陳秀端

(贛州市安水工程咨詢有限公司，江西 贛州 341200 )

1 問題的提出

江西省贛州市中西部地區(qū)是全市電力負(fù)荷中心。目前，贛州市可儲存的調(diào)節(jié)電源嚴(yán)重缺乏，加大蓄能調(diào)節(jié)電源建設(shè)力度，優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，已是當(dāng)務(wù)之急。為加快贛州市抽水蓄能電站建設(shè)，保障贛州電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行，促進(jìn)可再生新能源大規(guī)模發(fā)展和消納利用，根據(jù)國家能源局《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃》(2021—2035 年)和贛州市政府《關(guān)于支持贛州市電力高質(zhì)量發(fā)展的若干意見》的精神，結(jié)合處于贛州市中西部地區(qū)的上猶縣梅嶺地區(qū)抽水蓄能資源實(shí)際，滾動納入國家中長期發(fā)展規(guī)劃，應(yīng)加快項(xiàng)目前期工作，促進(jìn)贛州中西部可儲存調(diào)節(jié)電源基地建設(shè)。

2 基本情況

2.1 贛州市概況

贛州市位于江西省南部贛江上游，處于東南沿海地區(qū)向中部內(nèi)地延伸的過渡地帶，是內(nèi)地通向東南沿海的重要通道。全市國土面積3.94萬km2，約占全省總面積的1/4，下轄18個(gè)縣(市、區(qū))，人口近1 000萬人，是江西省面積最大、人口最多的地級市。

2.2 贛州市用電負(fù)荷及調(diào)峰電力需求趨勢

近年來，贛州市經(jīng)濟(jì)強(qiáng)力拉動，帶動電力需求增加，電網(wǎng)最大負(fù)荷持續(xù)增長，負(fù)荷峰谷差擴(kuò)大。2022年全市用電最大負(fù)荷達(dá)437.7萬kW，負(fù)荷峰谷差達(dá)200萬kW左右。因網(wǎng)內(nèi)暫無蓄能電源，現(xiàn)階段除調(diào)節(jié)性能較好的上猶江水電站等水電參與調(diào)峰外，只能犧牲運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和靈活性，利用火電機(jī)組調(diào)峰，以滿足電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的需要。

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，鄉(xiāng)村振興的全面推進(jìn)，電力需求將進(jìn)一步增加。據(jù)權(quán)威機(jī)關(guān)預(yù)測，2025年全市最大負(fù)荷將突破700萬kW，估計(jì)未來10年全市最大負(fù)荷將達(dá)1 000萬kW左右。屆時(shí)電力負(fù)荷峰谷差勢必進(jìn)一步加大，如計(jì)及系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用(負(fù)荷備用和事故熱備用)，2025年、2030年系統(tǒng)調(diào)峰電力容量需求將分別擴(kuò)大到400萬kW和600萬kW左右，電力嚴(yán)重緊缺程度將加劇，電網(wǎng)調(diào)峰將更加困難。與此同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型及“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)任務(wù)，風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源大規(guī)模高比例投入電網(wǎng)的趨勢仍然將會進(jìn)一步擴(kuò)大。2022年贛州市全市風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電裝機(jī)已突破400萬kW大關(guān)。據(jù)新能源建設(shè)規(guī)劃，2025年全市新能源發(fā)電裝機(jī)將達(dá)700萬kW，年發(fā)電量將突破100億kW·h。2030年全市新能源發(fā)電裝機(jī)將達(dá)1 000萬kW，年發(fā)電量約140億kW·h。無疑，新能源投入電網(wǎng)運(yùn)行將加重電網(wǎng)電力電量平衡壓力。此外，隨著用電質(zhì)量的提高，電網(wǎng)除調(diào)峰、填谷外，對電網(wǎng)電源在電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)相、負(fù)荷和事故備用等方面也提出了更加嚴(yán)格的要求。

2.3 必要性分析

目前，贛州市燃煤火電在網(wǎng)內(nèi)發(fā)揮主力電源作用，但其機(jī)組啟停不靈活，運(yùn)行增減負(fù)荷速度慢，出力變化幅度有限，適應(yīng)負(fù)荷變化能力差，變出力運(yùn)行能耗高，經(jīng)濟(jì)性差。盡管燃煤火電也參與電網(wǎng)調(diào)峰，但其調(diào)峰能力有限，尤其是深度調(diào)峰，機(jī)組運(yùn)行較為困難；無疑，燃煤火電不是最佳調(diào)峰電源。燃?xì)?、燃油火電作為生產(chǎn)企業(yè)的應(yīng)急電源，能夠較好地作為備用電源參與運(yùn)行，但其運(yùn)行成本高，顯然不是經(jīng)濟(jì)的調(diào)峰電源，不宜規(guī)模發(fā)展。具有調(diào)節(jié)性能的常規(guī)水電站啟?？欤\(yùn)行靈活，跟蹤負(fù)荷速度能力強(qiáng)，變出力經(jīng)濟(jì)性較好，是較好的調(diào)峰電源。目前贛州市千余座中小型水電站雖達(dá)一定規(guī)模(總裝機(jī)容量124.2 萬kW)，但除上猶江水電站等少數(shù)電站具有較好的調(diào)節(jié)性能外，絕大多數(shù)中、小水電站基本上屬調(diào)節(jié)性能較差或無調(diào)節(jié)的徑流式水電站。因水電規(guī)模偏小，參與調(diào)峰能力薄弱，面對電網(wǎng)峰谷差加大趨勢，顯然是杯水車薪；而風(fēng)電和光伏電站因其運(yùn)行的間歇性、隨機(jī)性、不穩(wěn)定性和難以預(yù)測性，不僅無法納入電網(wǎng)電力平衡計(jì)劃，反而增添了電網(wǎng)消納新型能源壓力，加劇了電力電量平衡矛盾。

作為技術(shù)成熟、運(yùn)行靈活、調(diào)節(jié)便利、安全可靠、經(jīng)濟(jì)性好的可存儲的電源，抽水蓄能電站具有啟停迅速，雙向運(yùn)行的特點(diǎn)，不僅可替代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組擔(dān)任調(diào)峰、填谷作用，而且具有較強(qiáng)的負(fù)荷跟蹤能力，具有調(diào)頻、調(diào)相、負(fù)荷備用和事故備用，以及黑啟動等功能；還具有平抑新能源出力的波動性、隨機(jī)性能力，能夠減少對電網(wǎng)的不利影響，促進(jìn)新能源大規(guī)模開發(fā)消納。因此，在電網(wǎng)峰谷差大，高峰電力緊缺，現(xiàn)有電源調(diào)峰能力薄弱，新能源的消納利用旺興的形勢下，加快贛州市可儲存的調(diào)節(jié)電源規(guī)劃，強(qiáng)力推進(jìn)抽水蓄能電站建設(shè)，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，是維持電網(wǎng)供需平衡，保持電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行，促進(jìn)贛州電力系統(tǒng)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

3 梅嶺抽水蓄能電站建設(shè)資源條件分析

上猶縣位于贛州市西部，臨近贛州市主要用電負(fù)荷區(qū)，境內(nèi)水能資源豐富，為贛南第一水電大縣，是“全國農(nóng)村水電電氣化縣”。上猶縣中部梅嶺地區(qū)地屬羅宵山脈中段東麓延伸地帶，山體雄厚，地勢崎峻，綿延百里；其主峰梅嶺嶂海拔高程895.8 m，周邊多為丘陵地帶，地勢較低，地面高程160～500 m，相對高差較大。其中梅嶺主峰東北方向安和鄉(xiāng)富灣村和梅嶺主峰正南方向油石鄉(xiāng)梅嶺村兩處都具有較理想的抽水蓄能電站建設(shè)的地形、地質(zhì)、水源等條件，滿足抽水蓄能電站規(guī)劃建設(shè)相關(guān)規(guī)定。根據(jù)兩處蓄能站點(diǎn)資源條件優(yōu)勢比較，擬分一期、二期工程先后開發(fā)建設(shè)，詳見圖1。

3.1 地形條件

梅嶺抽水蓄能一期電站(以下簡稱一期安和電站)位于梅嶺主峰東北方向上猶縣安和鄉(xiāng)富灣村境內(nèi)，上水庫利用高山盆地(縣梅嶺茶場)筑壩成庫。上水庫庫盆三面環(huán)山，西側(cè)為梅嶺主峰，山體較雄厚。庫盆東北側(cè)溝谷為山區(qū)溪流出口，谷底海拔740～750 m，此段河道坡降不大，距離下游底坡較遠(yuǎn)，兩岸山坡平順，坡度適中，是建設(shè)當(dāng)?shù)夭牧蠅?擬采用弧線形面板堆石壩)較為理想的壩址。為增加上水庫庫容，擬采用弧線線面板堆石壩，庫盆西北側(cè)為埡口，地面海拔780 m，需筑副壩1處；庫盆東南側(cè)和南側(cè)各有1處埡口，埡口地面海拔分別為770 m和780 m，需筑副壩2處。上水庫庫盆基本封閉，庫區(qū)較開闊，周邊山體邊坡平順，建庫條件較好；下水庫利用同流域溪流下游河谷盆地筑壩成庫，壩址位于安和鄉(xiāng)富灣村大石前組村口，地面海拔約175 m，根據(jù)壩址條件，擬采用土石壩建壩。下水庫庫盆南、北、西三面環(huán)山，庫區(qū)開闊，庫周邊坡平順，無埡口，下游坡降平緩，建庫條件好。上、下水庫天然落差達(dá)565 m，水平距離約2 700 m。此站點(diǎn)落差大，距高比小，是全市負(fù)荷中心附近地區(qū)稀有、罕見的優(yōu)質(zhì)抽水蓄能資源點(diǎn)。

梅嶺抽水蓄能二期電站(以下簡稱二期油石電站)位于梅嶺主峰正南方向油石鄉(xiāng)梅嶺村境內(nèi)，上水庫利用現(xiàn)縣屬仙人塘茶場(已荒廢)成庫，距離一期安和電站上水庫約0.9 km。仙人塘溪流出口為主壩壩址，地面海拔約600 m，此段河道上游坡降平緩，下游坡降大，主壩宜采用折線線面板堆石壩。上水庫西北處有1處埡口，地面海拔660 m，需筑副壩1處，東面環(huán)山，庫盆封閉，無埡口；西南面、南面為4座海拔713.4、654.8、644.5、661.0 m高程不等的山峰相連，長約500 m，擬通過庫周筑壩圍合成庫，建庫條件可行。下水庫利用現(xiàn)有的梅嶺小(1)型水庫加高培厚擴(kuò)建而成。根據(jù)壩址地形和現(xiàn)有的土石壩結(jié)構(gòu)，宜采用折線線面板土石壩。按保留原有水庫功能不變的原則，正常蓄水位由現(xiàn)在的261.65 m提高至290.00 m，現(xiàn)場具備擴(kuò)建條件。由于上、下水庫天然落差約365 m，水平距離約900 m，距高比更小，其優(yōu)勢非常突出，也是一個(gè)較理想的抽水蓄能站點(diǎn)。

3.2 地質(zhì)條件

工程區(qū)域?qū)俚蜕角鹆昵治g地貌，地形起伏變化較大，總體地勢中間高四周低，山體較雄厚，植被良好。區(qū)域內(nèi)出露地層為寒武系中統(tǒng)變質(zhì)巖和第四庫系松散堆積土層，未發(fā)現(xiàn)滑坡及崩塌現(xiàn)象，穩(wěn)定性較好；區(qū)域內(nèi)無較大斷裂和活動性斷裂通過，自晚更新世以來地殼運(yùn)動不強(qiáng)烈，歷史上無較強(qiáng)地震，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定。

區(qū)域地質(zhì)整體評價(jià)：區(qū)域地質(zhì)條件較好，壩址、庫岸和庫盆、輸水系統(tǒng)及地下廠房地質(zhì)條件均能滿足項(xiàng)目建設(shè)要求。

3.3 地理位置

擬建的一期(安和)電站開關(guān)站位于其上、下水庫中段，離贛州市主要負(fù)荷中心直線距離30～50 km，地理位置恰當(dāng)，電力潮流流向合理，區(qū)位優(yōu)勢明顯。二期(油石)電站開關(guān)站位于一期開關(guān)站西南側(cè)3.3 km，距離短、投資少、管理方便。

3.4 水源條件

梅嶺是上猶江一級支流龍華江、油石河的分水嶺。一期(安和)電站所在的大石前溪流自西向東流入龍華江，流域全面積5.08 km2，上水庫壩址控制面積0.261 km2，年徑流量23萬m3；下水庫壩址控制面積4.13 km2，年徑流總量370萬m3。下水庫壩址下游780 m為龍華江與大石前溪流的合河口，流域控制面積280 km2，多年平均徑流總量達(dá)2.5億m3，水量充沛。電站為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，抽水發(fā)電過程基本不消耗水量，水體僅作蓄能載體循環(huán)使用。在電站運(yùn)行后，如因蒸發(fā)和滲漏造成水量損失，并在遭遇流域內(nèi)徑流不足需補(bǔ)水時(shí)；或在電站首臺機(jī)組調(diào)試期間，如在初期蓄水不到位，調(diào)節(jié)庫容不足的情況下，均可在龍華江上引提水解決。因引水距離近，提水揚(yáng)程低，補(bǔ)水方便，水源條件能夠滿足建站要求。

二期(油石)電站所在的油石河自西北向東南流入上猶江，流域全面積116 km2。上水庫位于現(xiàn)梅嶺水庫正北仙人塘茶場，壩址控制面積0.8 km2，年徑流量72萬m3。下水庫由現(xiàn)狀梅嶺小(1)型水庫擴(kuò)建而成，壩址控制面積24 km2，年徑流總量2 151萬m3，水庫總庫容保留原有的防洪、供水庫容，水源條件有保障。

3.5 接入系統(tǒng)方式

擬建的梅嶺抽水蓄能電站距離上猶220 kV變電站、贛州西500 kV變電站僅17 km和25 km，兩站均有接入間隔，接入系統(tǒng)距離短，可節(jié)約輸電線路建設(shè)投資。

3.6 淹沒和移民

一期(安和)電站上水庫建設(shè)涉及縣管茶場1個(gè)，將淹沒茶園和林木約300畝，淹沒茶場住房作坊4棟，面積約800 m2，無移民；下水庫建設(shè)將淹沒果園約100畝和部分林木，直接淹沒農(nóng)房11棟(其中磚混結(jié)構(gòu)5棟，土坯房結(jié)構(gòu)6棟)，涉及農(nóng)戶15戶，人口 72人(目前大部分人口已外遷，現(xiàn)僅有留守老人5人)。二期(油石)電站上水庫涉及縣屬茶場1個(gè)(目前已荒廢)及少量林木，將淹沒茶場住房1棟，無移民；下水庫擴(kuò)建涉及油石鄉(xiāng)梅嶺村農(nóng)戶1人，將淹沒住房和水庫漁場住房各1棟，淹沒縣屬小型水電站(450 kW)1座，整體征遷和移民工作量較小。

3.7 其他

項(xiàng)目區(qū)不涉及風(fēng)景名勝區(qū)，不涉及生態(tài)保護(hù)區(qū)。區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有開采價(jià)值的礦產(chǎn)資源，無珍稀保護(hù)動植物，項(xiàng)目的建設(shè)對環(huán)境影響較小。

4 水利動能計(jì)算

4.1 水庫水位—面積、容積關(guān)系

根據(jù)1∶10 000地形圖和現(xiàn)場勘測，量測兩站點(diǎn)上、下水庫各水位所對應(yīng)的面積，計(jì)算層段水體容積和水庫總庫容，并依其成果繪制水位—容積關(guān)系曲線表和曲線圖，詳見表1～表4，圖2～圖5。

表2 一期(安和)電站下水庫水位—面積、容積關(guān)系曲線表

表3 二期(油石)電站上水庫水位—面積、容積關(guān)系曲線表

圖2 一期(安和)電站上水庫水位—容積關(guān)系曲線

圖3 一期(安和)電站下水庫水位—容積關(guān)系曲線

圖4 二期(油石)電站上水庫水位—容積關(guān)系曲線

圖5 二期(油石)電站下水庫水位—容積關(guān)系曲線

4.2 水庫特征水位擬定和水利動能參數(shù)計(jì)算

(1)上、下水庫死水位。綜合考慮水庫調(diào)節(jié)庫容、輸水系統(tǒng)進(jìn)水流條件、泥沙庫容、水泵水輪機(jī)組工作水頭允許變化幅度等因素，初擬一期(安和)電站上水庫死水位為770 m，下水庫死水位為195 m；初擬二期(油石)電站上水庫死水位為670 m，下水庫死水位為265 m。

(2)上、下水庫正常蓄水位。在規(guī)劃階段，考慮地形地質(zhì)條件允許的水位高程、水庫淹沒、系統(tǒng)調(diào)峰容量需求、水庫調(diào)節(jié)庫容、水泵水輪機(jī)組工作水頭允許變化幅度及水庫綜合利用等因素，初步擬定一期(安和)電站、二期(油石)電站上水庫正常蓄水位分別為805 m和670 m。根據(jù)水量平衡和能量轉(zhuǎn)換，并應(yīng)用已繪制的水庫水位—庫容曲線圖，推算下水庫正常蓄水位。其步驟為：

①根據(jù)擬定上水庫正常蓄水位，查庫容曲線得相應(yīng)庫容，減去死庫容即得調(diào)節(jié)庫容。

②將上水庫工作深度(調(diào)節(jié)庫容)分成若干層段，從正常蓄水位起逐層放水至下水庫，按公式計(jì)算層段水體能量Ei。

Ei=ηgViHip/3 600

式中，Ei為第i層水體的發(fā)電量(蓄能量)(kW·h)；η為抽水蓄能電站綜合效率，規(guī)劃階段取0.7～0.75；Vi為第i層水體體積(m3)；Hip為第i層水體平均水頭(m)；g為重力加速度(m/s2)。

③隨著上水庫分層水體放入下水庫，上水庫水位下降，下水庫水位上升。當(dāng)上水庫最后一層水體(至死水位止)放入下水庫后其相應(yīng)的水位即為下水庫正常水位，其水量平衡和能量轉(zhuǎn)換成果如表5所示。

由此可推算出：一期(安和)電站下水庫正常蓄水位為222 m，其最大水頭為610 m，最小水頭為548 m，加權(quán)平均水頭約580.4 m。上下水庫水平距離約2 700 m，距高比L/H為4.65，上下水庫工作深度分別為35 m和27 m。二期(油石)電站下水庫正常蓄水位為290 m，最大水頭為405 m，最小水頭為340 m，加權(quán)平均水頭約375.9 m。上、下水庫水平距離約900 m，距高比L/H為2.39，上、下水庫工作深度分別為40 m和25 m。

(3)蓄能機(jī)組工作水頭變幅控制系數(shù)的初步復(fù)核。蓄能機(jī)組工作水頭變幅控制系數(shù)k為最大揚(yáng)程與最小水頭比，如抽水、發(fā)電工況水頭損失暫按5%計(jì)，則一期(安和)電站k值為1.23，二期(油石)電站k值為1.32，其k值均在臨界曲線以下，滿足水泵水輪機(jī)運(yùn)行條件，不致于產(chǎn)生較大噪聲、振動，不引起氣蝕損傷。

4.3 電站裝機(jī)容量擬定

按照能量守恒原理，通過上、下水庫水量、電量平衡計(jì)算，完成水能和電能的轉(zhuǎn)換。規(guī)劃階段，一般根據(jù)機(jī)組利用小時(shí)估算電站裝機(jī)容量，按日滿5 h加1 h備用發(fā)電考慮，并計(jì)及庫容量求誤差，預(yù)留5%～10%裕度，按下式計(jì)算電站裝機(jī)容量：

N=∑Ei/σ·(T滿發(fā)+T備用)

式中，∑Ei為一次循環(huán)蓄能量；T滿發(fā)、T備用為一次循環(huán)滿發(fā)小時(shí)數(shù)、備用容量滿發(fā)小時(shí)數(shù)；σ為庫容裕度系數(shù)，現(xiàn)取1.05。

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換成果已知：一期(安和)電站、二期(油石)電站一次循環(huán)蓄能量∑Ei分別為777、513萬kW·h。經(jīng)計(jì)算，電站裝機(jī)容量為123.33萬kW和81.81萬kW。

5 工程規(guī)模和工程總體布局

5.1 工程規(guī)模及任務(wù)

根據(jù)水利動能成果，梅嶺抽水蓄能電站總裝機(jī)容量200萬kW，其中一期(安和)電站裝機(jī)容量120萬kW、二期(油石)電站裝機(jī)容量80萬kW，工程規(guī)模均為大(1)型純蓄能日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站；電站分別安裝4臺30萬kW和4臺20單級立式混流可逆水泵水輪機(jī)—發(fā)電電動機(jī)機(jī)組；參照同類工程，項(xiàng)目估算總投資約100億元。電站在電網(wǎng)中主要承擔(dān)調(diào)峰、填谷和負(fù)荷備用、緊急事故備用兼顧調(diào)頻、調(diào)相等功能，必要時(shí)兼負(fù)贛州電網(wǎng)周調(diào)節(jié)抽水蓄能功能。電站采用集中抽水、發(fā)電方式，在電力系統(tǒng)低谷時(shí)段以最大功率滿負(fù)荷抽水，高峰時(shí)段滿出力發(fā)電，可為贛州電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行提供強(qiáng)有力支撐和保障。

5.2 工程整體布局

梅嶺抽水蓄能電站由2套獨(dú)立的上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、變電工程和共用的輸電線路等組成，其工程樞紐布置如圖6所示，工程特征情況如表6所示。

表6 梅嶺抽水蓄能電站工程特征情況表

圖6 梅嶺抽水蓄能電站工程樞紐布置圖

6 結(jié) 論

上猶縣梅嶺地區(qū)可調(diào)節(jié)蓄能資源地理位置恰當(dāng)，建設(shè)條件優(yōu)越。因此，加快梅嶺抽水蓄能電站規(guī)劃建設(shè)，將有利于贛州電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，對于優(yōu)化贛州電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)，增加電網(wǎng)調(diào)峰能力，減輕電網(wǎng)的電力調(diào)峰壓力，充分吸收利用清潔可再生能源，提高能源利用效率，促進(jìn)電力系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。