天荒坪抽水蓄能电站建设

天荒坪抽水蓄能电站建设
华东勘测设计研究院 科技信息部
提 要：本文回顾了天荒坪抽水蓄能电站的建设历程，对电站概况及枢纽布置做了较为详细水蓄能电站2005年获国家第十一届优秀工程设计金奖，和国家第九届优秀工程勘察金奖，工程蓄能电站勘测设计的许多关键技术，文中概述了这些成果。

天荒坪抽水蓄能电站竣工后，在电巨大的作用。

关键词：抽水蓄能电站 枢纽布置 关键技术 经济和社会效益
1 概述
天荒坪抽水蓄能电站是华东地区第一座大型的抽水蓄能电站，安装6台300MW机组，总容量建和在建的单个厂房装机容量最大、水头最高、电站综合效率达到80％以上的抽水蓄能电站。

＃机组)已于1998年9月30日投产，2＃、4＃、5＃和3＃机组先后于1998年12月底、1999年8月旬及2000年3月上旬投运，最后一台机组于2000年12月发电。

天荒坪抽水蓄能电站为“八五～九五”期间国家重点建设工程。

1980年华东院在规划选点中发现天荒坪站址，1984年开始可行性研究，1987年开始初步设施设计，1994年3月1日主体工程开工，2001年至2003年分别通过了国家规定的防火、环境保护卫生、档案、枢纽、财务审计等六个专项竣工验收（水库移民免验）。

天荒坪抽水蓄能电站是利用世界银行贷款引进外资的项目，采用国际竞争性招标。

外资主外采购及部分土建工程的国际招标。

主要机电设备如水泵水轮机、发电电动机、主阀、计算机500kV GIS高压组合电器设备、500kV高压电缆等均采用国际招标采购。

工程的土建部分除上水为国际招标外，其余均采用国内招标。

电站的建设资金由国家开发银行、华东电力集团公司、上海市、江苏省、浙江省及安徽省坪抽水蓄能电站的建设过程中施行了新的建设管理体制——业主负责制、招标投标制、建设监境保护的各项工作在设计阶段、世行评估阶段和施工期，都得到了充分的重视。

天荒坪抽水蓄能电站2005年在中国第十一届优秀工程设计评选中获国家金质奖，同时亦在程勘察评选中获工程地质勘察国家金质奖。

2 建设历程
回顾天荒坪电站的建设历程，确实走过了一段不平凡的路。

华东电网的抽水蓄能电站规划选点工作开始于1974年。

1979年我院正式接受华东电网抽水
点任务，天荒坪电站被选作第一期开发的点子后，1984年2月原水电总局下文，将天荒坪电站列目，经过二年多的努力，1986年6月我院完成《天荒坪抽水蓄能电站可行性研究报告》，同年电规划设计总院会同华东电业管理局、浙江省计经委审查通过了可行性研究报告。

1987年3月划设计总院下达初步设计任务书，初步设计工作启动。

1989年12月我院完成《天荒坪抽水蓄能告》，1990年5月水利水电规划设计总院会同有关部门审查通过了初设报告。

1988年7月原国家省一市(浙江、江苏、安徽和上海市)在杭州签订《关于集资建设天荒坪抽水蓄能电站协议书》委批复《天荒坪抽水蓄能电站项目建议书》，1993年8月国家计委批准利用世界银行贷款3亿美设备，至此天荒坪抽水蓄能电站的前期工作及立项进程圆满地告了一个段落。

1992年6月国家计委下文批准天荒坪抽水蓄能电站开始进行施工准备工作，同月“三通一平工。

1994年3月主体工程—地下厂房开挖正式开工，与此同时，其它主体工程项目施工也全面铺施工，于1995年12月31日处于关键线路上的地下厂房和尾水闸门洞的开挖结束，1996年1月30至此地下洞室群开挖基本完成。

与此同时，上下水库等明挖和填筑工程量也已超过大半，土建收尾阶段。

1996年1月29日1＃机组肘管下基坑，标志着一个新的阶段——机电安装的正式开始5月31日水轮机工况整机启动调试，7月21日首次并网成功，往上库抽水，9月30日投入试生产到1＃机组投入试生产，历时55个月。

3 电站概况及枢纽布置
3.1 电站概况
天荒坪抽水蓄能电站位于浙江省安吉县天荒坪镇境内，距杭州市57km、距上海市175km、距180km，距华东电网（该电网主要包括浙江省、江苏省、安徽省、和上海市）500kV瓶窑变电所网的负荷中心。

电站年发电量30　14亿kW·h，抽水电量(填谷电量)41　04亿kW·h，为日调节的纯以500kV一级电压、出线二回接至瓶窑变电所进入华东电网，在华东电网中担负调峰、填谷、调故备用等任务。

天荒坪抽水蓄能电站是我国目前已建和在建的同类电站中单个厂房装机容量最大、安装单头最高的一座抽水蓄能电站，也是亚洲最大的一座。

上水库整个库盆28.5万m2采用沥青混凝土衬砌的水道系统的最大静水压力达到680米水头、地下厂房设置自流排水洞、采用三回500kV干在中国国内均属首例。

3.2 站址自然条件
电站枢纽主要建筑物上水库、输水系统、地下厂房洞室群、开关站等均位于大溪左岸，左高差700m左右。

上下水库库底的天然高差约590m，筑坝形成水库后平均水头570m，最大发电毛下两个水库的水平距离约1km，输水道长度与平均发电水头之比为2　5，地形陡峻。

站址区年平均降水量1849　6mm，多年平均径流量2450万m3，保证率99％的枯水年年径流量入下库的水量足以补偿蒸发和渗漏的水量损失，上水库无径流来源。

下水库百年一遇洪水为53水为859m3/s，可能最大洪水(PMF)为1280m3/s。

站址多年平均气温13.8℃。

电站枢纽所在区域的地层主要为侏罗纪上统火山岩，如含砾流纹质熔凝灰岩、流纹斑岩、岩等。

地质构造不发育，断层规模不大。

第四系地层无不良地质作用。

地震烈度小于6度。

3.3 枢纽布置
天荒坪抽水蓄能电站枢纽包括上下水库、输水系统、500kV开关站和地下厂房洞室群等部分兼交通竖井和500kV电缆竖井为地下厂房洞室群和地面500kV开关站、中控楼间的两个竖直向的通洞则是地下厂房洞室群与地面联系的水平通道(见图1、图2)。

（1）上水库
上水库位于大溪的一条小支沟的沟源洼地，集雨面积0　327km2，无天然径流注入水库。

上在洼地南端布置主坝，在洼地的东、北、西、西南4个垭口处修建4座副坝。

主副坝均采用土石2.0，下游坡1∶2.2，主坝高72m。

设计最高蓄水位905.20m，相应库容919.2万m3，死水位863 37.97万m3，工作深度42.2m，正常运行时水位日变幅28.42m。

环库顶高程908.30m，环库顶长约
上水库建设中需要解决的主要问题是大坝基础和大部分库底全风化土的处理问题。

为此主底和库岸均采用适应不均匀沉陷能力较强的沥青混凝土防渗护面。

沥青混凝土护面为简式结构为封闭层(厚2mm)，中间为防渗层(厚100mm)，下层为整平胶结层(厚80mm～100mm)。

（2）下水库
下水库位于大溪中游峡谷河段，坝址以上流域面积24.2km2。

下水库为钢筋混凝土面板堆石1.4，下游坡1∶1.3，坝顶高程350.20m，坝轴线处最大坝高92m。

坝体垫层厚100cm，垫层的渗透系数取值(K=5×10－2cm／s～5×10－3cm／s)较大，钢筋混不分结构缝。

减小垫层厚度、加大其渗透系数并放缓上游坡的目的都在于保证面板在下水库水速率高的不利条件下的稳定性。

下水库设计最高蓄水位344.50m，相应的库容859.56万m3。

下水库死水位295m，相应的库容作深度49.50m，正常运行时水位日变幅44.80m。

下水库长约2k，左岸岸边布置无闸门控制的侧型曲面贴角斜鼻坎挑流消能，右岸将施工导流洞改建为供水及放空设施。

库尾建一座拦沙坝，以拦截入库的推移质泥沙。

（3）输水系统
输水系统按照输水道最短的原则，选取了与天然河道垂直的走向。

输水系统连接上下水库，由上库进／出水口及事故检修闸门井、斜井式高压管道、岔管、管、尾水隧洞及检修闸门井和下水库进／出水口等组成，全长1415m。

上库每个进／出水口连接1条内径7m由钢筋混凝土衬砌的斜井式高压管道，每条斜井通过钢管，各接3根内径为3.2m的水平支管(高压钢管)，靠近厂房上游边墙处钢管内径渐变为2.0m以利阀。

高压管道围岩承担全部或部分水压力，靠近厂房上游边墙约8m范围的高压钢管按明管设计钢板承担。

岩石覆盖厚度满足钢衬段岩石分担最大压力的要求。

除了近厂房段采用钢板衬砌外上游水道系统均采用钢筋混凝土衬砌，其最大的内水压力达680m水头，在同类电站中是罕见的上水库进/出水口采用河岸式竖井进/出水口，下库进(出)水口采用河岸式岸坡进／出水口口均设防涡梁和分流墩，并优选平面和立面的扩散角，使得进／出水口的水头损失大大减小并出。

为了降低作用在高压钢管段和岔管上的外水压力，设置了两套排水系统：一套排水系统由钢管上方35m处的纵横排水道及廊道中竖直向下的排水孔组成，排除围岩中来自上游输水系统另一套则直接布置在高压钢管的外壁上，以排除沿钢衬与混凝土交界面的渗水，降低钢管外压（4）地下厂房、机电设备及开关站
地下厂房采用尾部布置。

地下厂房洞室群包括主副厂房洞、主变洞、母线洞、尾水闸门洞排风兼交通竖井和进厂交通洞等，地下厂房洞室群均位于流纹质熔凝灰岩岩体中。

主副厂房洞长198.7m，宽22.4m，高47.73m，中间部分为机组段，南端为副厂房，北端为号机组段长27m，其余5个机组段长均为22m，安装场长34m。

主厂房设岩壁吊车梁。

主变洞和尾
厂房，布置在下游侧。

主变洞和主厂房间通过6条母线洞及1条主变运输洞相连。

所有地下洞室衬砌，仅用喷锚支护，局部挂网喷锚或仅用锚杆。

天荒坪地下厂房利用有利的地形设置约1　6km长的自流排水洞，不必设置机组渗漏和检修部利用自流排水，杜绝了排水设备故障或断电引起的水淹地下厂房的风险，保证了电厂安全运药大量的排水设备耗电量。

电站安装6台立轴、单级可逆混流式水泵水轮机，水轮机工况额定净水头526m，单机额定大出力33.8万kW，水泵工况最大入力33.6万kV。

发电电动机为立轴、悬式、空冷可逆式同步电机，发电机工况和电动机工况的额定容量分35.0万kVA。

机组采用可控硅静止励磁系统。

水泵工况启动采用静止变频装置和背靠背启动。

电站选用6台500kV、360kVA三相双绕组，强迫油循环水冷却的电力变压器，与6台发电电动合单元，主变压器布置在地下洞室中。

500kV开关站布置在下库左岸进／出水口上方的350.2m高程平台上，总面积208m×35m，开站，两端分别布置中控楼和35kV降压站及柴油发电机房。

500kV配电装置选用SF6绝缘金属全封闭组合电器，6个间隔，地面布置。

中控室等副厂房布置在地面350.2m高程平台上。

4 天荒坪抽水蓄能电站勘测设计关键技术
设计是工程的灵魂，科技进步是建成优质工程的根本保证。

在天荒坪电站的设计中，我院才培养，设计水平瞄准世界同类工程先进水平，取得了一系列科技进步成果。

天荒坪抽水蓄能电站从规划选点开始到2000年12月6台机组全部投产，历经约二十年，工程测设计中付出了他们的聪明和才智，取得了丰硕的技术经验，解决了不少抽水蓄能建设的关键（1）探索了一套抽水蓄能电站工程地质的勘察方法；电站规模选择及枢纽、上下水库布置站址地形地质等自然条件的优势，电站的输水道长度与平均发电水头之比为2.5，加上合理的过实际运行综合效率达到90％以上；根据电站的具体情况，通过改善下水库洪水调节，提高了机（2）设计利用围岩工程地质条件好、地应力高等有利因素，上游输水系统选择钢筋混凝土最大静水压力680.2m水头，动水压力887m水头；主副厂房结构设计合理，抗振刚度大，进行了结构振动研究；地下厂房的自流排水系统提高了地下厂房运行安全性。

（3）上水库全库盆28.5万m2采用沥青混凝土护面防渗，运行显示其较强的适应地基不均匀裂缝后修补简易、修补时间较短的优点；上水库主副坝充分利用高含水量、低天然容重的全风上水库筑坝材料短缺的问题；下水库选择面板堆石坝，利用开挖碴料筑坝。

（4）完成了“高水头、大容量抽水蓄能机组参数与结构选择”科技项目；在满足可靠性和运
下，500kV电压侧选用了不完全的单母线三分段接线，优化了主接线设计，进一步降低了机电设500kV出线电缆采用交联聚乙烯(干式)电缆；发电电动机用无外加通风机的径向通风；选用500闸电阻；机组和变压器采用90年代初开始的数字式继电保护方式。

5 电站的经济效益及社会效益
天荒坪抽水蓄能电站自1998年9月电站首台机组发电到2005年，在华东电网的调峰填谷、调备用等方面做出了巨大的贡献，为整个电网的安全稳定运行发挥了无可替代的作用,电站的建设定的经济效益和显著的社会效益。

5.1 华东电网经济效益
（1）为华东电网提供高峰电量
华东电网夏季和冬季尖峰负荷要比其他季节大得多，夏季最大负荷达42170MW，而春秋季节31000MW左右。

天荒坪电站的投运，为系统提供了高峰负荷，可减少系统其他同等容量火电机组站按动态总投资计，单位造价为3647元／kW，而同期火电机组的单位造价达4500元／kw。

（2）改善华东电网调峰水平和火电机组运行条件
天荒坪电站高峰发电能力1800MW，填谷能力1900MW，峰谷最大调峰能力可达3700MW，占20峰谷差12998MW的28．4％，天荒坪电站的投运从根本上改变了华东电网基本由火电机组调峰的善电网火电机组运行的条件，减少火电机组调停次数，如1999年，仅上海电网就减少125MW机组如按平均日调峰2800MW计算，年累计调峰容量达10亿kw，则全年相当减少调停300MW机组3333启停费用50万元计，可节约启停费用17亿元。

此外，天荒坪抽水蓄能电站机组具有快速响应能力。

90年代后期，华东电网最大负荷升(卸现有各类燃煤机组热态爬(卸)荷速度每分钟大约为1～1.5％额定出力，600MW机组为10MW／min ／min，125MW机组为2MW／min，而天荒坪电站机组由静止状态到发电满载仅需2min，爬升速度空载到满载，加载速度可达10MW／s以上。

远大于燃煤机组2～10MW／min，因此，电站为电网安有利的条件和手段。

（3）为华东电网系统应急调频和紧急事故备用
天荒坪抽水蓄能电站还为电网提供较强的事故备用能力。

到1999年底，华东电网系统内单的大机组有59台，600MW的机组有12台,其中北仑港电厂5台，因此大机组跳闸或多台大机组同生的可能。

一旦1台300～600MW机组事故解列，电网可能造成频率下降0.1～0.2Hz(电网频率允0.2Hz时，时钟误差30s)，若30s内无其他机组迅速顶替，即可造成电能质量不合格。

显然，依足快速顶替的要求，而天荒坪电站在系统事故时，可在3min内紧急开启机组，并带至满负荷。

初期运行期间为系统应急调频和紧急事故备用的实例。

此外，天荒坪电站还可利用事故备用库容，顶替600MW事故容量3h或300MW事故容量6h。

机时，若系统发生事故，机组会自动退出抽水工况，并自动启动机组进入发电工况。

紧急时，可载工况紧急转换为发电满载工况，满足迅速恢复系统正常频率的要求，使电网事故的波动和损东电网的安全稳定运行起到了积极的作用。

天荒坪抽水蓄能电站还具备黑启动能力。

当电网瓦解，全部停电情况下，可帮助系统恢复当一台机组带约50MW小系统启动(厂用电负荷由厂内备用柴油机提供)，大大提高了系统安全运抵抗系统事故的能力。

5.2 社会效益
天荒坪电站的建设，大大促进了地方基础设施的建设，改善了地区交通、通讯和招商条件市场和劳动力市场，形成了现代工业和当地山区资源相结合的“安吉天荒坪风景名胜区”，带和旅游业的发展。

5.3 电厂经济效益
2001年9月原国家发展计划委员会以“计价格〔2000〕1070号”文核定本电站实行两部制上网470元/千瓦·年，电量电价0.264元/kW·h，抽水电价0.183元/kW·h，综合电价约0.70元/kW·h。

大大提高了电站的效益。

2001年，实现零亏损有盈，上缴税金1.48亿元；2002年，实现净利润总收入达到15.63亿元，净利润1.78亿元。

表2为1998－2003年天荒坪抽水蓄能电站历年发电量 6 结语
天荒坪抽水蓄能电站的建设就其规模、技术难度，在当时国内都是前无先例的，天荒坪抽建，让我院积累了抽水蓄能电站全过程勘测设计的丰富经验，锻炼培养出了一支具有较高技术勘测设计队伍，为我院目前正在开展的桐柏、泰安、宝泉、宜兴、马山等工程设计奠定了坚实可供开发的常规水电工程项目日渐减少，兴建一批抽水蓄能电站来调整和优化电源结构，将是区今后一段时间的开发方向之一。

天荒坪抽水蓄能电站从规划、勘测、设计、科研到施工建设历经了我国水电建设飞跃发展是以自己五十多年的厚积，迎来了施展才华的机遇。

好风凭借力，送我上青云。

华东院人在水出了艰辛与才智，华东院人在市场经济的大潮中开拓进取、辛勤劳动结出硕果累累，天荒坪抽水蓄能之不易，授之无愧。