抽水蓄能建设运营的实践与启示

抽水蓄能是当前技术较为成熟、具大规模开发条件的电力系统灵活调节装置,具有调峰、调频、调相、储能、系统备用和黑启动等“六大功能”和容量大、工况多、速度快、可靠性高、经济性好等“五大技术经济优势”,在保障大电网安全、促进新能源消纳、提升全系统性能中发挥着重要作用。特别是随着“双碳”目标的提出,以新能源为主体的新型电力系统加快构建,抽水蓄能基础性、综合性、公共性等特点更为凸显,是构建新型电力系统的关键支撑和重要组成部分。

国网公司高度重视抽水蓄能发展,“十三五”以来开工建设了一批重点项目。今年3月,国网公司出台构建新型电力系统、加快抽水蓄能开发建设的六项重大举措,对加快抽水蓄能开发建设作出了一系列重大部署。国网新源公司作为国网公司集约化、专业化开发建设运营抽水蓄能电站的平台企业,目前,运行抽水蓄能电站21座,容量2122万千瓦;在建抽水蓄能电站30座,容量4218万千瓦;开展可研和预可研抽水蓄能项目超3000万千瓦。荣获国家优质工程金奖、中国建设工程鲁班奖等重要奖项10余项,在抽水蓄能领域积累了丰富的经验,为促进行业持续健康高质量发展作出了创新探索。

 

强化智慧化管控、机械化施工、标准化建设,工程建设取得了一批重要成果。

抽水蓄能电站建设不同于常规水电站和火电厂建设,施工工艺复杂,现场人员多,建设周期长,地下洞室群、斜竖井、高边坡、深基坑等施工作业风险高、难度大,安全优质开展电站建设挑战巨大。新源公司成立之初,我国抽水蓄能处于规模化发展初期,建设标准尚不完善,设计精益化程度不高。施工队伍专业化水平低,施工装备、技术都相对落后。关键机电设备被国外少数公司垄断,大量设备依靠进口。国网新源公司积极应对抽水蓄能建设的复杂艰巨形势,深入研究探索抽水蓄能建设管控特点,主动吸收引进先进技术和管理理念,秉承“安全第一、质量为本”的理念,逐步构建了具有新源特色的建设管控体系,实现了安全、质量、进度、造价、技术和综合“5+1”专业化管控。

在标准化建设方面,首次在国内水电行业提出标准化设计、设备和造价理念,编制出版了抽水蓄能电站10个通用设计分册、7个通用设备分册和5个通用造价分册,率先完成通用标准体系建设,并在公司抽蓄项目建设中广泛应用,工程设计质效和本质安全水平得到有效保证。积极推广标准施工工艺和安全文明施工设施标准化建设,编制出版了涵盖4个专业71项标准施工工艺的《施工工艺示范手册》,全面推广清水混凝土、钢制大模板等外观一次成形工艺,工艺质量得到有效提升,充分展现了抽水蓄能电站“工业之美”。

在施工技术方面,积极推进机械化施工工艺,在国内首次引入并成功应用推广TBM施工技术,隧洞掘进速度和开挖质量得到显著提高,作业环境得到显著改善。目前,小断面TBM在文登项目的试点工作取得良好成效,开始在公司抽蓄项目全面推广应用。大断面平洞TBM、斜井TBM、可变径TBM和竖井SBM等系列设备应用试点和TBM施工洞室支护方案、定额编制等配套研究工作正在有序开展。针对抽水蓄能电站输水隧洞布置特点,创新应用高精度定向钻结合反井钻进行陡倾角、长斜井开挖施工,树立了斜井施工新标杆。积极应用无人驾驶振动碾、移动式边坡支护台车等新装备,工程建设效率、效益和安全质量显著提升。

在管控体系方面,以数字化转型为契机,运用“大云物移智”等信息技术,开展基建数字化管控系统建设,打造统一、开放、共享的基建数字化管控平台,目前已完成33个基建数字化模块的研发和两级部署。在项目层面全面推广地质灾害隐患卫星遥感监测、非接触式灌浆监控、施工用电智能监控、工程安全监测、质量验评、试验检测、移动巡检等模块,实现项目建设关键环节的智能管控。在公司本部层面建设“电站群”智慧管控平台,实现项目间交互协作和交流共享,对各项目进行安全、质量、进度、造价四个维度的分析、评价和展现,满足公司分级管控要求。

国网新源公司建成投运了14座抽水蓄能电站,其中仙游、洪屏2座电站获得“国家优质工程金奖”,桐柏、琅琊山、白莲河、响水涧4座电站获得“国家优质工程奖”,宜兴、泰山等电站获得“中国建筑工程鲁班奖”,仙居、洪屏电站获得“中国安装之星”称号,宜兴电站被列入“国家改革开放35年百项经典工程”。

 

强化专业化、精益化、规范化运维管理,服务电网安全运行和清洁能源消纳价值持续彰显。

抽水蓄能电站采用的可逆式水泵水轮机组与常规水电机组相比,具有水头高、容量大、转速高、可双向运行、过渡过程多等特点,运行控制十分复杂。电站多采用地下厂房设计,解决机组与厂房结构振动问题更是尤为困难。我国抽水蓄能电站大规模发展的历程还相对较短,主机设备国产化时间不长,设备运行还未接受全面考验,各类家族性的缺陷、设计不足等尚未充分暴露。随着能源转型发展不断深化,我国电网结构、电源结构、供需结构和负荷结构发生深刻变化,电网灵活调节需求突出,调用方式更加灵活,对抽水蓄能生产运行提出了新的更高要求。近年来,抽水蓄能机组保持了高强度运行态势,呈现出“两个频繁”(机组启停频繁、负荷调整频繁)、“两个增加”(启动次数明显增加、工况转换次数明显增加)特点,短时启停、早高峰抽水、夜间发电、长时间旋转备用等特殊运行工况不断增加,个别电站单日抽发启动甚至达到近40次,机组持续安全稳定运行面临极大考验。国网新源公司积极应对确保机组安全稳定的严峻挑战,准确把握机组运行特点,持续加强精益运维管理,为电网稳定运行、电力可靠供应提供坚强支撑。

在设备技术方面,通过在长期运行中的不断总结分析,对抽蓄电站的功能和关键技术的研究不断深入,在电站厂房振动、水轮机压力脉动、转轮关键性能、发电机磁极结构稳定性的技术研究上不断取得突破。通过6+6长短叶片等新型转轮和机组水力设计、发电机磁极连接线结构设计改进等技术实施,大幅降低了水泵水轮机的压力脉动,提高了发电机磁极运行可靠性,成功解决了电站厂房振动过大、低水头并网困难和发电机转动部件整体稳定性不足等问题,对大型抽水蓄能机组整体设计水平、抽蓄电站厂房结构设计和校核的提高起到巨大的推进作用。

在生产管理方面,以HPMS(生产管理信息系统)为平台,打造互联互通的生产管控机制,加强全方位生产业务管控能力。建立本部运检导则-电站运检规程-现场作业文件三级运检作业技术标准体系,确保各电站生产运行工作安全规范开展。强化设备设施综合整治,积极推进重大设备隐患治理,及时解决风险隐患。落实设备主人制,构建从前期设计、制造、安装到生产运行的设备全过程闭环管控机制,从源头提升设备安全健康水平。

2020年,国网新源公司抽蓄机组启动51594次,机组综合利用小时数达2500小时,台均非停次数0.34,达历史最高水平;抽蓄机组促进新能源消纳电量近200亿千瓦时,占所在区域新能源消纳贡献率的6%。十三五”期间,国网新源公司抽水蓄能机组启动成功率提升至99.95%以上,年均响应电网需求紧急启动超过5200次,助力新能源消纳超过1400亿千瓦时,圆满完成多项重大保电任务。

 

完善科技创新体制机制,加大科研投入,科技创新成果丰硕,推动了设备国产化和行业标准建设。

国网新源公司始终将科技创新摆在突出重要位置,取得了一批高质量的创新成果,大幅提升了公司科技软实力和发展竞争力。

甘做抽水蓄能国产化的“试验田”,联合有关高校、科研院所、设计院、制造厂家等单位开展攻关,历时十余年,在抽水蓄能水泵水轮机、发电电动机、计算机监控系统、静止变频系统、调速系统、励磁系统、继电保护系统及调试、运行及其他辅助装备等方面取得全面突破,组织研制了我国首台250MW、300MW、375MW大型抽水蓄能机组成套设备,并分别在安徽响水涧、福建仙游、浙江仙居抽水蓄能电站成功实现工程应用,打破了国外垄断,实现了我国抽水蓄能机组关键技术和成套设备制造业从无到有、从弱到强根本性的跨越,显著提升了中国高端装备制造业的自主创新能力和国际竞争力。2021年5月30日,吉林敦化抽水蓄能电站首台机组正式投运,填补了我国自主研制700米以上高水头抽水蓄能运行机组的空白。

持续强化顶层布局,建立了专业技术委员会和可再生能源定额站抽水蓄能分站,成立了中电联抽水蓄能标准化技术委员会,设立公司抽水蓄能技术经济研究院。围绕“卡脖子”问题,加速关键核心技术攻关,累计获得省部级或行业科学技术奖110余项,取得专利授权2101项(其中发明专利270项)。加强技术标准布局,共承担或参与制定、修订国际标准2项,国家标准26项,行业、团体、国网等标准131项,逐步引领国内抽水蓄能行业技术方向。

 

坚持规划引领,深化改革创新,推动抽水蓄能行业科学有序高质量发展。

《抽水蓄能中长期发展规划(2021-2035年)》坚持高标站位,科学谋划,是引领抽水蓄能高质量发展的“及时雨”,对于助推新型电力系统建设和“双碳”目标实现具有重大意义。抽水蓄能项目投资规模大,产业链条长,带动作用强,经济、生态、社会效益显著。随着国家一系列促进抽水蓄能发展的政策、规划陆续出台,抽水蓄能迎来了新一轮快速发展机遇,建设运营规模将持续扩大。

面向未来,需要认真总结抽水蓄能建设运行管理经验,推动抽水蓄能科学有序高质量发展。要进一步深化抽水蓄能功能作用研究,更好地发挥价值作用。要全面把握新型电力系统特点,深入分析抽水蓄能在新型电力系统中的功能作用,充分挖掘抽水蓄能在推动能源转型中的价值,推动抽水蓄能建设运行与电力系统变革科学匹配,与源、网、荷、储发展有效协同,实现抽水蓄能作用和价值最大化。要进一步深化抽水蓄能建设技术创新,提升安全质量水平。围绕安全、质量、工期、造价,强化建设领域技术革新,加大新技术、新设备、新工艺应用,大力推进智慧化管控、机械化施工和绿色建造。要推进先进信息通信技术、控制技术、能源技术与抽水蓄能电站建设相融合,提高电站数字化智能化水平。要进一步深化抽水蓄能技术标准研究,助力新型电力系统建设。在加快开发建设传统抽水蓄能的同时,开展对混合式抽水蓄能、小型抽水蓄能、海水抽水蓄能等技术研究,以及新型储能技术研究,科学认识飞轮、压缩空气等新型储能技术在电力系统中的作用,做到抽水蓄能和各类储能和灵活调节技术优势互补、协同发展,助力新型电力系统建设。要进一步深化抽水蓄能行业政策研究,促进行业持续健康发展。在抽水蓄能领域,我国先后出台了一系列政策、规划,促进了抽水蓄能科学有序发展。今年5月7日,《关于进一步完善抽水蓄能价格形成机制的意见》正式发布,为抽水蓄能加快发展、充分发挥综合效益创造更加有利的条件。面对抽水蓄能加快发展的新形势,要继续加强行业政策研究和完善,为抽水蓄能行业持续健康发展营造有利条件。

国网新源公司将坚决融入能源转型发展大局,充分发挥抽水蓄能建设运营管理优势,落实好国电公司加快发展、开放发展各项部署,当好抽水蓄能开发建设的“主力军”,全力构建合作共赢的“生态圈”,为推动抽水蓄能高质量发展,服务新型电力系统建设,实现“双碳”目标作出积极贡献。(作者系国网新源控股有限公司经济法律部主任谢勇刚)

2021-09-16 09:37