷峰谷差达200万kW左右。因网内暂无蓄能电源，现阶段除调节性能较好的上犹江水电站等水电参与调峰外，只能牺牲运行的经济性和灵活性，利用火电机组调峰，以满足电网安全、稳定运行的需要。

随着经济社会的发展，乡村振兴的全面推进，电力需求将进一步增加。据权威机关预测，2025年全市最大负荷将突破700万kW，估计未来10年全市最大负荷将达1 000万kW左右。届时电力负荷峰谷差势必进一步加大，如计及系统旋转备用(负荷备用和事故热备用)，2025年、2030年系统调峰电力容量需求将分别扩大到400万kW和600万kW左右，电力严重紧缺程度将加剧，电网调峰将更加困难。与此同时，为实现能源绿色低碳转型及“碳达峰、碳中和”目标任务，风电、光伏发电等新能源大规模高比例投入电网的趋势仍然将会进一步扩大。2022年赣州市全市风电、光伏发电等新能源发电装机已突破400万kW大关。据新能源建设规划，2025年全市新能源发电装机将达700万kW，年发电量将突破100亿kW·h。2030年全市新能源发电装机将达1 000万kW，年发电量约140亿kW·h。无疑，新能源投入电网运行将加重电网电力电量平衡压力。此外，随着用电质量的提高，电网除调峰、填谷外，对电网电源在电网调频、调相、负荷和事故备用等方面也提出了更加严格的要求。

2.3 必要性分析

目前，赣州市燃煤火电在网内发挥主力电源作用，但其机组启停不灵活，运行增减负荷速度慢，出力变化幅度有限，适应负荷变化能力差，变出力运行能耗高，经济性差。尽管燃煤火电也参与电网调峰，但其调峰能力有限，尤其是深度调峰，机组运行较为困难；无疑，燃煤火电不是最佳调峰电源。燃气、燃油火电作为生产企业的应急电源，能够较好地作为备用电源参与运行，但其运行成本高，显然不是经济的调峰电源，不宜规模发展。具有调节性能的常规水电站启停快，运行灵活，跟踪负荷速度能力强，变出力经济性较好，是较好的调峰电源。目前赣州市千余座中小型水电站虽达一定规模(总装机容量124.2 万kW)，但除上犹江水电站等少数电站具有较好的调节性能外，绝大多数中、小水电站基本上属调节性能较差或无调节的径流式水电站。因水电规模偏小，参与调峰能力薄弱，面对电网峰谷差加大趋势，显然是杯水车薪；而风电和光伏电站因其运行的间歇性、随机性、不稳定性和难以预测性，不仅无法纳入电网电力平衡计划，反而增添了电网消纳新型能源压力，加剧了电力电量平衡矛盾。

作为技术成熟、运行灵活、调节便利、安全可靠、经济性好的可存储的电源，抽水蓄能电站具有启停迅速，双向运行的特点，不仅可替代传统发电机组担任调峰、填谷作用，而且具有较强的负荷跟踪能力，具有调频、调相、负荷备用和事故备用，以及黑启动等功能；还具有平抑新能源出力的波动性、随机性能力，能够减少对电网的不利影响，促进新能源大规模开发消纳。因此，在电网峰谷差大，高峰电力紧缺，现有电源调峰能力薄弱，新能源的消纳利用旺兴的形势下，加快赣州市可储存的调节电源规划，强力推进抽水蓄能电站建设，构建新型电力系统，是维持电网供需平衡，保持电网安全经济稳定运行，促进赣州电力系统高质量可持续发展的必然要求。

3 梅岭抽水蓄能电站建设资源条件分析

上犹县位于赣州市西部，临近赣州市主要用电负荷区，境内水能资源丰富，为赣南第一水电大县，是“全国农村水电电气化县”。上犹县中部梅岭地区地属罗宵山脉中段东麓延伸地带，山体雄厚，地势崎峻，绵延百里；其主峰梅岭嶂海拔高程895.8 m，周边多为丘陵地带，地势较低，地面高程160～500 m，相对高差较大。其中梅岭主峰东北方向安和乡富湾村和梅岭主峰正南方向油石乡梅岭村两处都具有较理想的抽水蓄能电站建设的地形、地质、水源等条件，满足抽水蓄能电站规划建设相关规定。根据两处蓄能站点资源条件优势比较，拟分一期、二期工程先后开发建设，详见图1。

3.1 地形条件

梅岭抽水蓄能一期电站(以下简称一期安和电站)位于梅岭主峰东北方向上犹县安和乡富湾村境内，上水库利用高山盆地(县梅岭茶场)筑坝成库。上水库库盆三面环山，西侧为梅岭主峰，山体较雄厚。库盆东北侧沟谷为山区溪流出口，谷底海拔740～750 m，此段河道坡降不大，距离下游底坡较远，两岸山坡平顺，坡度适中，是建设当地材料坝(拟采用弧线形面板堆石坝)较为理想的坝址。为增加上水库库容，拟采用弧线线面板堆石坝，库盆西北侧为垭口，地面海拔780 m，需筑副坝1处；库盆东南侧和南侧各有1处垭口，垭口地面海拔分别为770 m和780 m，需筑副坝2处。上水库库盆基本封闭，库区较开阔，周边山体边坡平顺，建库条件较好；下水库利用同流域溪流下游河谷盆地筑坝成库，坝址位于安和乡富湾村大石前组村口，地面海拔约175 m，根据坝址条件，拟采用土石坝建坝。下水库库盆南、北、西三面环山，库区开阔，库周边坡平顺，无垭口，下游坡降平缓，建库条件好。上、下水库天然落差达565 m，水平距离约2 700 m。此站点落差大，距高比小，是全市负荷中心附近地区稀有、罕见的优质抽水蓄能资源点。

梅岭抽水蓄能二期电站(以下简称二期油石电站)位于梅岭主峰正南方向油石乡梅岭村境内，上水库利用现县属仙人塘茶场(已荒废)成库，距离一期安和电站上水库约0.9 km。仙人塘溪流出口为主坝坝址，地面海拔约600 m，此段河道上游坡降平缓，下游坡降大，主坝宜采用折线线面板堆石坝。上水库西北处有1处垭口，地面海拔660 m，需筑副坝1处，东面环山，库盆封闭，无垭口；西南面、南面为4座海拔713.4、654.8、644.5、661.0 m高程不等的山峰相连，长约500 m，拟通过库周筑坝围合成库，建库条件可行。下水库利用现有的梅岭小(1)型水库加高培厚扩建而成。根据坝址地形和现有的土石坝结构，宜采用折线线面板土石坝。按保留原有水库功能不变的原则，正常蓄水位由现在的261.65 m提高至290.00 m，现场具备扩建条件。由于上、下水库天然落差约365 m，水平距离约900 m，距高比更小，其优势非常突出，也是一个较理想的抽水蓄能站点。

3.2 地质条件

工程区域属低山丘陵侵蚀地貌，地形起伏变化较大，总体地势中间高四周低，山体较雄厚，植被良好。区域内出露地层为寒武系中统变质岩和第四库系松散堆积土层，未发现滑坡及崩塌现象，稳定性较好；区域内无较大断裂和活动性断裂通过，自晚更新世以来地壳运动不强烈，历史上无较强地震，区域构造稳定。

区域地质整体评价：区域地质条件较好，坝址、库岸和库盆、输水系统及地下厂房地质条件均能满足项目建设要求。

3.3 地理位置

拟建的一期(安和)电站开关站位于其上、下水库中段，离赣州市主要负荷中心直线距离30～50 km，地理位置恰当，电力潮流流向合理，区位优势明显。二期(油石)电站开关站位于一期开关站西南侧3.3 km，距离短、投资少、管理方便。

3.4 水源条件

梅岭是上犹江一级支流龙华江、油石河的分水岭。一期(安和)电站所在的大石前溪流自西向东流入龙华江，流域全面积5.08 km2，上水库坝址控制面积0.261 km2，年径流量23万m3；下水库坝址控制面积4.13 km2，年径流总量370万m3。下水库坝址下游780 m为龙华江与大石前溪流的合河口，流域控制面积280 km2，多年平均径流总量达2.5亿m3，水量充沛。电站为日调节纯抽水蓄能电站，抽水发电过程基本不消耗水量，水体仅作蓄能载体循环使用。在电站运行后，如因蒸发和渗漏造成水量损失，并在遭遇流域内径流不足需补水时；或在电站首台机组调试期间，如在初期蓄水不到位，调节库容不足的情况下，均可在龙华江上引提水解决。因引水距离近，提水扬程低，补水方便，水源条件能够满足建站要求。

二期(油石)电站所在的油石河自西北向东南流入上犹江，流域全面积116 km2。上水库位于现梅岭水库正北仙人塘茶场，坝址控制面积0.8 km2，年径流量72万m3。下水库由现状梅岭小(1)型水库扩建而成，坝址控制面积24 km2，年径流总量2 151万m3，水库总库容保留原有的防洪、供水库容，水源条件有保障。

3.5 接入系统方式

拟建的梅岭抽水蓄能电站距离上犹220 kV变电站、赣州西500 kV变电站仅17 km和25 km，两站均有接入间隔，接入系统距离短，可节约输电线路建设投资。

3.6 淹没和移民

一期(安和)电站上水库建设涉及县管茶场1个，将淹没茶园和林木约300亩，淹没茶场住房作坊4栋，面积约800 m2，无移民；下水库建设将淹没果园约100亩和部分林木，直接淹没农房11栋(其中砖混结构5栋，土坯房结构6栋)，涉及农户15户，人口 72人(目前大部分人口已外迁，现仅有留守老人5人)。二期(油石)电站上水库涉及县属茶场1个(目前已荒废)及少量林木，将淹没茶场住房1栋，无移民；下水库扩建涉及油石乡梅岭村农户1人，将淹没住房和水库渔场住房各1栋，淹没县属小型水电站(450 kW)1座，整体征迁和移民工作量较小。

3.7 其他

项目区不涉及风景名胜区，不涉及生态保护区。区域内未发现有开采价值的矿产资源，无珍稀保护动植物，项目的建设对环境影响较小。

4 水利动能计算

4.1 水库水位—面积、容积关系

根据1∶10 000地形图和现场勘测，量测两站点上、下水库各水位所对应的面积，计算层段水体容积和水库总库容，并依其成果绘制水位—容积关系曲线表和曲线图，详见表1～表4，图2～图5。

表2 一期(安和)电站下水库水位—面积、容积关系曲线表

表3 二期(油石)电站上水库水位—面积、容积关系曲线表

图2 一期(安和)电站上水库水位—容积关系曲线

图3 一期(安和)电站下水库水位—容积关系曲线

图4 二期(油石)电站上水库水位—容积关系曲线

图5 二期(油石)电站下水库水位—容积关系曲线

4.2 水库特征水位拟定和水利动能参数计算

(1)上、下水库死水位。综合考虑水库调节库容、输水系统进水流条件、泥沙库容、水泵水轮机组工作水头允许变化幅度等因素，初拟一期(安和)电站上水库死水位为770 m，下水库死水位为195 m；初拟二期(油石)电站上水库死水位为670 m，下水库死水位为265 m。

(2)上、下水库正常蓄水位。在规划阶段，考虑地形地质条件允许的水位高程、水库淹没、系统调峰容量需求、水库调节库容、水泵水轮机组工作水头允许变化幅度及水库综合利用等因素，初步拟定一期(安和)电站、二期(油石)电站上水库正常蓄水位分别为805 m和670 m。根据水量平衡和能量转换，并应用已绘制的水库水位—库容曲线图，推算下水库正常蓄水位。其步骤为：

①根据拟定上水库正常蓄水位，查库容曲线得相应库容，减去死库容即得调节库容。

②将上水库工作深度(调节库容)分成若干层段，从正常蓄水位起逐层放水至下水库，按公式计算层段水体能量Ei。

Ei=ηgViHip/3 600

式中，Ei为第i层水体的发电量(蓄能量)(kW·h)；η为抽水蓄能电站综合效率，规划阶段取0.7～0.75；Vi为第i层水体体积(m3)；Hip为第i层水体平均水头(m)；g为重力加速度(m/s2)。

③随着上水库分层水体放入下水库，上水库水位下降，下水库水位上升。当上水库最后一层水体(至死水位止)放入下水库后其相应的水位即为下水库正常水位，其水量平衡和能量转换成果如表5所示。

由此可推算出：一期(安和)电站下水库正常蓄水位为222 m，其最大水头为610 m，最小水头为548 m，加权平均水头约580.4 m。上下水库水平距离约2 700 m，距高比L/H为4.65，上下水库工作深度分别为35 m和27 m。二期(油石)电站下水库正常蓄水位为290 m，最大水头为405 m，最小水头为340 m，加权平均水头约375.9 m。上、下水库水平距离约900 m，距高比L/H为2.39，上、下水库工作深度分别为40 m和25 m。

(3)蓄能机组工作水头变幅控制系数的初步复核。蓄能机组工作水头变幅控制系数k为最大扬程与最小水头比，如抽水、发电工况水头损失暂按5%计，则一期(安和)电站k值为1.23，二期(油石)电站k值为1.32，其k值均在临界曲线以下，满足水泵水轮机运行条件，不致于产生较大噪声、振动，不引起气蚀损伤。

4.3 电站装机容量拟定

按照能量守恒原理，通过上、下水库水量、电量平衡计算，完成水能和电能的转换。规划阶段，一般根据机组利用小时估算电站装机容量，按日满5 h加1 h备用发电考虑，并计及库容量求误差，预留5%～10%裕度，按下式计算电站装机容量：

N=∑Ei/σ·(T满发+T备用)

式中，∑Ei为一次循环蓄能量；T满发、T备用为一次循环满发小时数、备用容量满发小时数；σ为库容裕度系数，现取1.05。

根据能量转换成果已知：一期(安和)电站、二期(油石)电站一次循环蓄能量∑Ei分别为777、513万kW·h。经计算，电站装机容量为123.33万kW和81.81万kW。

5 工程规模和工程总体布局

5.1 工程规模及任务

根据水利动能成果，梅岭抽水蓄能电站总装机容量200万kW，其中一期(安和)电站装机容量120万kW、二期(油石)电站装机容量80万kW，工程规模均为大(1)型纯蓄能日调节抽水蓄能电站；电站分别安装4台30万kW和4台20单级立式混流可逆水泵水轮机—发电电动机机组；参照同类工程，项目估算总投资约100亿元。电站在电网中主要承担调峰、填谷和负荷备用、紧急事故备用兼顾调频、调相等功能，必要时兼负赣州电网周调节抽水蓄能功能。电站采用集中抽水、发电方式，在电力系统低谷时段以最大功率满负荷抽水，高峰时段满出力发电，可为赣州电网安全、经济、稳定、可靠运行提供强有力支撑和保障。