楊 揚，馬 勇，孫方劍，賈 函

(中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

抽水蓄能電站具有調(diào)峰、調(diào)頻、儲能、調(diào)壓、系統(tǒng)備用和黑啟動等多種功能，是電力系統(tǒng)的優(yōu)秀調(diào)節(jié)電源。目前煤炭和天然氣供應(yīng)緊張，且處于價格高位狀態(tài)，大規(guī)模新能源的并網(wǎng)，快速消耗電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能，為滿足電網(wǎng)日益增長的調(diào)節(jié)性能需求，大量抽水蓄能電站被規(guī)劃建設(shè)。

額定水頭是抽水蓄能電站的重要特征參數(shù)，額定水頭的選擇直接關(guān)系到電站的經(jīng)濟性和運行的穩(wěn)定性，需綜合考慮電力系統(tǒng)需求和機組穩(wěn)定性等因素。電站額定水頭降低有利于更大程度發(fā)揮抽水蓄能電站的容量效益，但過低的額定水頭將加大機組過流量，偏離水輪機最優(yōu)工況區(qū)較遠(yuǎn)，低水頭、部分負(fù)荷運行時效率較低，且部分抽水蓄能電站在低水頭運行時出現(xiàn)無法并網(wǎng)的現(xiàn)象，高水頭部分負(fù)荷運行時易出現(xiàn)葉道渦，低水頭工況易出現(xiàn)壓力脈動及空載不穩(wěn)定等現(xiàn)象。因此，選擇較高的額定水頭有利于提高水泵水輪機的效率和運行穩(wěn)定性。根據(jù)NB/T 10072—2018《抽水蓄能電站水能規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》，額定水頭的選擇，應(yīng)研究電力系統(tǒng)要求和機組運行特性，擬定比較方案，分析各方案的效益與費用，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟綜合比選。根據(jù)國內(nèi)、外經(jīng)驗，從水力機械專業(yè)角度考慮，對于水頭變幅較大的抽水蓄能電站，額定水頭不宜小于算術(shù)平均水頭；對于水頭變幅較小電站，額定水頭可略低于加權(quán)平均水頭或算術(shù)平均水頭。

對湖北電力系統(tǒng)負(fù)荷特性進(jìn)行分析，湖北電網(wǎng)年內(nèi)負(fù)荷表現(xiàn)為夏季大、冬季較大、春秋小，年負(fù)荷曲線呈“W”形，年最大負(fù)荷一般出現(xiàn)在7～8月份。受高溫天氣影響，空調(diào)負(fù)荷對湖北電網(wǎng)影響較大，2030年湖北省夏季日負(fù)荷曲線基本呈現(xiàn)雙峰型，最高負(fù)荷出現(xiàn)在晚間燈峰時間22∶00左右，次高峰出現(xiàn)在下午14∶00～15∶00。2030年全省光伏裝機容量將達(dá)到3700萬kW，隨著光伏大規(guī)模的接入，根據(jù)湖北光伏電站出力特性，午高峰時抽水蓄能電站將以水泵工況工作，晚高峰抽水蓄能電站將發(fā)揮調(diào)峰作用，以水輪機工況工作。對湖北省連續(xù)滿發(fā)小時數(shù)為6h的新建上下庫的抽水蓄能電站進(jìn)行統(tǒng)計，在選擇算術(shù)平均水頭為電站額定水頭一般可滿足3.0h左右不受阻，在電力系統(tǒng)中已經(jīng)可以較好的發(fā)揮容量效益。

區(qū)別于常規(guī)新建上、下水庫的抽水蓄能電站調(diào)節(jié)周期與上水庫、下水庫調(diào)節(jié)周期一致，利用綜合利用水庫建設(shè)抽水蓄能電站，在滿足抽水蓄能電站所需調(diào)節(jié)庫容的同時，往往不改變其原有調(diào)節(jié)性能，即綜合利用水庫的調(diào)節(jié)周期和新建抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)周期不一致。對于具備季調(diào)節(jié)以上性能的綜合利用水庫，其水位往往日內(nèi)、周內(nèi)變幅較小，但整個調(diào)節(jié)周期變幅較大，在利用其進(jìn)行抽水蓄能電站建設(shè)的情況下，若額定水頭的選擇不分析已建綜合利用水庫運行特性，選擇算術(shù)平均水頭作為電站額定水頭，在下水庫處于高水位時，電站的容量效益可能受到較大影響。

以湖北宜都抽水蓄能電站為例，在考慮機組穩(wěn)定性運行的前提下，進(jìn)行蓄能量計算，分析不同額定水頭在下水庫(已建熊渡水庫)不同運行水位保證率情況下的受阻時長和有效容量，從技術(shù)選擇的角度出發(fā)，選擇宜都抽水蓄能電站額定水頭為464m，分析成果可供相關(guān)研究、設(shè)計參考。

1 概況

宜都抽水蓄能站址位于湖北省宜都市潘家灣土家族鄉(xiāng)境內(nèi)。電站上水庫位于潘家灣鄉(xiāng)梁山村楊家灣一不規(guī)則橢圓形溶蝕洼地，集水面積約2.29km2；下水庫利用已建熊渡水庫，熊渡水庫位于湖北省宜都市聶家河鎮(zhèn)境內(nèi)、長江二級支流漁洋河中下游，系漁洋河流域梯級開發(fā)的龍頭水庫，具有發(fā)電、灌溉為主，兼有防洪等綜合效益。

宜都抽水蓄能電站距離宜昌市直線距離約為50km，距朝陽500kV變電站直線距離約為28km，接入系統(tǒng)較便利，交通較方便。電站供電范圍為湖北電網(wǎng)，工程開發(fā)任務(wù)是承擔(dān)湖北電力系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、儲能、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用任務(wù)，電站裝機容量120萬kW，裝機4臺，單機容量30萬kW，連續(xù)滿發(fā)小時數(shù)按9h設(shè)計。電站上水庫正常蓄水位625.00m，死水位600.00m，調(diào)節(jié)庫容1064萬m3。下水庫正常蓄水位144.567m，死水位125.067m，調(diào)節(jié)庫容6110萬m3。電站最大水頭500.05m，最小水頭444.08m。抽水最大揚程與發(fā)電最小水頭的比值1.14，水位變幅相對較小。

2 電站受阻分析及額定水頭選擇

2.1 下水庫(熊渡水庫)運行特性

熊渡水庫于1995年完成大壩竣工驗收，分析1995—2019年實際運行資料，如圖1所示，熊渡水庫日內(nèi)水位變幅較小，月尺度水位變幅較大，呈現(xiàn)明顯的年調(diào)節(jié)特性，水庫年內(nèi)在正常蓄水位144.567m和死水位125.067m之間變動，年內(nèi)變幅為19.5m，水庫多年平均水位為136.68m，相應(yīng)頻率為42.2%。抽水蓄能電站建成后，隨著發(fā)電/抽水運行，日內(nèi)水位在原運行水位基礎(chǔ)上將有小幅升降相應(yīng)變化。當(dāng)下水庫在死水位附近運行時，引起日內(nèi)水位變化約4.49m，水庫水位在125.01～129.56m左右變動，下水庫在正常蓄水位附近運行時，抽發(fā)引起日內(nèi)水位變化約2.59m，水位在141.98～144.57m變動。

圖1 熊渡水庫庫水位頻率圖(1995—2019年)

2.2 受阻分析

宜都抽水蓄能額定水頭選擇影響因素主要包括電力系統(tǒng)的需求、機組穩(wěn)定性和運行效率。

(1)宜都抽水蓄能電站抽水最大揚程與發(fā)電最小水頭的比值1.14，水位變幅相對較小?？紤]下水庫(已建熊渡水庫)具有年調(diào)節(jié)性能，年內(nèi)水位變幅較大，日內(nèi)及周內(nèi)水位變幅較小，因此參考相關(guān)規(guī)范和設(shè)計，宜都抽水蓄能電站額定水頭不宜低于加權(quán)平均水頭，可略低于算術(shù)平均水頭。

(2)從滿足電力需求的角度分析，選擇較低的額定水頭有利于抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中的效益發(fā)揮。宜都抽水蓄能電站的主要任務(wù)為調(diào)峰、填谷，因此在兼顧機組穩(wěn)定運行的同時，增加電站的不受阻時長是有必要的。

(3)額定水頭選擇分析

本文選擇兩個額定水頭方案進(jìn)行蓄能量計算，分析宜都抽水蓄能電站不同額定水頭對應(yīng)不同運行水位保證率情況下的受阻時長和有效容量。

方案1：額定水頭取算術(shù)平均水頭472m。

方案2：額定水頭取加權(quán)平均水頭464m。

宜都抽水蓄能電站抽水最大揚程與發(fā)電最小水頭的比值1.14，水位變幅相對較小，兩個額定水頭方案機組均能安全穩(wěn)定運行。

根據(jù)蓄能量計算結(jié)果見表1，如圖2—3所示，方案1不同保證率不受阻時長為0～5.4h，連續(xù)發(fā)電3.0h有效容量為116.7萬kW～120.0萬kW，方案2不同保證率不受阻時長為3.0～8.1h，連續(xù)發(fā)電3.0h有效容量均為120.0萬kW。額定水頭472m方案不受阻時長較短，464m方案不受阻時長較長。

圖3 方案2蓄能量計算

2.3 額定水頭選擇

下水庫(熊渡水庫)為年調(diào)節(jié)水庫，水庫日內(nèi)水位變幅較小，但月尺度、年尺度水位變幅較大，宜都抽水蓄能電站為周調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，電站調(diào)節(jié)周期與下水庫不同，下水庫不同運行水位下抽水蓄能電站受阻情況也不相同，因此宜都抽水蓄能電站額定水頭選擇需在下水庫(熊渡水庫)運行特性的基礎(chǔ)上選擇，考慮宜都抽水蓄能電站兩個額定水頭方案均能滿足機組穩(wěn)定運行需求，從抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中能夠充分發(fā)揮容量效益的角度分析，額定水頭464m方案更優(yōu)，因此推薦宜都抽水蓄能電站選擇額定水頭464m為推薦方案。

3 結(jié)語

(1)利用已建綜合利用水庫建設(shè)抽水蓄能電站有利于降低投資和縮短工期，但考慮綜合利用水庫的調(diào)節(jié)周期和新建抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)周期不一致的情況下，電站額定水頭的選擇需分析其運行特性，簡單選擇算術(shù)平均水位為額定水頭不能夠充分發(fā)揮電站的容量效益。

(2)本文以宜都抽水蓄能電站為例，提出了分析下水庫(熊渡水庫)運行特性，在滿足機組穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，初擬額定水頭464m和472m兩個方案進(jìn)行蓄能量計算，額定水頭464m方案能更大程度的滿足電力系統(tǒng)需求，因此本文從技術(shù)比較方面初選電站額定水頭為464m，后續(xù)應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟比較最終選定電站額定水頭。