1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
抽水蓄能电站在引水式电站基础上，结合各地地势条件输水隧洞延长，高差增大，实现势能-动能-电能闭环转化利用，极大提高了电能产品的利用率。当今世界上第一座抽水蓄能电站-“苏黎世奈特拉抽水蓄能电站”始建于上世纪 90 年代，开启了抽蓄电站行业建设发展的新征程。其后日本 1931 年建成小口川第三水电站，突破了传统单一的纯蓄能调水的工况模式，开创了混合式抽水蓄能电站新模式。第二次工业革命后欧洲电气行业发展迅速，一大批抽水蓄能电站在欧洲也迅速发展壮大，为欧洲工业发展提供了重要的能源供应，其中建设装机规模最大的是 1943 年德意志联邦共和国修建的维茨瑙抽水蓄能电站，装机容量高达 220KW，自此欧洲及日本等先进国家迈入抽水蓄能行业稳健成熟发展时期。
我国抽水蓄能电站建设受第二次世界大战影响发展较慢，建国初期以前国内还没有抽水蓄能电站的概念，大工业发展时期从苏联引入相关抽水蓄能发电技术，到 1994 年第一座混合式抽水蓄能电站—岗南水电站在石家庄建成，装机容量达 11MW，开启了我国能源行业发展的新篇章。改革后我国发展速度加快，对供电需求量也迅速增加，抽水蓄能技术引入有效缓解了供电压力，很快一大批抽水蓄能电站在我国各地建立起来。21 世纪以来我国抽水蓄能电站累计装机量稳步上升，截至 2018 年我国累计装机规模达 29.99GW，建设规模为 3871 万千瓦，2019 年我国全国水电发电量 11534.4 亿千瓦时，预计到 2020年底装机规模累计达到 40GW。目前我国的发电装机容量居世界第一，抽水蓄能技术占据世界领先地位，抽水蓄能行业已成为我国低碳发电的主力军，拥有广阔的市场发展前景。
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1.2 输水隧洞洞径发展现状及研究目的
1.2.1 隧洞洞径研究进展
早期抽水蓄能电站输水隧洞洞径、压力管道和调压井的构造与常规水电站基本相同[3]。设计参考引水电站和压力钢管直径的方法，主要包括公式法（如国外彭德舒公式[4]、G.S.Sarka·ia 公式[5]、Bier 公式[6]、美国垦务局公式以及国内的经济流速公式[7]等）、枚举法[8]。新中国成立后，在周总理号召下我国水电行业发展迅速，其中三门峡水电站和刘家峡水电站为代表的我国独立设计建设电站蓬勃发展，同时也是隧洞洞径技术优化的高峰期[9]。徐关泉提出水电站压力钢管最优管径序列的确定方法，为多管径方案比选提供新思路[10]；李春华[11]、陈家远[12]、陈彦硕[13]、万文强[14]等人针对水电站压力输水管经济直径计算方法和过程研究，进一步简化钢管径方案设计过程；随后郑明芬[15]、罗绍蔚[16]等人针对水电站压力管道设计后期经济直径的选择进行优化，逐步建立起完整的水电站压力钢管直径设计体系。
目前国内外对输水隧洞的研究对象多集中于中短距离、中等直径、单斜井式隧洞的引水隧洞[17]。随着抽水蓄能电站的快速发展，为适应工程实际需求，1955 年苏联电站建设部在压力管道直径研究基础上逐步建立出了抽水蓄能电站输水隧洞洞径研究理论方法[18]。后 60、70 年代我国水工隧洞设计暂行规范修编工作小组编写了适用于我国电站建设条件的《水工隧洞设计暂行规范修编说明》[19]；后期汪胡祯[20]系统归纳了水工隧洞的设计理论和计算方法，形成输水隧洞洞径设计体系；随后张烈民[21]、张世玲[22]提出针对大流量、大洞径的水工隧洞的直径计算方法。但洞径方案评估工作量较大，针对该问题党连文（1993年）[23]在规范基础上，根据最小年费法找出和隧洞洞径优化相关的各个因素之间的关系，并在此基础上推导出计算洞径经济尺寸，但该方法没有考虑各因素对隧洞过流面积影响的权重，因此计算结果误差偏大；随后刘斌[24]（2002 年）建立抽水蓄能电站经济直径的多维数理方程，将经济洞径的评估过程转化为求解最小总费用。其方法有效减少了方案设计的工作量，且计算结果更加精确。ShiyongWu[25]、ZulfuGurocak[26]将输水系统洞径各项围岩相关参数归纳总结，分析围岩类别对建设成本的影响；张克诚通过数理方法分析各工程参数与洞径的影响权重，数据处理后初步归纳成洞径公式，该公式首次以数理公式量化洞径设计，将方案评估统一归纳为经济指标，此后成为输水隧洞洞径设计的经验公式。
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2 抽水蓄能电站输水隧洞洞径设计原理及方法研究
2.1 输水隧洞洞径设计原理
抽水蓄能电站的水力特征、运行工况、时间和经济效益评估方法比传统引水式电站更加复杂。因此在洞径方案设计前期，分析抽水蓄能电站洞径方案的设计原理和设计方法尤为重要。
2.1.1 抽水蓄能电站工作原理及水力特征
发电产业较其他生产行业具有特殊性，其生产产品电能属于一次性能耗品，不能将过剩的电能存储供后续使用，采用高压电网运输成本较高，且地域局限性较强，仅限于邻近区域。故发电产业要求随时根据电量需求调整发电量以保证其经济效益最大化，而传统火力发电、风力发电生产系统均无法实现灵活调整其发电量，故可能存在电能过剩或电能不足的情况，但抽水蓄能电站通过调节上下库水能状态，通过水头的势能-动能-电能各种状态的转化及时调整产量，有效解决了电能的存储问题。当电能产量过剩时，抽水蓄能电站利用剩余电能将水从下水库抽到上水库，将电量暂时以较高水头势能存储起来，等随后电量需求量增加时再将上水库的水能下放至下水库，此时水头的势能转化为动能，经发电机将动能转化为电能传送至电网。因此，抽水蓄能电站平衡了火电站供电限制，极大提高了电网供电率。
抽水蓄能电站工作原理直接影响输水隧洞设计全过程。一次完整工况运行水流经过输水隧洞产生两次水头损失，因此输水隧洞设计要分别计算发电和抽水两种工况下产生的水头损失和经济效益损失。将建设期费用成本和运行期各工况水头损失导致经济效益减少值求和，利用总费用效益损失最小准则进行洞径方案评估，故经济洞径确定是个各项费用联合求解最小值的比较过程。
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2.2 输水隧洞洞径设计方法研究
2.2.1 动态年费用理论
抽水蓄能电站的建设期和运行期较长，费用效益计算时需考虑资金的时间价值。资金投入货币市场周转流通过程中，货币的价值随流通时间延长而增大，增加的这部分资金价值就称为资金的时间价值。资金时间价值是客观真实的价值存在，他是关于流通时间的数学函数，和流通时间呈正相关。需要注意的是资金时间价值与市场通货膨胀导致的货币购买力下降这两个概念不同，资金可以购买相同价值的商品，只有当资金和劳动力或劳动产物进行交易，资金才能在流通过程中产生时间价值；而通货膨胀现象是因为当市场流通货币量大于商品，商品价值上涨，货币的购买力下降导致货币贬值。
资金时间价值的计算方法和银行计息原理相同，包括单利和福利两种类型。单利计息即每计息期均根据原始基础资金计息，故各期利息额相同，和时间参数无关；复利计息每计息期基础资金为上期本利和，故各期利息不同，是关于时间的正函数，故复利计息考虑了资金价值累加部分，其计算方式称为银行，企业财务评估的重要手段。目前抽水蓄能电站运营期经济效益现值通常采用复利计息的方式。
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3.1 洞径费用－效益损失现值集合............................................ 11
3.2 输水隧洞洞径评估现值模型................................... 11
4 总费用现值模型优化.........................................19
4.1 围岩条件对总费用现值模型影响............................ 19
4.1.1 我国电站选址地质条件概况....................................... 19
4.1.2 不同围岩类型的建设费用....................................... 22
5 基于镇安抽水蓄能电站输水隧洞洞径的总费用模型应用....................................47
5.1 镇安抽水蓄能电站工程概况...................................... 47
5.2 镇安总费用现值模型构建....................................... 47
5 基于镇安抽水蓄能电站输水隧洞洞径的总费用模型应用
5.1 镇安抽水蓄能电站工程概况
镇安抽水蓄能电站输水系统布置于月河右岸山体中，沿线山体雄厚，为中高山地形，地面高程在 894m～1310m 之间。隧洞沿程布置主要包括上平段-中段、下斜井、下平段和尾水段，上平段－中段隧洞围岩以微风化结晶灰岩为主，以Ⅱ类为主，掺杂少量石英片岩，全线长 716.15 米。下平段～下斜井段围岩为新鲜的块状花岗闪长岩，全线长 256.65 米。上下水库进/出水口水平距离约 1555.7m，距高比为 3.5。本电站尾水洞采用 1 洞 2 机布置，总装机容量 1400MW，共四台机组。电站发电额定水头 440.00m、最大水头 477.50m、最小水头 411m，额定发电流量 92.0m3/s；抽水工况最大扬程 489m、最小扬程 427.5m，最小扬程抽水流量 78.5m3/s。电站运行期为 30 年，电站年运行费用约为其投资的 2.4%。上网电价为 0.4362 元/ kW·h，年利率为 6.55%。原方案设计Ⅰ段洞径 6.5m， Ⅱ段洞径 6m 。
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6.1 研究结论
本文通过分析抽水蓄能电站的运行特点和现有洞径方案设计方法，结合建设期和运行期各因素对洞径的影响范围，建立成本-效益损失总现值模型，采用动态年费用现值最小为评价指标，经计算分析得到如下结论：
（1）在深入研究水电站隧洞洞径设计方法的基础上，考虑电站运行期资金时间价值，针对抽水蓄能电站的运行特点，本文提出适用于其洞径分析计算的模型：成本-效益损失现值模型。该模型研究抽水蓄能电站运行工况特征和建设成本等主要因素与洞径的关系，更加贴合抽水蓄能电站实际洞径设计情况。
（2）将成本-效益损失现值模型中各因素与洞径关系转化为统一现值评估指标，最终表示为关于洞径的一元多次函数，利用连续函数导数求极值的办法求解经济洞径值，该方法极大简化了隧洞洞径方案评估过程。
（3）统计目前国内典型抽水蓄能电站资料，收集各工程输水隧洞段建设地质条件、设计方案和运行期各工况运行时间、设计过流量、机组效率等与洞径设计相关影响因素，综合分析单因素和多因素作用条件下总现值随洞径的变化情况，研究结果得出在考虑多因素条件下，抽水蓄能电站输水隧洞的经济洞径比传统《水工隧洞设计规范》较大，经济流速取值范围 3.7～4.1m/s 之间。
（4）为进一步验证本文研究结果的可靠性，选择镇安、深圳、仙游和蟠龙四大抽水蓄能电站为案例，结合各工程特征和电站运行方案，计算其经济流速和洞径，计算结果均在上述范围之内，证明该结论是符合工程实际的。故对于大流量、高水头的抽水蓄能电站洞径设计方案，建议相关规范可根据实际工程情况减小经济流速，调整经济流速取值范围至 3.7～4.1m/s 之间以适应工程实际情况。
参考文献（略）