［加拿大］ M·特金等

如今，可再生能源(如風(fēng)能、太陽能)在世界能源供應(yīng)領(lǐng)域里的地位越來越重要。由于這些能源為自然間斷性供應(yīng)，因而人們對(duì)在非峰荷期間存儲(chǔ)多余能量，在峰荷期間對(duì)其進(jìn)行重新分配的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)產(chǎn)生了興趣。抽水蓄能電站非常適于這一目的，因此可以說它是目前性價(jià)比最高的能夠存儲(chǔ)大量電能的方式。

由于常規(guī)的抽水蓄能電站取決于兩座水庫之間的有效水頭，因此當(dāng)?shù)氐牡匦魏偷貏?shì)會(huì)極大地限制潛在庫址的數(shù)量和位置。為了規(guī)避這一問題，一家獨(dú)立的電力制造商——河岸電力公司(Riverbank Power)，聯(lián)合AECOM工程咨詢公司，計(jì)劃開發(fā)一項(xiàng)抽水蓄能工程，即威斯卡西特(Wiscasset)工程，其下庫通過地下開挖而成，是北美擬開發(fā)的幾處站址中的第1個(gè)。

1 威斯卡西特工程

河岸電力公司開發(fā)的首座抽水蓄能電站靠近威斯卡西特鎮(zhèn)，在美國(guó)緬因州蒙特斯威格(Montsweag)灣岸邊。該海灣是席普士考(Sheepscot)河入?？谙到y(tǒng)的一部分，且緊靠大西洋。工程位于緬因州已退役的揚(yáng)基(Yankee)核電站的正北面，因此可以利用已有的設(shè)施，比如輸電線路和變電站。站址位于波士頓東北約250 km處，波士頓是新能源的重要市場(chǎng)。

完建后，威斯卡西特工程總裝機(jī)容量將為1000 MW，蒙特斯威格灣將用作該工程的上庫，電站和下庫則將在地下約600 m深處開挖。下庫將能容納連續(xù)6 h滿負(fù)荷發(fā)電的排水量。

永久性的地面建筑物基本上位于一小塊區(qū)域內(nèi)(大約60000 m2)，遠(yuǎn)離海灘。引水口、檢修和交通入口建筑物、變電站、豎井出口建筑物和交通坡道入口的地面建筑物布置在對(duì)自然資源(如濕地)影響最小的地方。

地下發(fā)電系統(tǒng)將包括:下庫、電站廠房、4根引水管、交通坡道和豎井。下庫將是工程的最大建筑物，由6個(gè)寬27 m、高48 m、總長(zhǎng)4300 m的無襯砌洞穴組成，巖石爆破量近560萬m3。在主洞穴之間開挖了尺寸較小的連接洞。另布置有一條通風(fēng)廊道，通過通風(fēng)豎井使下庫所有的洞穴與地面相通。

電站廠房洞室內(nèi)將布置4臺(tái)250 MW的可逆混流式水泵水輪機(jī)組。每臺(tái)機(jī)組均配有引水管和球閥。引水管由混凝土制成，其下部將用鋼襯襯砌。球閥的位置緊接在每臺(tái)機(jī)組的上游，用于對(duì)水輪機(jī)的檢查、維修或緊急停機(jī)時(shí)排水。通過尾水管肘管下游的獨(dú)立蝶閥，每臺(tái)機(jī)組也能與下庫隔開。

變壓器布置在電站廠房上游的開挖洞室內(nèi)?；炷霖Q井中鋪設(shè)的高壓電纜，將變壓器和地面變電站相連。電站廠房配有2條通風(fēng)豎井:一條豎井供應(yīng)新鮮空氣，另一條豎井則排出廢氣。可通過電梯豎井和永久性交通坡道(大約長(zhǎng)6 km)進(jìn)入地下樞紐。威斯卡西特工程布置狀況示于圖1，工程的主要特征參數(shù)列于表1。

表1 工程主要特征參數(shù)

2 開挖下庫的優(yōu)點(diǎn)

無論是常規(guī)布置還是地下式，抽水蓄能電站都有很多優(yōu)點(diǎn)。除了儲(chǔ)存能量外，抽水蓄能工程還具有提供峰荷、不停地響應(yīng)負(fù)荷的變化、功率調(diào)節(jié)以及轉(zhuǎn)換和備用存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)的需要，抽水蓄能電站可以在同步電容模式下運(yùn)行(即調(diào)相運(yùn)行)，為電壓調(diào)節(jié)輸出無功或吸收無功，因此，可以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

此類工程還具有其他一些優(yōu)點(diǎn)，比如選址更加靈活，可以大大減少視覺和環(huán)境的影響。

2.1 選址靈活

抽水蓄能電站可以建造在靠近主負(fù)荷中心的地方，而且最好是靠近可再生能源，這樣通過減少線路的電力損耗，可以優(yōu)化能量存儲(chǔ)的效率。如果輸電線路出現(xiàn)故障，它可以立即響應(yīng)，對(duì)系統(tǒng)可靠性的貢獻(xiàn)更大。然而，由于需要合適的地形以及必要時(shí)或許還要建造人工水庫，這樣就使得常規(guī)的抽水蓄能工程難以靠近大城市，輸電線路的施工也可能相當(dāng)困難且造價(jià)太高。抽水蓄能工程庫址使用廢棄的礦山作為下庫的可能性也不是很大，而且，這些庫址并不靠近已建的上庫、負(fù)荷中心或已建的輸電線路。采用地下開挖水庫的方案靈活性更大，并敲開了在負(fù)荷中心附近修建抽水蓄能工程的大門。

2.2 環(huán)境影響最小

當(dāng)豐富的自然水體用作上庫時(shí)，無需淹沒土地即可建造一座人工水庫。同樣，如果電站和下庫位于地下，地面建筑物將極少，只有引水口、變電站、交通入口和檢修建筑物等。引水管道的形狀設(shè)計(jì)也將考慮減小流速，以便使?jié)撛诘沫h(huán)境影響最小化。

2.3 重復(fù)利用的設(shè)計(jì)原則

此類工程的最主要優(yōu)勢(shì)是有可能在多個(gè)工程中重復(fù)應(yīng)用同一設(shè)計(jì)原則，而只需調(diào)整工程現(xiàn)場(chǎng)的特征參數(shù)。工程的主要參數(shù)依然保持不變，比如水頭、容量和發(fā)電時(shí)間;部分設(shè)計(jì)可再次用于隨后的工程，比如廠房?jī)?yōu)化。也可以保留經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的同一水泵水輪機(jī)的設(shè)計(jì)，以保證設(shè)備的可靠性并避免不必要的新模型試驗(yàn)花費(fèi)?；谝酝默F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，可以進(jìn)一步改善施工方式，因此也就減少了工程的風(fēng)險(xiǎn)和成本。

3 選擇潛在庫址的準(zhǔn)則

用于評(píng)估潛在庫址的主要因素是水文、地質(zhì)以及與輸電電網(wǎng)之間的距離。因?yàn)檫@些因素對(duì)工程的經(jīng)濟(jì)可行性有著重要影響。

3.1 水文

首先，庫址需要靠近可用作上庫的水體(湖泊或河流)。這樣就無需專門建造一座人工水庫，因而也就可以避免淹沒土地、重新建壩或建堤。水面和水量應(yīng)足夠大，這樣在電站運(yùn)行時(shí)就不會(huì)對(duì)水位產(chǎn)生明顯的影響。

3.2 地質(zhì)

地下水庫和廠房深處的巖石質(zhì)量?jī)?yōu)良是極其重要的。為避免在開挖交通坡道和豎井時(shí)延誤工期及產(chǎn)生額外的成本，因此期望從地面到地下發(fā)電綜合體所處地段的地質(zhì)狀況優(yōu)良。

為減少工程成本，形成下庫的大洞穴可以是無襯砌的。地下洞室的加固將限于常規(guī)的巖石支護(hù)，如巖石錨桿、巖石掛網(wǎng)和局部的噴射混凝土。然而，對(duì)于環(huán)繞下庫的巖石體來說，其不滲透性是至關(guān)重要的，以避免大量的水直接滲入水庫并降低電站的總效率，同時(shí)避免天然的地下水位不受影響。

3.3 與電網(wǎng)的距離

建造新輸電線路的成本不菲且復(fù)雜，包括必須獲得許可，也許還需要征地。在某些情況下，也可以考慮建造地下輸電線路。然而，這種方案的成本甚至?xí)痈甙?。因此，抽水蓄能電站距離已建的輸電線路越近，其聯(lián)網(wǎng)的成本就越低。當(dāng)然，已建輸電線路需要有足夠的輸送容量。

威斯卡西特庫址距緬因州已退役的揚(yáng)基核電站的已有輸電線路不超過1300 m。因此將使用這些已建的輸電線路和變電站。

3.4 其他

修建地下發(fā)電綜合系統(tǒng)開挖巖石方量很大，因此必須仔細(xì)研究爆破巖石的處置方案。經(jīng)過研究，認(rèn)為在當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)上銷售爆破巖石是最佳的解決辦法，對(duì)工程財(cái)務(wù)也有幫助，且還可以避免現(xiàn)場(chǎng)永久堆放。威斯卡西特庫址水路交通便捷，便于用船運(yùn)輸爆破巖石。

4 巖石開挖和地質(zhì)狀況

修建該地下電站和下庫所需的開挖量巨大，而地質(zhì)則是工程進(jìn)展順利與否的最重要因素之一。600 m深度的巨大開挖量即可說明其技術(shù)上的難度。由于巖石的穩(wěn)定性，形成下庫的大型洞穴一旦被填滿，將不易進(jìn)入，因此，必須苛求巖石具有良好的地質(zhì)力學(xué)特性以及采用恰當(dāng)?shù)你@孔和爆破方式，以獲得穩(wěn)定的洞壁和洞頂。這些方法也被應(yīng)用于布置電站成套設(shè)備的其他洞穴開挖。

綜上所述，出于經(jīng)濟(jì)原因，形成下庫的洞穴將不作襯砌。因此這些被開挖的洞穴內(nèi)的巖石構(gòu)造必須保持足夠的密實(shí)性，決不能透水。如果巖石的滲透率太高或巖石包含有喀斯特結(jié)構(gòu)，那么其容納的水可能將滲入到下庫，這樣就會(huì)導(dǎo)致有效庫容縮減。而不滲透的巖石將能確保電站的正常運(yùn)行，且不會(huì)對(duì)自然水體產(chǎn)生任何影響。

確定地下建筑物的幾何形狀時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到巖石的性狀、安全性、施工方式、施工效率和地產(chǎn)問題。洞穴的拱形寬度和相對(duì)平坦度可以起到橫梁的作用。中央導(dǎo)洞法以及接下來的巖石加固，則能確保巖石拱形的穩(wěn)定性。兩個(gè)相鄰主洞室之間柱子的寬度，適于提供長(zhǎng)期的穩(wěn)定性并防止來自相鄰廊道的滲透。對(duì)所有的地下建筑物，都將使用常規(guī)的鉆孔和爆破技術(shù)進(jìn)行開挖。

規(guī)劃了標(biāo)準(zhǔn)的巖石加固方案，擬使用預(yù)應(yīng)力巖石灌漿錨桿。在巖石條件差的情況下，將使用有或沒有掛網(wǎng)支護(hù)的噴射混凝土，而且，為了安全，施工時(shí)將在拱壁上掛一靈活的鐵絲網(wǎng)，施工結(jié)束之后再將其移走。采用階梯式開挖來加深洞穴，要求周邊爆破受控，以保持最終巖壁的穩(wěn)定。

為了盡量縮短工期，將使用常規(guī)的鉆孔和爆破技術(shù)開挖坡道。還計(jì)劃在坡道表層上鋪設(shè)混凝土板，以提供一個(gè)永久的交通面。對(duì)坡道開挖的工期要求嚴(yán)格，應(yīng)在地下發(fā)電綜合系統(tǒng)開挖前完成。為了提高工作效率，提出了一個(gè)螺旋坡道的理念以獲得幾個(gè)工作面，在螺旋坡道的旁邊開挖2條豎井通往電站層，這樣就能加快鉆孔爆破方式的工作進(jìn)度。因此，同時(shí)開挖了多個(gè)作業(yè)前緣(一個(gè)從入口處開挖，其他則從豎井處開挖)。而最佳作業(yè)面應(yīng)該是在入口處，因?yàn)榇颂幙梢允褂么笮蜋C(jī)械。

到目前為止，威斯卡西特庫址的鉆孔結(jié)果和巖芯采樣分析結(jié)果表明，在電站和下庫的深度范圍內(nèi)，巖石質(zhì)量為優(yōu)良到極佳等級(jí)。水壓試驗(yàn)結(jié)果也顯示巖體的滲透性小。

5 最佳深度

下庫為地下式的抽水蓄能工程，其總水頭的確定并不受限于地面地形。在確定下庫和地下電站廠房深度范圍內(nèi)的地質(zhì)條件適宜以后，即表明可以選擇任何范圍的水頭。當(dāng)然，必須對(duì)水頭進(jìn)行精心優(yōu)化，以使工程的成本最小化。

對(duì)于給定的裝機(jī)容量，水輪機(jī)的流量將與水頭成反比。因此，水頭越高，同一發(fā)電量所需的流量就越小。水輪機(jī)流量減少，可以選用較小的引水管、閥門和水輪機(jī)，更重要的是，在發(fā)電時(shí)間相同的情況下，可用較小的下庫。另一方面，電站布置的較深，意味著與其配套的引水管、交通坡道和豎井也會(huì)相應(yīng)較長(zhǎng)。此外，還要考慮到施工難度和開挖成本，電站和下庫在地下布置的位置越深，預(yù)計(jì)其施工難度和開挖成本就會(huì)越高。

決定水頭的另一個(gè)重要因素是水泵水輪機(jī)的型式。對(duì)于水頭小于650 m的，采用可逆單級(jí)混流式水泵水輪機(jī)是一個(gè)非常高效的方案。它既可以作為水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以逆向作水泵運(yùn)行，非常緊湊的布置可以減少設(shè)備及土建工程的成本?？梢哉{(diào)節(jié)的導(dǎo)葉能夠很好地控制機(jī)組的功率且效率高。可逆混流式水泵水輪機(jī)已被證實(shí)技術(shù)成熟，且可由多個(gè)廠家供應(yīng)。在過去的40 a里，已有許多類似或更大的水泵水輪機(jī)投入商業(yè)運(yùn)行。

對(duì)于水頭超過650 m的，預(yù)計(jì)可逆混流式水泵水輪機(jī)的效率會(huì)降低，具有過往經(jīng)驗(yàn)的供應(yīng)商非常有限。對(duì)于這種較高的水頭而言，一臺(tái)沖擊式水輪機(jī)組合一臺(tái)多級(jí)水泵，可能是一種更為適宜的方案。在這種配置情況下，水輪機(jī)和水泵是分離的兩臺(tái)水力機(jī)械，由一根軸連接到電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)上。然而，與同樣容量的可逆混流式水泵水輪機(jī)相比，上面那種設(shè)備的配置成本相對(duì)較高，而且需要較大的電站廠房。

總之，確定水頭是一項(xiàng)尋求最小開挖量和對(duì)設(shè)備成本進(jìn)行優(yōu)化的過程，當(dāng)然必須是在不放棄設(shè)備的整體可靠性原則的前提下。在工程的前期評(píng)估研究中，已經(jīng)將最大靜水頭設(shè)定為573 m;在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，由于可以獲得現(xiàn)場(chǎng)查勘結(jié)果以及更加準(zhǔn)確的成本，因此，將對(duì)已確定的開挖深度進(jìn)行修改和進(jìn)一步優(yōu)化。鑒于可逆混流式水泵水輪機(jī)技術(shù)的最新進(jìn)步，預(yù)計(jì)最大凈水頭最終會(huì)上升到600～700 m。

6 結(jié)語

初步評(píng)估研究和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)查勘結(jié)果證實(shí)了將建于緬因州蒙特斯威格灣1000 MW的威斯卡西特工程的可行性。目前正在進(jìn)行具體的工程現(xiàn)場(chǎng)查勘，查勘結(jié)果出來之后，將進(jìn)入詳細(xì)的工程施工設(shè)計(jì)階段。