世界最大抽水蓄能電站投產(chǎn)發(fā)電“超級充電寶”賦能綠色冬奧

灤河之源，河北豐寧。

一個超級工程——豐寧抽水蓄能電站，巍然立于群山之間。

2021年12月30日，這個世界最大抽水蓄能電站首批機組投產(chǎn)發(fā)電。滔滔灤水上的璀璨明珠攜手張北塞上的無限風(fēng)光，服務(wù)北京冬奧會實現(xiàn)100%綠色電能供應(yīng)。

當(dāng)然，其意義不止于此。“它也是助力實現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)，推動能源轉(zhuǎn)型與綠色發(fā)展，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)取得的重要成果，對于優(yōu)化電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)、提高電力系統(tǒng)安全可靠，以及服務(wù)新發(fā)展格局、推進高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。”國家電網(wǎng)有限公司有關(guān)負(fù)責(zé)同志表示。

據(jù)介紹，豐寧電站創(chuàng)造了抽水蓄能電站四項“第一”、實現(xiàn)了三個“首次”，也因此被稱為“超級充電寶”。

那么，這個“超級充電寶”是如何建造的，有何與眾不同，實現(xiàn)了哪些技術(shù)突破，又將如何推動能源轉(zhuǎn)型，助力“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)？記者帶您一探究竟——

規(guī)模巨大：裝機容量、儲能能力、地下廠房、地下洞室群規(guī)模均居世界第一

海拔1500多米的山巔，120多米高的大壩聳立，圍水成庫。陽光之下，水面泛著粼粼波光，宛如一塊晶瑩剔透的寶石。

這就是豐寧抽水蓄能電站的上水庫。

不同于傳統(tǒng)水電站攔河筑壩、蓄水發(fā)電，抽水蓄能電站由上下兩個水庫組成。

除此之外，山體內(nèi)，還有多達190條功能各異的地下洞室群縱橫交錯；山腳下，攔沙壩、攔河壩梯次排開……如果用一個字來形容豐寧抽水蓄能電站，那就是——大！

據(jù)介紹，該電站創(chuàng)下抽水蓄能電站的四項“世界第一”：裝機容量世界第一、儲能能力世界第一、地下廠房規(guī)模世界第一、地下洞室群規(guī)模世界第一。

乘車順著兩個車道寬的交通洞行駛，震撼感撲面而來。“擁有地下洞室190條，總長度50.14千米。”中國電建(8.000, 0.11, 1.39%)集團北京勘測設(shè)計研究院豐寧項目部負(fù)責(zé)人告訴記者，這一地下洞室群規(guī)模居世界第一，“比繞北京三環(huán)路一圈還長2公里。”

地下廠房作為規(guī)模最大的地下洞室，尤其壯觀——長度414米，跨度25米，面積接近30個籃球場；高度54.5米，相當(dāng)于十七八層樓。作為抽水蓄能電站中規(guī)模最大的地下廠房，這里幾乎可同時停放11架波音737客機。

不同于戶外的天寒地凍，地下廠房內(nèi)一片熱火朝天的景象——12臺機組“一字”排列，除了1、10號機組外，其他機組正在有序安裝。

“這是12臺30萬千瓦單級可逆式水泵水輪發(fā)電電動機組，總裝機360萬千瓦，為世界抽水蓄能電站之最。”中國電建所屬中國水利水電第七工程局有限公司豐寧機電安裝標(biāo)項目負(fù)責(zé)人彭兵介紹說。此次，1號和10號機組首先投產(chǎn)，可提供60萬千瓦出力，能顯著增強華北電網(wǎng)的新能源消納、系統(tǒng)調(diào)節(jié)、電力保供能力，為北京冬奧會提供安全可靠的綠色動力(10.100, 0.04, 0.40%)。待12臺機組全部投運后，滿發(fā)利用小時數(shù)達10.8小時，緊急情況下最大可提供相當(dāng)于三分之一個三峽水電站的調(diào)節(jié)出力。

這一項項“世界第一”的背后，是空前的施工難度和持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新。

據(jù)了解，豐寧電站地處燕山山脈向內(nèi)蒙古高原過渡地帶，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，極易出現(xiàn)巖體變形和塌方，施工難度很大。面對如此大規(guī)模的地下洞室、地下廠房，如何攻克穩(wěn)定控制難題？

工程建設(shè)人員給出的答案是“兩超前一轉(zhuǎn)換”。即，超前錨桿，把不穩(wěn)定的巖石固定住，確保圍巖在爆破后不發(fā)生松弛坍塌；超前地質(zhì)預(yù)報，在開挖過程中，利用地質(zhì)雷達預(yù)判圍巖和地層情況；開挖支護工序轉(zhuǎn)換，循環(huán)進行爆破支護等工序，每一道工序都由專人監(jiān)督檢查，確保執(zhí)行到位。

“這種‘兩超前一轉(zhuǎn)換’的技術(shù)手段，最大限度地保障了地下作業(yè)安全，為洞室順利開挖和圍巖穩(wěn)定奠定了基礎(chǔ)。”國網(wǎng)新源河北豐寧抽水蓄能有限公司工程部副主任賈濤表示。

在建設(shè)過程中，巖層上固定巖錨梁被稱為“巖上雕花”，工程難度大，風(fēng)險高。據(jù)水電七局豐寧項目有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，他們專門成立“巖錨梁開挖及混凝土QC小組”，經(jīng)反復(fù)分析計算，首次采用玻璃纖維錨桿加固軟弱巖體，在斜臺雙向光爆中嘗試PVC管代替?zhèn)鹘y(tǒng)竹片的間隔裝藥方式等，順利實現(xiàn)了巖臺開挖點、線、面滿足規(guī)范要求，同時達到了巖錨梁錨桿無損監(jiān)測100%合格。

300米級長斜井定向反井鉆施工技術(shù)、上壩料快速檢測、數(shù)字化灌漿監(jiān)測……

八年耕耘不輟，八年披星戴月。一系列關(guān)鍵技術(shù)被攻克。而這也是我國首次系統(tǒng)性攻克了復(fù)雜地質(zhì)條件下超大型地下洞室群建造關(guān)鍵技術(shù)，為今后抽水蓄能電站大規(guī)模開發(fā)建設(shè)提供了技術(shù)保障和工程示范。

運行靈活：“充電”“放電”自如，時刻保持備用，滿足電網(wǎng)多元化調(diào)節(jié)需求

通常情況下，抽水蓄能電站包括上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房和地面開關(guān)站等部分。上水庫和下水庫存在一定落差，由輸水系統(tǒng)等連接。

其工作原理是：在用電低谷時段，利用電能將下水庫的水抽到上水庫存儲下來，這就相當(dāng)于是對“充電寶”進行“充電”。此時，蓄能電站是電能用戶端。

有“充電”，必然要“放電”。在用電高峰時段，上水庫開閘放水，水通過內(nèi)部管道直沖而下流入下水庫，其重力勢能轉(zhuǎn)化為電能。這就是“充電寶”放電的過程，此時的蓄能電站則是一個發(fā)電廠。

因其調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相和事故備用等功能，抽水蓄能電站被喻為電網(wǎng)安全運行中的“穩(wěn)定器”“調(diào)節(jié)器”“平衡器”，也常常被視為保障電網(wǎng)安全的“最后一根火柴”。

抽水蓄能電站的儲能能力，與上下水庫庫容等息息相關(guān)。

豐寧抽水蓄能電站庫容巨大。記者了解到，其中，上水庫庫容超過4800萬立方米，下水庫庫容則有近6000萬立方米，上下水庫落差超過400米。據(jù)介紹，該電站一次蓄滿可儲存電量近4000萬千瓦時，相當(dāng)于張北柔直電網(wǎng)接入的風(fēng)電、光伏發(fā)電機組3天的發(fā)電量。

“這是華北地區(qū)唯一具有周調(diào)節(jié)性能的抽水蓄能電站。”中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院豐寧項目部負(fù)責(zé)人介紹。

什么是周調(diào)節(jié)性能？“一般的抽水蓄能電站受空間限制，上水庫庫容不夠大，只具備日調(diào)節(jié)功能，即當(dāng)天完成抽水蓄能和放水發(fā)電。而豐寧抽水蓄能電站得益于山頂天然具備的盆狀結(jié)構(gòu)，上水庫庫容巨大，蓄滿水后就可以在一周之內(nèi)平衡發(fā)電。”該負(fù)責(zé)人解釋說，相對日調(diào)節(jié)而言，機組可時刻保持備用，這就可以滿足電網(wǎng)的多元化調(diào)節(jié)需求。

與此同時，豐寧電站還有一大亮點——其二期工程采用2臺交流勵磁變速機組。

這是首次在國內(nèi)采用大型變速抽水蓄能機組技術(shù)。

在我國，通常使用的抽水蓄能機組是恒速恒頻的，也就是說其水泵工況的功率是恒定的、不可調(diào)節(jié)的。而變速機組可實現(xiàn)水泵功率的有效調(diào)節(jié)，使得運行效率更高、穩(wěn)定性更優(yōu)。

“這就好比電風(fēng)扇，若風(fēng)速不可調(diào)節(jié)，就無法滿足人們變化的納涼需求。但變速機組轉(zhuǎn)速可變，可在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)整輸入功率，更能適應(yīng)電網(wǎng)需求。”有關(guān)專家表示。

服務(wù)“雙碳”：年發(fā)電量可滿足260萬戶家庭一年的用電，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤48.08萬噸

站在豐寧電站營地向東望去，鐵塔矗立、銀線交織——這是通往阜康換流站的500千伏線路。

這條50多公里長的線路將兩個世界級的工程連了起來。

阜康換流站是張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)試驗示范工程的四個換流站之一。去年10月，豐寧電站接入阜康換流站，在世界上首次實現(xiàn)抽水蓄能電站接入柔直電網(wǎng)，抽水蓄能與柔性直流“手牽手”，共同讓“張北的風(fēng)點亮北京的燈”，服務(wù)北京冬奧會實現(xiàn)100%綠色電能可靠供應(yīng)。

據(jù)介紹，張北柔直電網(wǎng)將張北新能源基地與北京負(fù)荷中心相連，將隨機、波動的風(fēng)光資源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能送往京津冀地區(qū)，可點亮冬奧賽場和北京市的千家萬戶。而保障綠電供應(yīng)可靠性的就是豐寧電站。當(dāng)風(fēng)、光發(fā)電量大用不完時，豐寧電站抽水、蓄能；當(dāng)風(fēng)、光“熄火”發(fā)電量不足時，豐寧電站則放水發(fā)電。

據(jù)國網(wǎng)新源河北豐寧抽水蓄能有限公司有關(guān)負(fù)責(zé)同志介紹，試運行期間，豐寧抽水蓄能電站多次接到在凌晨2時至6時抽水的調(diào)度指令，助力消納夜間大發(fā)的風(fēng)電資源。

“豐寧電站發(fā)揮負(fù)荷調(diào)節(jié)和區(qū)域穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制作用，有效實現(xiàn)新能源多點匯集、風(fēng)光儲多能互補、時空互補、源網(wǎng)荷協(xié)同，支撐具有網(wǎng)絡(luò)特性的直流電網(wǎng)高可靠高效率運行，開創(chuàng)了抽水蓄能發(fā)展史上的‘先河’，為破解新能源大規(guī)模開發(fā)利用難題提供了寶貴的‘中國方案’。”國家電網(wǎng)有關(guān)負(fù)責(zé)同志表示。

數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)豐寧電站12臺機組全部投運后，每年可消納新能源電量87億千瓦時，年發(fā)電量66.12億千瓦時，可滿足260萬戶家庭一年的用電，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤48.08萬噸，可減少碳排放120萬噸，相當(dāng)于造林24萬余畝。

業(yè)內(nèi)人士介紹，抽水蓄能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟性最優(yōu)、最具大規(guī)模開發(fā)條件的電力系統(tǒng)綠色低碳清潔靈活調(diào)節(jié)電源，與風(fēng)電、光電、核電、火電等配合效果較好。

我國抽水蓄能發(fā)展始于20世紀(jì)60年代后期。隨著我國經(jīng)濟社會快速發(fā)展，抽水蓄能發(fā)展加快，項目數(shù)量大幅增加，分布區(qū)域不斷擴展，電站設(shè)計、施工、機組設(shè)備制造與電站運行水平不斷提升，已形成較為完備的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運行管理體系。

當(dāng)前，正處于能源綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵時期，風(fēng)、光等新能源大規(guī)模高比例發(fā)展，新型電力系統(tǒng)對調(diào)節(jié)電源的需求更加迫切。抽水蓄能電站是當(dāng)前及未來一段時期滿足電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求的關(guān)鍵方式，對保障電力系統(tǒng)安全、促進新能源大規(guī)模發(fā)展和消納利用具有重要作用。

截至“十三五”末，我國共有在建在運抽水蓄能電站69座，總裝機規(guī)模8242萬千瓦。進入“十四五”，《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》出臺，要求進一步加快抽水蓄能發(fā)展，助力實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標(biāo)。抽水蓄能將迎來更為廣闊的發(fā)展前景。