瑞士在建的 N.D.德朗斯地下抽水蓄能電站

[瑞士]J.愛貝哈德

馬元珽 譯自英刊《水電與大壩》2010年第5期

經濟增長、公共交通運輸的不斷增加、新的間歇性可再生能源(包括風電)的提供,要求更加靈活的可輸送電力以及增容。一項重要的挑戰是不斷增加能源貯備,保證供電穩定,同時又能靈活地調節峰荷容量。

在建的 N.D.德朗斯地下抽水蓄能電站,旨在通過提供環境良好的可再生能源,以應對這一挑戰。

1 兩座水庫的互連

工程涉及在兩座已建的埃莫松(Emosson)水庫和老埃莫松(Vieux Emosson)水庫之間的一個地下洞穴中修建一座抽水蓄能電站。這兩座水庫位于瑞士瓦萊州的馬蒂尼(Martigny)和沙莫尼(Chamonix)鎮之間的芬豪特(Finhaut)市。工程于2009年開工,設計為周調節電站,用于調峰發電。水將從老埃莫松水庫經電站發電后流入埃莫松下庫。在夜間和周末,電力需求下降時,再將水抽回到上庫。平均水頭為 300m。

兩座水庫之間的水平距離較近,對于修建抽水蓄能電站很理想。電站可在2 min內發出額定容量。在抽水運行期間,功耗也可調節。靈活性是該系統的優點之一,這樣就可以使 N.D.德朗斯抽水蓄能電站非常適合于調整峰荷與谷荷時段的矛盾。N.D.德朗斯工程平面布置示于圖1。

圖1 工程平面布置示意

2 現有的蓄水設施

在阿爾卑斯山新月形地區,其可用于瑞士和歐洲電網發電的蓄水資源的利用率很低。

目前,瑞士抽水蓄能電站的發電容量只有300MW。此外,總共1200MW的抽水容量主要用于供水。與瑞士供電容量日變化5000MW相比,該值很低。而在德國,來自風力發電的容量變化更大,已達15000MW。

3 工程開發商

認識到對抽水蓄能的需求后,瑞士討論了新的方案,關鍵是考慮找到有潛力的投資者和機構形式。

阿匹克控股公司(54%)、SBB(36%)和 FMV(10%)組成了一個財團,形成了 N.D.德朗斯工程的投資機構。該公司注冊為 N.D.德朗斯股份有限公司,并于2008年 8月取得了聯邦執照和規劃許可,幾乎在同時,立即設置工地下屬機構。工程施工期約為7a。

從20世紀20年代起,SBB公司就參與水電工程建設,在50年代,該公司還參與了老埃莫松水庫的施工。阿匹克控股公司持有埃莫松電站50%的股份,埃莫松水庫是瑞士第二大水庫,作為該抽水蓄能系統的下庫。FMV電力公司作為瓦萊(Valais)州的法定管理參與方,以州公司身份參與。

瑞士 SBB鐵路公司的主要目標是為日益增加的需要通過鐵路運輸 N.D.德朗斯項目所需材料及設備提供牽引動力,而 Alpiq和 FMV的要求是保證為瑞士電網增加峰荷電力。

4 工程概要

直到現在,老埃莫松水庫仍只是單一用于常規水電蓄水,目前,在冬季開始向埃莫松水庫放水。

該抽水蓄能電站的水輪機最大容量為 630MW,抽水模式下水泵耗能為 620MW。要求壓力鋼管尺寸很大,為增加可用性,選擇了一個雙線高壓管道系統。兩臺機組,每臺約150MW,各由一條壓力鋼管供水。兩條垂直壓力隧洞,直徑為6.5m。兩條壓力鋼管,額定流量均為120m3/s。按照規劃的運行方式,年發電量為1500GW?h。為此,要求抽水能量為1800GW?h。

水力方案的設計基于周調節。根據上、下庫的蓄水位,考慮到水頭變化大,因而決定采用在夜間和周末抽水。規劃采用可變速異步發電機。

為保證頻率穩定性,將采用最現代化的電子設備。這樣可使水輪機在最高效率下運行,甚至在水泵運行方式下也能對負荷進行微調。由于具有此能力,可對瑞士電網的運行穩定性做出很大貢獻。

機組將安裝在一個巨大的地下洞穴中。三相變壓器和電力開關系統將布置在另一個洞穴中。洞穴頂部巖石厚度約為500m。工程不會影響原先完好的河道,流水不會產生上下涌流。水只在相距1.5 km的兩座現有水庫之間,通過地下隧洞來回流動。因此,這些集水區的施工相當困難。只有在埃莫松水庫水位很低的較短時期內,才能進行施工。

此外,提出了增加 900MW容量的方案。這需擴建壓力鋼管,并增加2臺機組。

5 隧 洞

一條長5.5 km的交通隧洞作為通往洞穴的交通通道,該隧洞始于靠近沙特拉德村的峽谷,隧洞在埃莫松水庫以下 300m處通過。在施工期,洞穴和壓力鋼管所有開挖料的出渣均由該交通隧洞運出,渣料將堆放在 SBB公司沙特拉德管理中心與已建的調節水庫緊靠的隧洞入口附近,需堆放約100萬m3疏松的巖石。這意味著工地交通運輸可保持在最少限度。將來,工程建成之后,該交通隧洞也將于用于運行、電力提供與輸送。還有一條從洞穴區至地面的較小的用于緊急情況下的人員疏散和通風的隧洞。

還將鉆一條輔助隧洞,用作至施工工地的交通。這意味著沙特拉德村不會受工地交通的干擾。送電線路經交通隧洞入口處,通過現有的電網線路,連接到馬蒂尼附近的 380kV的高壓電網。這就迫使經過瓦萊州的 380kV輸電線必須按期完工。

工程施工期為7a,機組將最早在2016年投入試運行。

6 電站的運行效益

可以認為,對調節能力和容量的需求將繼續增加。然而,實際上瑞士的調節蓄水潛力已開發完,在某些鄰國,用以提供基荷的工程(如燃煤火電站、核電站、燃氣聯合循環電站)仍在不斷建設。在歐洲互聯電網中,現在使用的電力仍有約 90%是來自基荷電站。

可再生能源,如風電和太陽能電力不能完全預計,它們僅提供間歇電力。在建設 N.D.德朗斯電站期間,全歐洲預計開發約 40000MW的風電。因此,由本工程提供的可預計和調節的電力,對于調節邊緣能源變化的需求和供應具有特殊意義。

預測 N.D.德朗斯電站的水循環效率略高于80%。首先,水泵運行所需電力須來自電網。能量二次轉換損失不僅由供需雙向轉變的效益補償,而且也可由谷荷期電網的多余能量補償。

在評估任何像 N.D.德朗斯抽水蓄能電站這樣的工程時,必須在抽水損耗與多項效益兩方面仔細權衡。這里沒有展開討論的一個重大附加效益是,與其他類型的供電調節和貯能相比,抽水蓄能是一種生態安全的方式。大型水電站的擴建,即使僅涉及到增容,也可大大有助于達到國家與國際的排放目標。