安仁縣金紫仙抽水蓄能電站建設的幾點探討

何發龍

（安仁縣水利局，湖南 郴州 423600）

風能、太陽能等可再生能源發電具有隨機性、間歇性和波動性等特點，電力系統必須有足夠的靈活調節的電源，以保障運行穩定。相對電化學儲能、壓縮空氣儲能等而言，抽水蓄能技術是目前世界公認的技術最成熟、經濟效益最好、最具靈活性、安全性最高、壽命最長、環境污染最少、應用最為廣泛的儲能技術。截至2022 年底，我國抽水蓄能裝機規模占全球儲能總規模的94.6%。我國在2022 年已建成抽水蓄能電站總裝機4 089 萬kW，全球最高。但我國抽水蓄能在電力系統中的比例僅有1.59%，遠低于歐美發達國家。抽水蓄能電站廠址都在山區，對發展地方經濟、實現鄉村振興具有現實意義。在抽水蓄能電站發展的同時，必須正視影響抽水蓄能建設的問題，以推進抽水蓄能電站快速、有序、高效、健康地發展。

1 工程基本情況

金紫仙抽水蓄能電站位于金紫仙鎮金紫仙村。上水庫位于金紫仙鎮高源村西康片區（原西康村），下水庫位于金紫仙鎮金紫仙村（原金花村）。西康水庫（上水庫）集雨面積為1.2 km2，庫周山體較雄厚，巖性以砂礫巖為主。初擬西康水庫正常蓄水位為870 m，相應庫容為990 萬m3，死水位為830 m，死庫容為110 萬m3，調節庫容約880 萬m3。上水庫壩頂總長度約550 m。

金紫仙水庫（下水庫）集雨面積為17.8 km2（不含上水庫）。初擬金紫仙水庫正常蓄水位為470 m，相應庫容為1 000 萬m3，死水位為430 m，死庫容為120 萬m3，調節庫容為880 萬m3。下水庫壩頂長度約460 m。

輸水發電系統主要建筑物包括上水庫進/出水口、上游引水道、地下電站、下游引水道、下水庫進/出水口、變電站等。

上、下水庫進/出水口水平距離約1 600 m，利用水頭400 m，距高比為4。

電站裝機容量為120 萬kW，安裝4 臺單機容量為30 萬kW 的單級、立軸、單轉速、混流、可逆式水泵水輪機組。電站初擬500 kV 出線一回接入郴州蘇耽500 kV變電站，直線距離約80 km。經估算，該項目總投資為80 億元。

安仁縣金紫仙抽水蓄能電站是性能優良的調峰電站，具有電能轉換（填谷）、調頻、旋轉備用、調相、快速跟蹤負荷、提高系統可靠性等顯著作用。

該項目于2021 年8 月進入國家能源局《抽水蓄能中長期規劃》（2021—2035 年），2022 年8 月預可行性研究報告審查通過，2023 年2 月樞紐布置、正常蓄水位、施工總布置等3 個專題報告審查通過，2023 年3 月征地移民專題報告審查通過，計劃2023 年6 月可行性研究報告審查通過、核準開工，2030 年全部機組竣工、發電。

2 金紫仙抽水蓄能電站設計與施工

金紫仙抽水蓄能電站樞紐工程采用：混凝土面板堆石壩+溢洪道+泄洪兼沖沙放空洞+引水道+地下廠房。西康水庫（上水庫）和金紫仙水庫（下水庫）大壩均采用面板堆石壩方案，大壩是設計與施工的關鍵。

2.1 壩體材料分區

堆石料分區按面板壩的受力特點和滲流要求劃分，壩體分區從上游到下游分別為上游鋪蓋區、墊層區、特殊墊層區、過渡區、主堆石區、主堆石排水區和下游堆石區。

1）上游鋪蓋區。為封堵面板可能出現的裂縫及周邊縫缺陷，在上游壩腳設置黏土鋪蓋區，鋪蓋水平厚度為3 m，上游坡比為1∶2.5，下游面緊貼面板與趾板。

2）特殊墊層區。位于面板下，設計水平寬度為4 m。主要采用新鮮、堅硬的細料并經過碾壓以達到級配優良、連續、密實，使滲透系數達到10-3cm/s。壓實后，其孔隙率小于21%，小于5 mm 的墊層料占30%～40%，最大粒徑為80 mm。

3）過渡區。過渡區位于墊層區與主堆石之間，設計水平寬度為4 m。過渡料應具有良好的級配，用堅硬的石料填筑，最大粒徑不超過300 mm，壓實后孔隙率不大于23%。壓實后具有低壓縮性，高抗剪強度，并能對墊層料有反濾作用。

4）主堆石區。主堆石區是面板壩的主體，是墊層、過渡層的支撐體，堆石料具有良好的級配。使用堅硬的巖石填筑，壓實后孔隙率不大于25%，最大粒徑不大于600 mm。

5）下游堆石區。下游堆石區處于壩體的次要地位，主堆石區下游，其變形對壩體和面板變形影響不大，對級配要求可以放寬，碾壓層厚度可達1.2 m，最大粒徑不大于碾壓層厚的80%，壓實后的孔隙率不大于28%。

2.2 壩體防滲結構設計

1）混凝土面板設計。面板堆石壩上游迎水面設置混凝土面板，它是壩體的主要防滲結構。面板頂部高程厚度為0.3 m，面板底部高程厚度為0.6 m。中間按t=0.3+0.003 51H 變化，其中H 為面板頂部高程至計算點的高差。為防止面板開裂，分別給面板縱、橫加筋，其鋼筋率為0.5%。面板采用C25 混凝土，抗滲指標為W10，抗凍指標為F100。面板混凝土采用滑模施工，為適應壩體變形，面板設垂直縫，在兩壩肩附近的面板設張性垂直縫，間距為15 m，其余部分的面板設壓性垂直縫，間距也為15 m，與趾板結合處設周邊縫。

2）混凝土趾板設計。壩體堆石存在沉陷變形，面板不能與河床及兩岸基巖直接連接，只能通過混凝土底座與河床及兩岸基巖相連接。趾板寬度按水頭的1/15設計，分兩級，1/2 壩高以上的趾板寬度為4 m，1/2 壩高以下為6 m。趾板厚度為1.0 m。趾板分縫間距為16 m，趾板混凝土性能及其防裂要求與面板相同。

2.3 灌 漿

為增強基巖的整體性和耐久性，擬對壩基的軟弱夾層（砂礫巖）進行固結灌漿。固結灌漿的漿液為水泥漿，灌漿孔距為3 m，排距為3 m，梅花形布置。

帷幕灌漿布置在趾板中部，趾板帷幕灌漿與壩體及壩肩兩岸帷幕防滲相結合，形成一個整體。帷幕灌漿孔按單排布置，孔距為2 m，防滲標準按透水率小于或等于3 Lu。

2.4 壩基開挖和邊坡開挖處理

壩體邊坡按覆蓋層1∶1.25、強風化巖體1∶0.75、弱風化巖體1∶0.5 開挖；壩肩岸坡為高邊坡開挖，采用L=28 m，間排距5 m 的錨索支護，在邊坡表面掛單層Φ6 鋼筋網，網格大小為15 cm×15 cm，然后噴10 cm 厚C25 混凝土的方式進行加固。見圖1。

圖1 金紫仙抽水蓄能電站上（下）水庫大壩標準剖面圖（1∶500）

3 抽水蓄能電站發展中幾個值得注意的問題

1） 截至2022 年年底，我國抽水蓄能裝機容量為4 089 萬kW，遠低于西方發達國家的占發電總裝機容量10%的一般要求。數據顯示，我國2010 年風能和太陽能發電裝機僅有2 986 萬kW，然而到2022 年底，風電、光電兩項新能源裝機總量達到6.38 億kW，增長21.4 倍之多。相比之下，抽水蓄能電站裝機從2010 年的1 692 萬kW 增加到2022 年的4 089 萬kW，僅增長2.42 倍。湖南省抽水蓄能資源很豐富，但規劃與建設跟不上新型電力系統發展；抽水蓄能資源跨省區投資與電力、電量交易尚處于探索階段，市場化程度很低?？傮w上看，抽水蓄能電站發展滯后于新型電力系統需求。

2）湖南長沙黑麋峰抽水蓄能電站2018 年投產，單位造價4 503 元/kW；金紫仙電站預計2030 年投產，單位造價預計將在6 500 元/kW 以上，投資成本的快速增長將嚴重影響抽水蓄能上網電價和銷售電價。

3）國家發展和改革委員會《關于進一步完善抽水蓄能價格形成機制的意見》明確了電價形成機制，“能核盡核、能開盡開”，這是國家發改委和國家能源局對“十四五”時期抽水蓄能項目的明確政策。但規劃布局也可能會產生一些問題：布局不盡合理，可能造成電站建成不被需要或無法使用；一些電站建設條件較差，經濟性差，建成后增加用戶電費負擔；建設成本和運行成本可能一時難以消化，推高投資企業負債率和社會用電成本。這些情況不利于抽水蓄能電站健康發展。

4）國內抽水蓄能機組的主要生產商是哈爾濱電氣、東方電氣和浙富控股，前兩家公司的產能約為40臺/年，即1 年1 000 萬kW 左右。2022 年，我國水輪發電機組市場占有率前三位的企業分別是：哈爾濱電氣，約占49%，東方電氣，約占41%，浙富控股，約占5%。抽水蓄能設備制造能力的不足也是影響抽水蓄能電站發展的重要因素。

4 關于發展抽水蓄能的幾點探討

1）金紫仙抽水蓄能電站抽水與發電總效率按80%計算，則綜合平均電價至少要在標桿電價的基礎上提高27%；如果再計入容量電價（內部收益+財務費用+稅金），估計還要增加14%。抽水蓄能電站必須要達到年度設計利用小時數（2 100 h）以上才具有合理的經濟性。如果經濟技術可行性研究做得不夠詳實，最終結局必然是浪費投資，抬高電價。

其他抽水蓄能電站如果無序開發，無視電力系統和電力市場需求，就有可能建而少用或不用，而輸配電價將在不知不覺中提高，最終影響銷售電價，這種情況應當通過政府監管予以避免。

2）抽水蓄能電站工程投資中機電設備及安裝工程投資約占28%；到2030 年抽水蓄能投產目標是1.2億kW，全國抽水蓄能建設市場巨大。只有堅持自主創新為主，增強機電設備設計制造能力，重點攻關超高水頭大容量抽水蓄能水輪機、大容量變速機組設計制造自主化，并進一步提升勵磁、調速器、變頻裝置等輔機設備國產化水平，金紫仙抽水蓄能電站機組才能按時交貨，電站運行過程中抽水、發電效益才會提高。

3）從湖南抽水蓄能電站業主分布來看，已建成投產的湖南長沙黑麋峰抽水蓄能電站總裝機120 萬kW，控股業主為國網新源；在建的平江福壽山抽水蓄能電站總裝機140 萬kW，控股業主為國網新源；金紫仙抽水蓄能電站裝機120 萬kW，控股業主為國投集團。從全國以往的抽水蓄能發展歷程來看，國網新源公司是我國抽水蓄能電站投資的最大股東，這當然有其合理性和合法性，但是其他國有或民營企業也有很高的投資積極性，以謀求在抽水蓄能電站建設市場中獲得發展，政府應當給予支持。

4）抽水蓄能電站應根據電源分布特點、電網運行特性、用電負荷分布、電力結構等確定抽水蓄能電站選址和容量。鑒于抽水蓄能發展有其自身特點，即建設周期通常為5～8 年，前期勘測設計及審批一般需要2～3年，因此抽水蓄能電站應當根據電力發展特點，提前進行勘測設計、選址布局，加快開工建設，適時投產發電。

以10 年甚至30 年的時間跨度，在分析、預測當地經濟社會和電力發展趨勢的基礎上，進行選址規劃、土地預審、社會穩定評估、移民規劃報告等前期工作，在符合生態環境保護要求的前提下，為抽水蓄能電站發展進行規劃和預留空間。

目前，金紫仙抽水蓄能電站已經列入國家“十四五”重點能源項目，前期工作進展順利，計劃2023 年6月正式開工，2030 年全部機組竣工、發電。在安仁縣金紫仙鎮同一地區，尚有金紫仙抽水蓄能電站二期工程，裝機容量120 萬kW（上水庫為學頭嶺水庫，下水庫為豪山水庫），可以列入國家“十五五”重點能源項目，做到滾動發展，優勢發展，高質量發展，快速、有序、高效、健康地發展。