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。
乘車順著兩個(gè)車道寬的交通洞行駛,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。待12臺(tái)機(jī)組全部投運(yùn)后,滿發(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,他們專門成立“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、面滿足規(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)專家表示。
服務(wù)“雙碳”:年發(fā)電量可滿足260萬(wàn)戶家庭一年的用電,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、銀線交織——這是通往阜康換流站的500千伏線路。
這條50多公里長(zhǎng)的線路將兩個(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。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),可滿足260萬(wàn)戶家庭一年的用電,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。
原標(biāo)題: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