豐寧抽水蓄能電站裝機規模居世界首位，共安裝12臺單機容量300兆瓦的水泵水輪機/發(fā)電電動(dòng)機組，總裝機容量3600兆瓦，工程總投資192億元，分兩期開(kāi)發(fā)建設，一、二期工程裝機容量分別為1800兆瓦，預計年發(fā)電量可達到66.12億千瓦時(shí)。電站12臺機組全部投運后，一次連續滿(mǎn)裝機發(fā)電最長(cháng)可達10.86小時(shí)，具有強大的調峰儲能作用，是華北地區唯一具有周調節性能的抽水蓄能電站，作為京津及冀北地區新能源大規模開(kāi)發(fā)與接入的“護航員”，是實(shí)現京津及冀北電網(wǎng)構建以新能源為主體新型電力系統的關(guān)鍵所在。
近三十年的逐夢(mèng)礪劍，樹(shù)立了這座我國抽水蓄能電站建設史上的豐碑，它究竟取得了怎樣的卓越成就？蘊含著(zhù)哪些令人驚嘆的“科技密碼”？
靈活多變——獨具特色的運行方式
豐寧抽水蓄能電站為周調節抽水蓄能電站，電站建成后將在京津及冀北電網(wǎng)中主要承擔調峰、填谷、調頻、調相和緊急事故備用等功能。同時(shí)還可配合新能源電源運行，適時(shí)儲能。由于泥沙問(wèn)題尚需研究排沙運行方式，地處嚴寒地區，存在冬季運行防結冰問(wèn)題等，因此豐寧抽水蓄能電站的運行方式是很復雜的
典型周運行模式：通過(guò)京津及冀北電網(wǎng)周調節模擬運行情況來(lái)看，豐寧抽水蓄能電站正常運行情況周一到周五以發(fā)電為主，每天發(fā)電工況運行歷時(shí)7～12小時(shí)，運行歷時(shí)和滿(mǎn)發(fā)運行最長(cháng)日發(fā)生在最大負荷日，工作日的日平均滿(mǎn)發(fā)利用小時(shí)數約7.3小時(shí)；抽水工況運行歷時(shí)4～7小時(shí)。周六到周日集中抽水，平均每天抽水工況運行6～8小時(shí)。
防洪調度運行方式：上水庫洪水完全續存在庫內，從安全角度考慮，上水庫水位超過(guò)正常蓄水位1505米后停止運行；下水庫防洪調度運行在兼顧蓄能電站運行的同時(shí)，為確保下游地區防洪安全，大壩下泄流量不能超過(guò)壩址天然洪峰流量。同時(shí)，遵循承德市防汛抗旱指揮部《關(guān)于對豐寧水電站汛限水位的批復》（承市汛辦[2005]27號），汛期運行時(shí)遵循“電調”服從“水調”的原則。當洪水超過(guò)200年一遇設計洪水標準時(shí)，或者無(wú)論任何情況下下水庫水位超過(guò)1061米時(shí)，電站應立即停機。
沙調度運行方式：豐寧抽水蓄能電站泥沙調度采用“蓄清排渾”的運行方式：汛期（6～9月），攔沙庫運行方式為敞泄，以排沙和防洪為要任；補水期（4月），考慮到灤河干流4月份為桃汛期，甚至可能出現年最大洪水，存在大水大沙、水質(zhì)混濁等問(wèn)題。從保證蓄能電站下水庫發(fā)電庫容、滿(mǎn)足水輪機對泥沙含量要求等方面考慮，4月份發(fā)生洪水時(shí)，暫停補水，以排沙為主，保證30年一遇以下洪水不入庫，待洪水過(guò)后再根據實(shí)際情況補水。
防冰凍調度運行方式：每日至少保證電站有一臺機組進(jìn)行抽水、發(fā)電循環(huán)運行，并盡可能配合電網(wǎng)調峰需求，周一至周五在夜間抽水2～3小時(shí)，次日早高峰或晚高峰發(fā)電運行4～5小時(shí)；周末在夜間夜間抽水6～8小時(shí)，次日早高峰或晚高峰發(fā)電運行1～2小時(shí)，通過(guò)水流往復運動(dòng)的特點(diǎn)使水位交替性的深水消落和急劇上充，利用水流造成的紊動(dòng)和不同水溫的水交換來(lái)解決冰凍問(wèn)題，以確保冬季電站正常運行和防滲面板的安全。
生態(tài)流量泄放運行方式：當攔沙庫開(kāi)始蓄水至1053米期間，泄洪排沙洞閘門(mén)逐步關(guān)閉，保證最小下泄流量0.78立方米/秒，同時(shí)打開(kāi)生態(tài)流量泄放管向下游放水。由于生態(tài)流量泄放管進(jìn)口位于泄洪排沙洞內，可以保證生態(tài)流量泄放管進(jìn)口不會(huì )被淤積，保持“門(mén)前清”。在生態(tài)流量泄放管檢修期間或不能正常泄放生態(tài)流量的情況，可以打開(kāi)蓄能專(zhuān)用庫生態(tài)流量泄放閘，根據生態(tài)流量泄放閘下泄流量曲線(xiàn)，控制向下游泄放不小于0.78立方米/秒的生態(tài)流量。
“雕刻” 山川——鑄就雄偉“地下宮殿”
行走在豐寧抽水蓄能電站地下廠(chǎng)房，但見(jiàn)洞室群縱橫交錯、上下連通，仿佛進(jìn)入了恢弘壯麗的地下宮殿，不由得驚嘆于現代科學(xué)技術(shù)的發(fā)達和大國工匠的“神通廣大 ”。
豐寧抽水蓄能電站地下洞室群主要由地下廠(chǎng)房和主變洞等組成，地下廠(chǎng)房長(cháng)414米，寬25米，高55米；主變洞長(cháng)450.5米，寬21米，高22.5米，其規模在世界抽水蓄能電站中位居第一,世界水電站中位居第四，兩個(gè)主要洞室的開(kāi)挖體積就能夠放下13個(gè)故宮太和殿。鑄就如此宏偉的工程，需要“巧奪天工”的設計理念和精準細膩的“巖上雕花”功夫。
地下廠(chǎng)房規模大、機組臺數多、機組間距小、洞室交叉縱橫，加之區域地質(zhì)環(huán)境復雜，地質(zhì)條件較差，施工難度很大。地下廠(chǎng)房開(kāi)挖過(guò)程中，受區域地質(zhì)環(huán)境復雜、圍巖完整性差、巖體蝕變、不利地應力等共同影響，建設之初，地下廠(chǎng)房出現了以往抽水蓄能電站地下廠(chǎng)房沒(méi)有遇到過(guò)的較大圍巖變形，給地下廠(chǎng)房開(kāi)挖支護設計及施工帶來(lái)了較大困擾。
針對上述情況，為提供安全、可靠的設計思路， 全力保證地下廠(chǎng)房的安全建設和施工，北京院集思廣益，對地下廠(chǎng)房開(kāi)展了系統、全面的研究論證，從地質(zhì)賦存環(huán)境、關(guān)鍵塊體穩定、開(kāi)挖變形與應力擾動(dòng)機制及加固效果，到巖體分級、地質(zhì)結構、節理裂隙、斷層等地質(zhì)環(huán)境因素、地應力分布規律及其與廠(chǎng)房軸線(xiàn)方向的空間關(guān)系等方面系統研究，揭示了地下洞室群圍巖破壞規律，因地制宜提出了加固措施，保障了工程的施工期及永久安全。
廠(chǎng)房開(kāi)挖完成后觀(guān)測結果表明，采取的工程處理措施達到了良好效果，廠(chǎng)房洞室圍巖整體穩定。
“馭水”有術(shù)——濾沙蓄水出平湖
站在電站下水庫大壩俯視，水面波光粼粼，靜謐清澈。殊不知，在建設過(guò)程中，這原本是條攔住去路的“流沙河 ”。
據悉，下水庫在原豐寧水庫基礎上修建，由于前些年上游地區過(guò)度放牧和砍伐，植被破壞嚴重，加之西山灣水庫建成后，改變了下游河道天然情況下的水沙關(guān)系，使得豐寧抽水蓄能電站水庫泥沙淤積嚴重，如果維持原有的水庫運行方式，經(jīng)計算分析，40年后，水庫調節庫容將損失殆盡，且無(wú)論采用何種運行方式，由于泥沙淤積，下水庫剩余調節庫容都不能滿(mǎn)足抽水蓄能電站運行 50 年所需的調節庫容。
湍急的河流裹著(zhù)泥沙，叫囂著(zhù)滾滾而來(lái)，對豐寧抽水蓄能電站的建設又一次提出了考驗。
如何通過(guò)設置攔排沙系統，妥善解決泥沙淤積問(wèn)題，在保證下水庫庫容需求的同時(shí)，滿(mǎn)足下水庫進(jìn)/出水口過(guò)機泥沙的要求，從而保證抽水蓄能電站正常運行，成為本工程設計的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。
經(jīng)過(guò)北京院項目團隊的研究論證，提出通過(guò)設置攔沙壩將下水庫分為蓄能專(zhuān)用下水庫和攔沙庫兩部分的設想，攔排沙系統建筑物包括攔沙壩、泄洪排沙洞、攔沙庫溢洪道等。同時(shí)，攔沙庫上游存在一個(gè)天然“S ”形河道，如利用原河道不進(jìn)行河道改造，極易造成泥沙淤泥。因此，在設計的角度提出“S ”彎段就彎取直，設置導沙明渠，并與下游泄洪排沙洞組合，極大地增強了排沙能力。
下水庫攔排沙系統建成后，泄洪排沙洞汛期敞泄，非汛期蓄水運行，能夠滿(mǎn)足豐寧抽水蓄能電站正常運行的要求。經(jīng)過(guò)論證，在運行至30年左右時(shí)，攔沙庫基本達到?jīng)_淤平衡狀態(tài)；在運行至50年時(shí)，攔沙庫仍能維持一定的蓄水補水功能，專(zhuān)用下水庫剩余庫容能夠滿(mǎn)足電站所需要的有效庫容的要求。因此，攔排沙系統布置合理，能夠有效解決電站下庫嚴重的泥沙淤積問(wèn)題。攔住去路的“流沙河”，就這樣被“降服”。
理念超前——變速機組開(kāi)創(chuàng )先河
變速蓄能機組除了具備定速蓄能機組的功能外，還具有提供頻率自動(dòng)控制容量、實(shí)現有功功率的高速調節、水泵入力在一定范圍內連續可調以及提高機組運行的穩定性和效率等優(yōu)點(diǎn)。相比定速機組，變速機組能夠更有效地服務(wù)于電網(wǎng)。
豐寧抽水蓄能電站二期工程裝設2臺采用自起動(dòng)方式的300兆瓦交流勵磁變速蓄能機組，接入京津及冀北電網(wǎng)，并與張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)示范工程配套運行，該變速機組由北京院設計。這是國內首次采用交流勵磁變速機組，填補了國內空白，具有劃時(shí)代意義。北京院也是目前中國唯一一家具有變速機組專(zhuān)題科研和工程應用設計業(yè)績(jì)的設計單位。
事實(shí)上，早在2009年北京院就開(kāi)始關(guān)注變速抽水蓄能技術(shù)，并進(jìn)行資料積累、技術(shù)儲備和工程設計研發(fā)工作。
2012年，國網(wǎng)新源控股有限公司組織開(kāi)展了變速機組技術(shù)的全面科研工作，北京院作為選定的主要參與方，于2015年底前完成了變速機組技術(shù)的應用研究課題。
2016年初，國網(wǎng)新源公司結合研究成果，決定在豐寧抽水蓄能電站二期工程實(shí)施建設兩臺變速機組，同時(shí)電網(wǎng)系統要求變速機組配合張北柔性直流電網(wǎng)實(shí)現孤網(wǎng)運行。
正是因為超前的發(fā)展理念和對工程技術(shù)的不懈追求，助力成就了豐寧抽水蓄能電站的卓越領(lǐng)先，也為北京院多年來(lái)在變速機組領(lǐng)域的潛心研究劃下一個(gè)完美的句號。
煥彩“視”界——智能科技點(diǎn)亮黑暗
當縱橫交錯、恢弘龐大的地下廠(chǎng)房建成后，隨之而來(lái)的，是要解決洞室的照明問(wèn)題。面對著(zhù)漫無(wú)邊際的黑暗，建設者們不僅要“點(diǎn)亮黑夜”，還要用科技與智慧讓這里變成煥彩“視界”。
智能照明系統由北京院設計，它的應用也充分體現了北京院在技術(shù)領(lǐng)域的超前理念和對業(yè)主要求的高度契合。2009年7月，國家電網(wǎng)提出了建設統一堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展戰略目標。抽水蓄能電站作為堅強智能電網(wǎng)的重要組成部分，新源公司提出以“兩型兩化 ”建設為總路徑，以“美麗電站、幸福新源 ”為愿景，實(shí)現“兩個(gè)引領(lǐng) ”戰略目標，加強智慧管控體系建設，全面提升管控效率。
因此，豐寧抽水蓄能電站采用智能照明系統符合國家電網(wǎng)對建設數字化智能型電站的要求。
全廠(chǎng)設置一套智能照明控制系統，系統提供自動(dòng)化的完整解決方案，區域涵蓋一期、二期地下廠(chǎng)房、上/下水庫進(jìn)出水口啟閉機樓、地面開(kāi)關(guān)站及中控室。智能照明控制系統通過(guò)一條總線(xiàn)連接所有控制元件，實(shí)現了遠程全方位控制、現地面板分區域控制、現地觸摸屏集中控制、自定義模式控制、自動(dòng)感應照度控制等多種控制方式，同時(shí)提供了遠程監控回路狀態(tài)、異常狀態(tài)報警、階段性故障類(lèi)型分析等服務(wù)。
該系統首次將機場(chǎng)、體育場(chǎng)館、軌道交通、人民大會(huì )堂、G20峰會(huì )、港珠澳大橋等的智能照明設計理念大規模應用至水電行業(yè)，根據電站的具體運維要求設置了全廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )化智能照明系統，實(shí)現了龐大工程樞紐的地下、地面建筑物群照明系統的智能控制和運維，提高了電站運營(yíng)管理效率，踐行了高效節能的“綠色照明 ”理念，創(chuàng )造出智能運行、方便維護、節能、安全、舒適的光環(huán)境。
“編織”美麗——深入踐行“兩山”理念
大力推進(jìn)生態(tài)文明建設，努力建設美麗中國，是關(guān)乎人民福祉、關(guān)系民族未來(lái)的長(cháng)遠大計。隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展、理念的更新，抽水蓄能電站自然生態(tài)的保護、資源的綜合開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越為人們所重視，已成為抽水蓄能電站建設的發(fā)展趨勢。
在群山環(huán)抱、河道蜿蜒、山水相間、香花遍野的環(huán)境中建一座美麗電站，是豐蓄建設者們的一致追求。
豐寧抽水蓄能電站生態(tài)環(huán)境規劃由北京院設計，核心內容在于對工程區的環(huán)境保護、環(huán)境構建、環(huán)境美化、資源綜合利用進(jìn)行系統規劃，實(shí)現建設美麗電站的目標。一方面要建成生態(tài)綠色電站，最大限度地保護現有自然生態(tài)，合理規劃，恢復開(kāi)挖面和破壞面的復綠，維持山勢地貌，梳理貫通水系，保持生態(tài)多樣性。同時(shí)，在創(chuàng )建品牌電站的前提下，突出文化特色，在電站建設中融入具有地域及企業(yè)文化的特色景觀(guān)內容，通過(guò)景觀(guān)表現傳承和延伸草原電站文化，提升電站整體的視覺(jué)影響。
設計遵循以自然要素為基礎，充分貫徹保護性開(kāi)發(fā)的基本原則，通過(guò)對當地氣候因素、地形、地貌因素、原生生物群落因素等綜合自然條件的分析，因勢利導、因地制宜地進(jìn)行電站生態(tài)整體規劃。
以工程要素為依托。一方面，通過(guò)科學(xué)、合理的安排盡量減小對生態(tài)環(huán)境的影響程度；另一方面依托壩體工程的現代工業(yè)形象，來(lái)宣傳新能源技術(shù)、可持續發(fā)展戰略等，使其具備科普性教育功能。
通過(guò)景觀(guān)設計，一個(gè)集生態(tài)環(huán)保、草原特色的抽水蓄能電站已輪廓初顯。
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