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世界最大抽水蓄能电站投产发电“超级充电宝”赋能绿色冬奥

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中央纪委国家监委
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2021年12月30日,这个世界最大抽水蓄能电站首批机组投产发电。滔滔滦水上的璀璨明珠携手张北塞上的无限风光,服务北京冬奥会实现100%绿色电能供应。

当然,其意义不止于此。“它也是助力实现‘双碳’目标,推动能源转型与绿色发展,构建新型电力系统取得的重要成果,对于优化电网电源结构、提高电力系统安全可靠,以及服务新发展格局、推进高质量发展具有重要意义。”国家电网有限公司有关负责同志表示。

据介绍,丰宁电站创造了抽水蓄能电站四项“第一”、实现了三个“首次”,也因此被称为“超级充电宝”。

那么,这个“超级充电宝”是如何建造的,有何与众不同,实现了哪些技术突破,又将如何推动能源转型,助力“双碳”目标实现?记者带您一探究竟——

规模巨大:装机容量、储能能力、地下厂房、地下洞室群规模均居世界第一

海拔1500多米的山巅,120多米高的大坝耸立,围水成库。阳光之下,水面泛着粼粼波光,宛如一块晶莹剔透的宝石。

这就是丰宁抽水蓄能电站的上水库。

不同于传统水电站拦河筑坝、蓄水发电,抽水蓄能电站由上下两个水库组成。

除此之外,山体内,还有多达190条功能各异的地下洞室群纵横交错;山脚下,拦沙坝、拦河坝梯次排开……如果用一个字来形容丰宁抽水蓄能电站,那就是——大!

据介绍,该电站创下抽水蓄能电站的四项“世界第一”:装机容量世界第一、储能能力世界第一、地下厂房规模世界第一、地下洞室群规模世界第一。

乘车顺着两个车道宽的交通洞行驶,震撼感扑面而来。“拥有地下洞室190条,总长度50.14千米。”中国电建(8.000, 0.11, 1.39%)集团北京勘测设计研究院丰宁项目部负责人告诉记者,这一地下洞室群规模居世界第一,“比绕北京三环路一圈还长2公里。”

地下厂房作为规模最大的地下洞室,尤其壮观——长度414米,跨度25米,面积接近30个篮球场;高度54.5米,相当于十七八层楼。作为抽水蓄能电站中规模最大的地下厂房,这里几乎可同时停放11架波音737客机。

不同于户外的天寒地冻,地下厂房内一片热火朝天的景象——12台机组“一字”排列,除了1、10号机组外,其他机组正在有序安装。

“这是12台30万千瓦单级可逆式水泵水轮发电电动机组,总装机360万千瓦,为世界抽水蓄能电站之最。”中国电建所属中国水利水电第七工程局有限公司丰宁机电安装标项目负责人彭兵介绍说。此次,1号和10号机组首先投产,可提供60万千瓦出力,能显著增强华北电网的新能源消纳、系统调节、电力保供能力,为北京冬奥会提供安全可靠的绿色动力(10.100, 0.04, 0.40%)。待12台机组全部投运后,满发利用小时数达10.8小时,紧急情况下最大可提供相当于三分之一个三峡水电站的调节出力。

这一项项“世界第一”的背后,是空前的施工难度和持续的技术创新。

据了解,丰宁电站地处燕山山脉向内蒙古高原过渡地带,地质构造十分复杂,极易出现岩体变形和塌方,施工难度很大。面对如此大规模的地下洞室、地下厂房,如何攻克稳定控制难题?

工程建设人员给出的答案是“两超前一转换”。即,超前锚杆,把不稳定的岩石固定住,确保围岩在爆破后不发生松弛坍塌;超前地质预报,在开挖过程中,利用地质雷达预判围岩和地层情况;开挖支护工序转换,循环进行爆破支护等工序,每一道工序都由专人监督检查,确保执行到位。

“这种‘两超前一转换’的技术手段,最大限度地保障了地下作业安全,为洞室顺利开挖和围岩稳定奠定了基础。”国网新源河北丰宁抽水蓄能有限公司工程部副主任贾涛表示。

在建设过程中,岩层上固定岩锚梁被称为“岩上雕花”,工程难度大,风险高。据水电七局丰宁项目有关负责人介绍,他们专门成立“岩锚梁开挖及混凝土QC小组”,经反复分析计算,首次采用玻璃纤维锚杆加固软弱岩体,在斜台双向光爆中尝试PVC管代替传统竹片的间隔装药方式等,顺利实现了岩台开挖点、线、面满足规范要求,同时达到了岩锚梁锚杆无损监测100%合格。

300米级长斜井定向反井钻施工技术、上坝料快速检测、数字化灌浆监测……

八年耕耘不辍,八年披星戴月。一系列关键技术被攻克。而这也是我国首次系统性攻克了复杂地质条件下超大型地下洞室群建造关键技术,为今后抽水蓄能电站大规模开发建设提供了技术保障和工程示范。

运行灵活:“充电”“放电”自如,时刻保持备用,满足电网多元化调节需求

通常情况下,抽水蓄能电站包括上水库、下水库、输水系统、地下厂房和地面开关站等部分。上水库和下水库存在一定落差,由输水系统等连接。

其工作原理是:在用电低谷时段,利用电能将下水库的水抽到上水库存储下来,这就相当于是对“充电宝”进行“充电”。此时,蓄能电站是电能用户端。

有“充电”,必然要“放电”。在用电高峰时段,上水库开闸放水,水通过内部管道直冲而下流入下水库,其重力势能转化为电能。这就是“充电宝”放电的过程,此时的蓄能电站则是一个发电厂。

因其调峰填谷、调频调相和事故备用等功能,抽水蓄能电站被喻为电网安全运行中的“稳定器”“调节器”“平衡器”,也常常被视为保障电网安全的“最后一根火柴”。

抽水蓄能电站的储能能力,与上下水库库容等息息相关。

丰宁抽水蓄能电站库容巨大。记者了解到,其中,上水库库容超过4800万立方米,下水库库容则有近6000万立方米,上下水库落差超过400米。据介绍,该电站一次蓄满可储存电量近4000万千瓦时,相当于张北柔直电网接入的风电、光伏发电机组3天的发电量。

“这是华北地区唯一具有周调节性能的抽水蓄能电站。”中国电建集团北京勘测设计研究院丰宁项目部负责人介绍。

什么是周调节性能?“一般的抽水蓄能电站受空间限制,上水库库容不够大,只具备日调节功能,即当天完成抽水蓄能和放水发电。而丰宁抽水蓄能电站得益于山顶天然具备的盆状结构,上水库库容巨大,蓄满水后就可以在一周之内平衡发电。”该负责人解释说,相对日调节而言,机组可时刻保持备用,这就可以满足电网的多元化调节需求。

与此同时,丰宁电站还有一大亮点——其二期工程采用2台交流励磁变速机组。

这是首次在国内采用大型变速抽水蓄能机组技术。

在我国,通常使用的抽水蓄能机组是恒速恒频的,也就是说其水泵工况的功率是恒定的、不可调节的。而变速机组可实现水泵功率的有效调节,使得运行效率更高、稳定性更优。

“这就好比电风扇,若风速不可调节,就无法满足人们变化的纳凉需求。但变速机组转速可变,可在一定范围内灵活调整输入功率,更能适应电网需求。”有关专家表示。

服务“双碳”:年发电量可满足260万户家庭一年的用电,节约标准煤48.08万吨

站在丰宁电站营地向东望去,铁塔矗立、银线交织——这是通往阜康换流站的500千伏线路。

这条50多公里长的线路将两个世界级的工程连了起来。

阜康换流站是张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程的四个换流站之一。去年10月,丰宁电站接入阜康换流站,在世界上首次实现抽水蓄能电站接入柔直电网,抽水蓄能与柔性直流“手牵手”,共同让“张北的风点亮北京的灯”,服务北京冬奥会实现100%绿色电能可靠供应。

据介绍,张北柔直电网将张北新能源基地与北京负荷中心相连,将随机、波动的风光资源转化为稳定的电能送往京津冀地区,可点亮冬奥赛场和北京市的千家万户。而保障绿电供应可靠性的就是丰宁电站。当风、光发电量大用不完时,丰宁电站抽水、蓄能;当风、光“熄火”发电量不足时,丰宁电站则放水发电。

据国网新源河北丰宁抽水蓄能有限公司有关负责同志介绍,试运行期间,丰宁抽水蓄能电站多次接到在凌晨2时至6时抽水的调度指令,助力消纳夜间大发的风电资源。

“丰宁电站发挥负荷调节和区域稳定协调控制作用,有效实现新能源多点汇集、风光储多能互补、时空互补、源网荷协同,支撑具有网络特性的直流电网高可靠高效率运行,开创了抽水蓄能发展史上的‘先河’,为破解新能源大规模开发利用难题提供了宝贵的‘中国方案’。”国家电网有关负责同志表示。

数据显示,当丰宁电站12台机组全部投运后,每年可消纳新能源电量87亿千瓦时,年发电量66.12亿千瓦时,可满足260万户家庭一年的用电,年节约标准煤48.08万吨,可减少碳排放120万吨,相当于造林24万余亩。

业内人士介绍,抽水蓄能是当前技术最成熟、经济性最优、最具大规模开发条件的电力系统绿色低碳清洁灵活调节电源,与风电、光电、核电、火电等配合效果较好。

我国抽水蓄能发展始于20世纪60年代后期。随着我国经济社会快速发展,抽水蓄能发展加快,项目数量大幅增加,分布区域不断扩展,电站设计、施工、机组设备制造与电站运行水平不断提升,已形成较为完备的规划、设计、建设、运行管理体系。

当前,正处于能源绿色低碳转型发展的关键时期,风、光等新能源大规模高比例发展,新型电力系统对调节电源的需求更加迫切。抽水蓄能电站是当前及未来一段时期满足电力系统调节需求的关键方式,对保障电力系统安全、促进新能源大规模发展和消纳利用具有重要作用。

截至“十三五”末,我国共有在建在运抽水蓄能电站69座,总装机规模8242万千瓦。进入“十四五”,《抽水蓄能中长期发展规划(2021-2035年)》出台,要求进一步加快抽水蓄能发展,助力实现碳达峰、碳中和目标。抽水蓄能将迎来更为广阔的发展前景。