歐洲抽水蓄能發展的可行性研究

[英國] P.雷諾茲

歐洲抽水蓄能發展的可行性研究

[英國] P.雷諾茲

抽水蓄能可解決間歇性可再生能源分布不均的問題，而地下工程是其重要組成部分。分析了挪威水電站運行模式的變化及其所帶來的風險，并提出可通過數據監測和建模解決相關問題。挪威為德國乃至整個歐洲抽水蓄能的發展提供了一個宏大的解決方案。德國目前也正在對其國內各種潛在的抽水蓄能項目展開研究。

抽水蓄能電站；再生能源；水電站運行；挪威；德國

隧洞是許多抽水蓄能方案的一個主要部分，其設計和維修是挪威正在進行研究的一關鍵環節。如果該國的水電部門計劃提供宏觀的解決方案，包括大量的大型抽水蓄能方案，以幫助應對歐洲(主要是德國)輸電網間歇性可再生能源分布不平衡的影響，那么這項工作更是至關重要。

德國正從核能和褐煤完全轉向再生能源，尤其是風能和太陽能。即使世界范圍內大型單個項目的類型沒有發生變化，人們還是以一種全新的視角審視抽水蓄能項目。用于該研究和計劃的潛在壩址已確定，包括圖林根州和巴登-符騰堡州選定的壩址。

1 挪威電站運行模式的變化

按照“綠色電池”方案，挪威正計劃大規模開發其南部水電資源，平衡歐洲大陸再生能源輸出中出現的波動。如果沒有這種大規模的、動態的和存儲的資源，電網的效率和穩定性就會存在風險，也無法有效地消化掉剩余的電力。

挪威可能轉向區域性且綜合性的抽水蓄能管理的準備工作包括對現有資產(如需要運行的隧洞和水電站)的嚴格評估。但是，需要檢查水電站和基礎設施是否會受到新環境的負面影響，一旦出現問題，則需要解決如何減少和消除這種潛在風險。

挪威科技大學(NTUN)的研究人員一直在研究挪威水電站運行模式變化所帶來的可能的后果。所開展的研究包括對泥沙治理的特定安排、水電隧洞中的泥沙狀況，及泥沙對特殊氣墊調壓室的影響與作用的調查。

挪威科技大學的基林特威特指出，間歇性且更多變數的可再生能源發電站(風能、太陽能、小水電)的引進，導致發電更加不穩定，需要去平衡其他的資源來源。

他指出，挪威幾乎沒有火電，依賴水電站達到平衡，這導致了發電的多變性。這種趨勢可能繼續，并有可能加大，尤其是由于“綠色電池”計劃的實施。

他還補充道，快速變化和更頻繁的啟停電站將成為挪威許多水電站正常的運行模式。

2 運行模式變化所帶來的風險

挪威水電站裝機容量如果超過10 MW，都配有發電隧洞，而且大部分是無襯砌的，靠近地下廠房的除外。

基林特威特指出，引入的不同的運行模式，及其對隧洞中水流動力的影響，會影響到地下基礎設施的結構以及水輪機的耐久性，也可能對電站泄水排入的河流和其他水體產生局部影響。

他指出，當評估修復或改造工程時，需要權衡可能的后果。重要的是要了解更多變數的水流具有什么樣的影響，以及在不產生問題的前提下能承受的最大改變。

他指出，需要對引起的各種變化進行探討，如隧洞內侵蝕風險以及水輪機過沙量的變化。冰和流量變化也會對尾水排放處的魚類產生影響。

一些現有電站已發生了某些改變，潛在著受損、停運及經費問題。在這些情況下，通過電站的砂礫石甚至小石塊持續不斷的輸移，都會引起嚴重破壞，甚至長期停運修復。

3 隧洞中淤積的泥沙

挪威水電產業的重大擴張發生在20世紀60～80年代，這些項目涉及大量地下工程。建設過程中標準化的程序是在隧洞底部鋪一層廢渣，該層厚約150 mm，之后如果需要可用于維護和實施修復工作。

基林特威特指出，只要流量相當穩定，流速不大于預期，該層通常是穩定的。只有一些細石料會被帶入水輪機，一般不會產生太多問題。

裝機容量或調峰時電站的使用率會增加，但隧洞基底層可能被破壞。

在減少沿隧洞水流中的泥沙荷載中，沉沙池起到了至關重要的作用。沉沙池布置在壓力管道上游，通過局部加大隧洞洞徑，減小流速，使較重的物質沉于池底。每隔一段時間，作為維修管理工作的一部分，沉積物會被清除。

基林特威特指出，盡管會有困難，還是設計了沉沙池，沉沙池或許不會取得預期的效果，特別是在提高流速方面。他還指出，在這種情況下，即使很小的石塊通常也不會在水流中下沉，而會被攜帶進入電站，破壞水輪機。

甘·布萊特威特博士正致力于研發一種工具，用以預測液壓系統中負荷波動的影響，包括對沉積物和沉沙池的影響。

4 調壓室

調壓室是調節水工隧洞水流動態的關鍵部分，可減緩水流和壓力變化的影響，特別是水輪機或者水泵-水輪機突然啟閉所引起的水流和壓力的變化。

露天調壓室在水電站中很常見，一般建在上游渠首(低壓)和陡峭的隧洞與鋼襯壓力管道(高壓)的連接處，例如很多的阿爾卑斯(Alpine)工程。然而，在挪威，由于覆蓋層深厚，形成的理念不同，建露天調壓室是不可能的。

挪威地質條件好，其巖體質量和巖石應力狀況有益于修建全封閉式的地下調壓室。調壓室中滯留的空氣能緩沖并減少隧洞內的湍流。因為貫穿整個上庫到下庫的隧洞為一連續的、承壓的傾斜隧洞，而氣墊調壓室便于以不同的方式修建隧洞。事實上，調壓室也可緊靠地下電站上游布置。

挪威水電站運行模式的變化，可能會使水力設施內的流量及壓力產生更大的變化，并對其結構產生潛在的影響，如氣墊調壓室需要進行檢修。

挪威正在開展對調壓室的研究。

5 監測與建模

基林特威特指出，地下工程系統，特別是那些長隧洞，包括進水口、調壓室、壓力管道、閘門和閥門，其流體力學特性非常復雜。流速加大可能導致侵蝕甚至將泥沙沖出沉沙池。

基林特威特指出，很難預測、觀察并了解像這樣的關鍵性事件，尤其是因為隧洞內通常不能安放足夠多的儀器以提供更多的監測數據。他認為解決該問題的方法就是使用數值模擬，條件是要有足夠的信息，即與輸電網不同運行要求相關的空間與時間特性。

他認為，在一個新的運行模式下，數值模擬可以幫助確定可接受的變化程度，而且這也有助于對潛在問題的解決措施進行評估。

關于沉積物的研究，如通斯塔德(Tonstad)電站的現場作業包括通過激光掃描對排水隧洞的原位量測。然后將這些數據用來建立三維模型，用以水工隧洞水流的數值分析。實驗室物理模擬工作也正在進行中。

數值模擬在現代調壓室設計中顯現出了其強大功能。然而物理模擬并不是主要的選擇，主要是由于可將以前設計中的簡單方程更細化和復雜化，從而得到數值模擬方法。然而，當調壓井變得越來越復雜，還是需要通過物理模擬進行驗證。

物理模擬和數值模擬相結合已成為歐洲大型抽水蓄能工程的衡量標準。

6 德國工程研究

源于來自挪威大規模的、戰略性的抽水蓄能計劃的支持，德國正在對國內擬建電站的可行性進行研究。對各種潛在的抽水蓄能項目的研究已展開，包括位于圖林根州斯特拉堡兩個壩址的比選，以及巴登符騰堡能源集團(EnBW)位于福爾巴赫R.費特威斯(Rudolf Fettweis )電站的改造與擴建。

1 a多前，斯特拉堡宣布，它正計劃與未來的投資者一道在德國的中部修建一座抽水蓄能工程。建設集團的一位發言人指出，該工程的候選壩址有埃爾里希(Ellrich)、 洛伊滕貝爾格(Leutenberg)/普羅布斯策拉(Probstzella)，研究仍在繼續。

未來的項目要求地下基礎設施連接相應的上庫和下庫，并能容納廠房綜合設施。在設計階段， 裝機640 MW的埃爾里希工程設想的庫容為630萬m3，裝機380 MW的洛伊滕貝爾格工程/普羅布斯策拉工程的庫容則為410萬m3。

當時估計修建兩座電站的費用將分別超過7.5億歐元和4.5億歐元。公司預計，到2020年初，上述兩座電站中的一座將投產。

在德國的西南部，除了43 MW施瓦岑巴赫(Schwarzenbach)電站，EnBW樞紐還包括一些小型電站。這些工程幾乎都是一個世紀前分兩個階段修建完成的。

對兩座抽水蓄能電站的新方案進行了詳細察看，其中一座裝機容量200 MW，另一座裝機容量70 MW，用來替代現有的施瓦岑巴赫電站。

擬建的抽水蓄能電站會配有地下基礎設施，裝機200 MW的工程設置有隧洞和廠房洞室綜合設施，而裝機70 MW的工程則配有豎井式廠房和地下下庫。

7 結 語

由于間歇性可再生能源和能源存儲的需求，抽水蓄能電站大有方興未艾之勢。

挪威可為德國和歐洲提供一個宏觀的、網絡化的抽水蓄能方案，德國本身也正在對更多的地方項目的可行性展開研究。

但無論選擇什么類型的方案、設計和布置，都將對歐洲大陸輸電網發揮舉足輕重的作用。可以確定的是，地下工程的施工、維護和研究將會是抽水蓄能計劃的一個固定組成部分。

(黃麗瑾 朱曉紅 編譯)

2014-11-17

戰略與規劃

1006-0081(2015)01-0001-03

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