世界最大抽水蓄能電站投產發(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發(fā)電。滔滔灤水上的璀璨明珠攜手張北塞上的無限風光，服務北京冬奧會實現(xiàn)100%綠色電能供應。

當然，其意義不止于此。“它也是助力實現(xiàn)‘雙碳’目標，推動能源轉型與綠色發(fā)展，構建新型電力系統(tǒng)取得的重要成果，對于優(yōu)化電網電源結構、提高電力系統(tǒng)安全可靠，以及服務新發(fā)展格局、推進高質量發(fā)展具有重要意義。”國家電網有限公司有關負責同志表示。

據介紹，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)了哪些技術突破，又將如何推動能源轉型，助力“雙碳”目標實現(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，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%)集團北京勘測設計研究院豐寧項目部負責人告訴記者，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項目負責人彭兵介紹說。此次，1號和10號機組首先投產，可提供60萬千瓦出力，能顯著增強華北電網的新能源消納、系統(tǒng)調節(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)利用小時數達10.8小時，緊急情況下最大可提供相當于三分之一個三峽水電站的調節(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)的技術創(chuàng)新。

據了解，豐寧電站地處燕山山脈向內蒙古高原過渡地帶，地質構造十分復雜，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？

工程建設人員給出的答案是“兩超前一轉換”。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；超前地質預報，在開挖過程中，利用地質雷達預判圍巖和地層情況；開挖支護工序轉換，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‘兩超前一轉換’的技術手段，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。”國網新源河北豐寧抽水蓄能有限公司工程部副主任賈濤表示。

在建設過程中，巖層上固定巖錨梁被稱為“巖上雕花”，工程難度大，風險高。據水電七局豐寧項目有關負責人介紹，他們專門成立“巖錨梁開挖及混凝土QC小組”，經反復分析計算，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、上壩料快速檢測、數字化灌漿監(jiān)測……

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

運行靈活：“充電”“放電”自如，時刻保持備用，滿足電網多元化調節(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，水通過內部管道直沖而下流入下水庫，其重力勢能轉化為電能。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。

因其調峰填谷、調頻調相和事故備用等功能，抽水蓄能電站被喻為電網安全運行中的“穩(wěn)定器”“調節(jié)器”“平衡器”，也常常被視為保障電網安全的“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。

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。據介紹，該電站一次蓄滿可儲存電量近4000萬千瓦時，相當于張北柔直電網接入的風電、光伏發(fā)電機組3天的發(fā)電量。

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

什么是周調節(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，只具備日調節(jié)功能，即當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構，上水庫庫容巨大，蓄滿水后就可以在一周之內平衡發(fā)電。”該負責人解釋說，相對日調節(jié)而言，機組可時刻保持備用，這就可以滿足電網的多元化調節(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。

這是首次在國內采用大型變速抽水蓄能機組技術。

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、不可調節(jié)的。而變速機組可實現(xiàn)水泵功率的有效調節(jié)，使得運行效率更高、穩(wěn)定性更優(yōu)。

“這就好比電風扇，若風速不可調節(jié)，就無法滿足人們變化的納涼需求。但變速機組轉速可變，可在一定范圍內靈活調整輸入功率，更能適應電網需求。”有關專家表示。

服務“雙碳”：年發(fā)電量可滿足260萬戶家庭一年的用電，節(jié)約標準煤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，抽水蓄能與柔性直流“手牽手”，共同讓“張北的風點亮北京的燈”，服務北京冬奧會實現(xiàn)100%綠色電能可靠供應。

據介紹，張北柔直電網將張北新能源基地與北京負荷中心相連，將隨機、波動的風光資源轉化為穩(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。而保障綠電供應可靠性的就是豐寧電站。當風、光發(fā)電量大用不完時，豐寧電站抽水、蓄能；當風、光“熄火”發(fā)電量不足時，豐寧電站則放水發(fā)電。

據國網新源河北豐寧抽水蓄能有限公司有關負責同志介紹，試運行期間，豐寧抽水蓄能電站多次接到在凌晨2時至6時抽水的調度指令，助力消納夜間大發(fā)的風電資源。

“豐寧電站發(fā)揮負荷調節(jié)和區(qū)域穩(wěn)定協(xié)調控制作用，有效實現(xiàn)新能源多點匯集、風光儲多能互補、時空互補、源網荷協(xié)同，支撐具有網絡特性的直流電網高可靠高效率運行，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’。”國家電網有關負責同志表示。

數據顯示，當豐寧電站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)約標準煤48.08萬噸，可減少碳排放120萬噸，相當于造林24萬余畝。

業(yè)內人士介紹，抽水蓄能是當前技術最成熟、經濟性最優(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節(jié)電源，與風電、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60年代后期。隨著我國經濟社會快速發(fā)展，抽水蓄能發(fā)展加快，項目數量大幅增加，分布區(qū)域不斷擴展，電站設計、施工、機組設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、設計、建設、運行管理體系。

當前，正處于能源綠色低碳轉型發(fā)展的關鍵時期，風、光等新能源大規(guī)模高比例發(fā)展，新型電力系統(tǒng)對調節(jié)電源的需求更加迫切。抽水蓄能電站是當前及未來一段時期滿足電力系統(tǒng)調節(jié)需求的關鍵方式，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。抽水蓄能將迎來更為廣闊的發(fā)展前景。