世界最大抽水蓄能電站投產(chǎn)發(fā)電“超級(jí)充電寶”賦能綠色冬奧

灤河之源，河北豐寧。

一個(gè)超級(jí)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(gè)世界最大抽水蓄能電站首批機(jī)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(wú)限風(fēng)光，服務(wù)北京冬奧會(huì)實(shí)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(shí)現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)，推動(dòng)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(duì)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(jìn)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。”國(guó)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(xiàng)“第一”、實(shí)現(xiàn)了三個(gè)“首次”，也因此被稱(chēng)為“超級(jí)充電寶”。

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

規(guī)模巨大：裝機(jī)容量、儲(chǔ)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(kù)。陽(yáng)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(kù)。

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(gè)水庫(kù)組成。

除此之外，山體內(nèi)，還有多達(dá)190條功能各異的地下洞室群縱橫交錯(cuò)；山腳下，攔沙壩、攔河壩梯次排開(kāi)……如果用一個(gè)字來(lái)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(xiàng)“世界第一”：裝機(jī)容量世界第一、儲(chǔ)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(chē)順著兩個(gè)車(chē)道寬的交通洞行駛，震撼感撲面而來(lái)。“擁有地下洞室190條，總長(zhǎng)度50.14千米。”中國(guó)電建(8.000, 0.11, 1.39%)集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院豐寧項(xiàng)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(zhǎng)2公里。”

地下廠房作為規(guī)模最大的地下洞室，尤其壯觀——長(zhǎng)度414米，跨度25米，面積接近30個(gè)籃球場(chǎng)；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(shí)停放11架波音737客機(jī)。

不同于戶(hù)外的天寒地凍，地下廠房?jī)?nèi)一片熱火朝天的景象——12臺(tái)機(jī)組“一字”排列，除了1、10號(hào)機(jī)組外，其他機(jī)組正在有序安裝。

“這是12臺(tái)30萬(wàn)千瓦單級(jí)可逆式水泵水輪發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，總裝機(jī)360萬(wàn)千瓦，為世界抽水蓄能電站之最。”中國(guó)電建所屬中國(guó)水利水電第七工程局有限公司豐寧機(jī)電安裝標(biāo)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人彭兵介紹說(shuō)。此次，1號(hào)和10號(hào)機(jī)組首先投產(chǎn)，可提供60萬(wàn)千瓦出力，能顯著增強(qiáng)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(huì)提供安全可靠的綠色動(dòng)力(10.100, 0.04, 0.40%)。待12臺(tái)機(jī)組全部投運(yùn)后，滿(mǎn)發(fā)利用小時(shí)數(shù)達(dá)10.8小時(shí)，緊急情況下最大可提供相當(dāng)于三分之一個(gè)三峽水電站的調(diào)節(jié)出力。

這一項(xiàng)項(xiàng)“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(guò)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(duì)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(bào)，在開(kāi)挖過(guò)程中，利用地質(zhì)雷達(dá)預(yù)判圍巖和地層情況；開(kāi)挖支護(hù)工序轉(zhuǎn)換，循環(huán)進(jìn)行爆破支護(hù)等工序，每一道工序都由專(zhuān)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(kāi)挖和圍巖穩(wěn)定奠定了基礎(chǔ)。”國(guó)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(guò)程中，巖層上固定巖錨梁被稱(chēng)為“巖上雕花”，工程難度大，風(fēng)險(xiǎn)高。據(jù)水電七局豐寧項(xiàng)目有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，他們專(zhuān)門(mén)成立“巖錨梁開(kāi)挖及混凝土QC小組”，經(jīng)反復(fù)分析計(jì)算，首次采用玻璃纖維錨桿加固軟弱巖體，在斜臺(tái)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(shí)現(xiàn)了巖臺(tái)開(kāi)挖點(diǎn)、線(xiàn)、面滿(mǎn)足規(guī)范要求，同時(shí)達(dá)到了巖錨梁錨桿無(wú)損監(jiān)測(cè)100%合格。

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

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(guó)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(kāi)發(fā)建設(shè)提供了技術(shù)保障和工程示范。

運(yùn)行靈活：“充電”“放電”自如，時(shí)刻保持備用，滿(mǎn)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(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房和地面開(kāi)關(guān)站等部分。上水庫(kù)和下水庫(kù)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(shí)段，利用電能將下水庫(kù)的水抽到上水庫(kù)存儲(chǔ)下來(lái)，這就相當(dāng)于是對(duì)“充電寶”進(jìn)行“充電”。此時(shí)，蓄能電站是電能用戶(hù)端。

有“充電”，必然要“放電”。在用電高峰時(shí)段，上水庫(kù)開(kāi)閘放水，水通過(guò)內(nèi)部管道直沖而下流入下水庫(kù)，其重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。這就是“充電寶”放電的過(guò)程，此時(shí)的蓄能電站則是一個(gè)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(yùn)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(chǔ)能能力，與上下水庫(kù)庫(kù)容等息息相關(guān)。

豐寧抽水蓄能電站庫(kù)容巨大。記者了解到，其中，上水庫(kù)庫(kù)容超過(guò)4800萬(wàn)立方米，下水庫(kù)庫(kù)容則有近6000萬(wàn)立方米，上下水庫(kù)落差超過(guò)400米。據(jù)介紹，該電站一次蓄滿(mǎn)可儲(chǔ)存電量近4000萬(wàn)千瓦時(shí)，相當(dāng)于張北柔直電網(wǎng)接入的風(fēng)電、光伏發(fā)電機(jī)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(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院豐寧項(xiàng)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(kù)庫(kù)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(kù)庫(kù)容巨大，蓄滿(mǎn)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(shuō)，相對(duì)日調(diào)節(jié)而言，機(jī)組可時(shí)刻保持備用，這就可以滿(mǎn)足電網(wǎng)的多元化調(diào)節(jié)需求。

與此同時(shí)，豐寧電站還有一大亮點(diǎn)——其二期工程采用2臺(tái)交流勵(lì)磁變速機(jī)組。

這是首次在國(guó)內(nèi)采用大型變速抽水蓄能機(jī)組技術(shù)。

在我國(guó)，通常使用的抽水蓄能機(jī)組是恒速恒頻的，也就是說(shuō)其水泵工況的功率是恒定的、不可調(diào)節(jié)的。而變速機(jī)組可實(shí)現(xiàn)水泵功率的有效調(diào)節(jié)，使得運(yùn)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(wú)法滿(mǎn)足人們變化的納涼需求。但變速機(jī)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(zhuān)家表示。

服務(wù)“雙碳”：年發(fā)電量可滿(mǎn)足260萬(wàn)戶(hù)家庭一年的用電，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤48.08萬(wàn)噸

站在豐寧電站營(yíng)地向東望去，鐵塔矗立、銀線(xiàn)交織——這是通往阜康換流站的500千伏線(xiàn)路。

這條50多公里長(zhǎng)的線(xiàn)路將兩個(gè)世界級(jí)的工程連了起來(lái)。

阜康換流站是張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程的四個(gè)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(shí)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(diǎn)亮北京的燈”，服務(wù)北京冬奧會(huì)實(shí)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(jī)、波動(dòng)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(diǎn)亮冬奧賽場(chǎng)和北京市的千家萬(wàn)戶(hù)。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(shí)，豐寧電站抽水、蓄能；當(dāng)風(fēng)、光“熄火”發(fā)電量不足時(shí)，豐寧電站則放水發(fā)電。

據(jù)國(guó)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(yùn)行期間，豐寧抽水蓄能電站多次接到在凌晨2時(shí)至6時(shí)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(shí)現(xiàn)新能源多點(diǎn)匯集、風(fēng)光儲(chǔ)多能互補(bǔ)、時(shí)空互補(bǔ)、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(yùn)行，開(kāi)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(kāi)發(fā)利用難題提供了寶貴的‘中國(guó)方案’。”國(guó)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(tái)機(jī)組全部投運(yùn)后，每年可消納新能源電量87億千瓦時(shí)，年發(fā)電量66.12億千瓦時(shí)，可滿(mǎn)足260萬(wàn)戶(hù)家庭一年的用電，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤48.08萬(wàn)噸，可減少碳排放120萬(wàn)噸，相當(dāng)于造林24萬(wàn)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(jì)性最優(yōu)、最具大規(guī)模開(kāi)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(guó)抽水蓄能發(fā)展始于20世紀(jì)60年代后期。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，抽水蓄能發(fā)展加快，項(xiàng)目數(shù)量大幅增加，分布區(qū)域不斷擴(kuò)展，電站設(shè)計(jì)、施工、機(jī)組設(shè)備制造與電站運(yùn)行水平不斷提升，已形成較為完備的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)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(shí)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(duì)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(lái)一段時(shí)期滿(mǎn)足電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求的關(guān)鍵方式，對(duì)保障電力系統(tǒng)安全、促進(jìn)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(guó)共有在建在運(yùn)抽水蓄能電站69座，總裝機(jī)規(guī)模8242萬(wàn)千瓦。進(jìn)入“十四五”，《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》出臺(tái)，要求進(jìn)一步加快抽水蓄能發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。抽水蓄能將迎來(lái)更為廣闊的發(fā)展前景。