中小抽水蓄能电站厂房开发方式研究

贺元启

（浙江省新能源投资集团股份有限公司，浙江 杭州 310020）

0 引 言

抽水蓄能电站一般由上水库、引水系统、地下厂房、尾水系统、下水库等组成。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》[1]，中小型抽水蓄能电站是指发电装机容量小于300MW，其中装机容量小于50MW 为小型抽水蓄能电站。中小型抽水蓄能电站具有站点资源丰富、布局灵活、距离负荷中心近等优势，主要服务于周边地区电网，配套风、光等可再生能源调峰发电，是大型抽水蓄能电站的重要补充[2]。

截至2020 年底，我国已建中小型抽水蓄能电站装机容量850MW，总体规模不大。其中浙江溪口抽水蓄能电站装机80MW[3]和江苏沙河抽水蓄能电站装机100MW[4]。根据《浙江省抽水蓄能中长期发展规划》，浙江省规划4 座中小型抽蓄站点，总容量800MW。

在地形、地质条件许可的情况下，大型抽水蓄能电站通常优先采用地下式厂房[5-6]。大型地下厂房结构布置当前日趋成熟，并已形成标准设计，例如国家电网公司制定了《抽水蓄能电站工程通用设计地下厂房布置分册》[7]。中小型抽水蓄能电站地下洞室群施工条件复杂、技术难度高，开发经验欠缺，大部分项目沿用大型抽水蓄能电站地下室厂房技术，造成经济性差、工期长。

中小型抽水蓄能电站影响区域较小，选址布置灵活，接入系统便利；淹没损失较少，生态环境友好。但由于功能作用受限，单位投资较高，收益模式单一[5,8]。中小型抽水蓄能电站采用半地下厂房设计，可规避地下洞室群施工，简化施工，缩短建设周期。因此中小型抽水蓄能电站宜优先采用半地下厂房开发方式。

浙江省内主要河流上中游大多流经丘陵山区，河床坡度大，蕴藏着巨大的水力动能，特别广大山区河流具备水头高、输水道短、淹没损失少等优点。“十四五”期间，浙江实施风光倍增计划，预计省内新能源装机将达到4000 万千瓦，亟待增加电网调节资源，以应对新能源的不稳定性。此外，浙江外来受电规模不断扩大，为应对外来电的不确定性，也需要增加调节资源，提升系统调节能力。

本文结合浙江某县中小抽水蓄能电站选址规划，筛选适合半地下厂房开发方式的站点，开展设计方案论证。

1 中小抽水蓄能电站选址

1.1 选址主要影响因素

中小型抽水蓄能电站一般具有站点资源丰富、布局灵活、距离负荷中心近、与分布式能源结合紧密等优势，是抽水蓄能开发的重要补充[4,8,9]。需从以下方面筛选浙江某县适合建设中小型抽水蓄能电站的站址。

1)可再生能源调峰需求

考虑周边地区电网的调峰问题和电网安全问题。浙江县级区域内光伏、风电等可再生能源装机规模一般为50～300MW，所在区域内可再生能源调峰一般需求小于300MW[10]。

2)地理位置及地质条件

有合适的地形建造上、下水库，能避开具有重大工程地质风险，并且靠近负荷中心、枢纽变电站或大型抽水动力源。中型抽水蓄能机组，上、下水库高程差一般要求200～400m 之间，引水道水平长度与平均毛水头之比（即距高比）控制在10 以下。

3)环境影响

尽可能减少淹没损失，避开人口密集区域、耕地集中区、军事设施、风景名胜区、自然保护区、水源保护区、森林公园、地质公园等环境影响敏感区域，避开生态保护红线区域。

1.2 浙江省某县中小抽水蓄能电站站址分析

结合浙江省某县可再生能源规模、地理及地质条件以及环境影响等因素，在浙江某县内筛选出6 个中小型抽水蓄能电站站址，见表1 所示。

表1 浙江某县中小抽蓄潜在站址比较表

通过地形地质条件、水能参数、征迁及其他综合条件比选：1）Z 站址最大水头高于540m，水头偏高不利于机组选型； 2）Q 站址距高比大，引水系统投入大；3）G 站址水头低、距高比大，综合指标较差；4）J 站址指标尚可，但进一步调查涉及永久基本农田，有制约因素。5）Y 站址水头适中，各方面条件相对较好。推荐Y 站址作为该县优先开发的中型抽水蓄能电站站址。

2 Y 抽水蓄能电站总体开发方案

Y 抽水蓄能电站位于杭州市郊县，距杭州市区的直线距离约90km，电站接入系统便利，受、送电条件良好。电站建成后主要承担杭州地区电网的调峰、填谷、调频、调相和备用等任务。

Y 抽水蓄能电站设计为日调节式抽水蓄能电站，装机容量298MW。电站主要建筑物包括新建上下水库、引水系统和地下式厂房及附属建筑物等。

上水库利用沟谷筑坝形成水库，水库正常蓄水位548m，调节库容237 万m3。下水库于X 溪干流筑坝，水库正常蓄水位200m，调节库容234万m3。输水系统水平投影总长度2186m，电站平均毛水头347m，输水系统距高比（L/H）约为6.3，发电工况设计引用流量为102m3/s。地下厂房采用尾部半地下厂房竖井式结构，电站厂址位于下水库库址下游，升压站布置于地面厂房顶部。

下水库坝址有抵达坝址附近的现成公路，上水库需新建连接公路。上下水库库盆或周边均可布置施工场地，施工条件良好。工程建设征地影响涉及各类土地约1460 亩。建设征地影响不涉及移民，不对工程建设产生制约。Y 站址不涉及自然保护区、风景名胜区、饮用水水源保护区、森林公园、地质公园等环境敏感区及生态保护红线区。从环境保护角度分析，工程建设环境可行。工程建设不存在重大水土保持制约性因素。

3 Y 抽水蓄能电站枢纽布置

Y 抽水蓄能电站枢纽主要建筑物包括上水库、下水库、输水系统和半地下厂房，Y 抽水蓄能电站枢纽布置图1 所示。

图1 Y 抽水蓄能电站枢纽布置图

上水库拦河坝采用混凝土面板堆石坝。坝顶高程552m，坝高87m，坝长232m，坝顶宽度为8m。为满足调节库容的需求，在上游挖库库容约74 万m3。

下水库拦河坝亦采用混凝土面板堆石坝。坝顶高程205m，坝高48m，坝长113m，坝顶宽度为8m。为满足调节库容的需求，在上游右岸挖库库容约22 万m3。

输水系统位于上、下库之间的山体内，主要建筑物包括上水库进/出水口、引水上平洞、引水调压井、引水斜井、引水下平洞（压力管道）、引水岔管、引水钢支管、尾水隧洞、下水库进/出水口等。引水系统采用“一洞两机”型式，尾水系统采用“两机两洞”型式[11-13]。

厂房采用尾部半地下主厂房竖井式结构，主厂房位于下库库址下游，引水钢管垂直进厂，副厂房布置于主厂房下游侧，升压站布置主厂房顶部。

4 Y 抽水蓄能电站厂区布置

4.1 主副厂房结构布置

厂区建筑物主要由半地下主厂房（主机间、安装间）、副厂房、屋顶出线场、进厂公路、排水廊道等组成。如图2 所示，半地下主厂房的安装间地面高程为152.00m。下游副厂房紧邻主厂房下游侧（顺引水管道方向）布置，主变压器布置在下游副厂房户内地面层，屋顶布置出线场。厂房井外侧布置2 层环向排水廊道，在上层排水廊道内设置向上的排水孔幕，在上层、下层排水廊道之间布置竖向排水幕，以排泄围岩内入渗水。

图2 厂房横剖面图

主厂房由主机间、安装间组成，并排布置。主机间长和宽分别为89.20m 和23.50m。地面以下深度为43.0m，地面以上高度为21.50m，分2个机组段布置，每个机组段间设结构缝，主机间内共安装2 台单机容量为149MW 的可逆式水泵水轮机-发电电动机组，机组间距21.00m。主厂房内设1 台2×150t 双小车桥机，跨度20.5m，轨顶高程162.85m。

主机间共分五层，分别为发电机层、中间层、水轮机层、蜗壳层、尾水管层。发电机层高程为132.30m，布置励磁变、机组控制盘等；水轮机层高程为122.70m，主要布置进水阀油压装置、调速器、压水气罐等；蜗壳层高程为114.70m，布置球阀和技术供水设备；尾水管底板层高程为109.0m；1#、2#机组段设楼梯可贯通上下各层。

副厂房紧邻主厂房下游侧布置，长、宽和高分别为89.20m、16.50m 和47.40m，地下4 层，深度为25.90m，地上2 层，高度为21.50m，主变层与厂区地面同高，底层底板与发电机层同高。下游副厂房内设有2 部消防电梯和2 部封闭楼梯，用于下游副厂房内垂直交通。

副厂房最底层（地下第四层）为电气制动及辅助变压器室层，地面高程为127.45m；地下第三层为机组及换向开关设备室层，地面高程为132.30m；地下第二层为SFC 装置室层，地面高程为138.50m；地下第一层为10kV 开关柜室层，地面高程为144.70m。地面第一层与厂内安装间地面同高，高程为152.0m，主要布置主变压器等设备，各主变之间设防火墙分隔；地面第二层地面高程为161.0m，主要布置GIS 等电气设备；下游副厂房屋面高程为173.50m，布置开关站出线架等设备。

4.2 排水系统、开关站及其他附属结构

厂房排水系统设计遵循“高水自流、低水抽排、以排为主、堵排结合”的设计原则，环绕主厂房井周边设有2 层排水廊道，排水廊道采用3×3m 城门洞型。在上层排水廊道、上层、下层排水廊道之间均设置竖向排水孔幕，以排泄围岩内入渗水体。上层排水廊道设置与主机间发电机层机下游副厂房底层相连通的廊道，下层排水廊道设置与主机间尾水管层相连通的廊道。同时，下游侧排水廊道布置防渗灌浆帷幕与尾水隧洞的灌浆帷幕衔接。由于本工程机组安装高程较低，不具备设置全自流排水洞的地形条件，厂房排水采用抽排的形式。上层、下层排水廊道截流的入渗水体及厂房内的渗、漏水最终逐层汇至下层廊道，经下层排水廊道进入渗漏集水井（渗漏集水井设置于安装场下方），再采用水泵抽排的方式排至厂房下游河道内。

开关站设于副厂房屋顶，开关站尺寸89.2×16.5m。

根据本工程地质条件，初选半地下厂房基坑边墙采用系统锚杆和喷混凝土相结合的柔性支护型式。主要边墙支护以系统支护为主，随机支护为辅，并对局部稳定性差部位进行加强支护。

5 结论

采用半地下厂房（竖井）开发布置方式规避了常规地下洞室群，如主厂房洞、主变洞、交通洞、通风洞、安全洞、出线洞等，简化了枢纽布置，投资和施工工期均可以有明显降低或缩短。经测算，本案例Y 抽水蓄能电站工程静态总投资为184051 万元，单位静态投资为6176 元/kW，总工期36 个月，投资和工期均小于常规地下厂房布置方式的中小型抽水蓄能电站。

(1)半地下厂房需要关注以下几个关键技术问题：一是厂房防洪问题。区别于地下厂房，由于厂房布置至地面，需要考虑厂区特别是主副厂房防洪问题、度汛问题。二是厂房地质与基坑支护问题。厂房竖井为深基坑，厂房选址需要规避不利地质条件，同时基坑开挖需要一定支护以策安全。三是厂房开发方式对引水系统的影响问题。由于半地下厂房采用尾部开发方式，较地下厂房开发方式，厂房上游引水系统埋深往往较浅，意味着需要钢衬的引水隧洞长度会有增加，岔管布置也较为复杂。

(2)适合布置半地下（竖井）或地面厂房的站址主要有以下特征条件：一是下水库坝后有条件布置竖井或地面厂房，同时引水系统布置总体合理，投入并没有增加很多。二是吸出高度总体合适，机组安装高程与厂房地面高差不致过大。

(3)中小型抽水蓄能电站应本着因地制宜、经济实用原则开发。中小型抽水蓄能电站不同于大型抽水蓄能电站，应选择有利地形，优先采用半地下厂房（竖井）或地面厂房开发布置方式。