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        日本水電發(fā)展歷程

        2013-04-09 14:43:30日本吉津洋一
        水利水電快報(bào) 2013年1期
        關(guān)鍵詞:發(fā)電廠

        [日本] 吉津洋一

        日本群島中部高山綿延眾多,年降雨量約為1700 mm,為日本開發(fā)水力資源創(chuàng)造了有利條件。2011年總裝機(jī)容量與總發(fā)電量分別為48 GW與74 TW·h,分別約占整個(gè)電力系統(tǒng)總量的17%與8%。

        日本的早期電站通常為小型徑流式電站,由于發(fā)電機(jī)組出力不足及輸電電壓偏低,電站通常建在離用戶非常近的地方。隨著遠(yuǎn)距離高壓輸電系統(tǒng)的發(fā)展,日本開始在山區(qū)開發(fā)更大容量的水電站。

        1911年,日本電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。隨著設(shè)計(jì)水平與施工方法的不斷改進(jìn),日本開始有能力開發(fā)大庫容水電站,因此該時(shí)期水電比火電更具價(jià)值。

        1951年,國家電力公司被分解為9個(gè)地方電力公司,各個(gè)電力公司在同一(不同)流域的各個(gè)管轄區(qū)域內(nèi)負(fù)責(zé)水電項(xiàng)目的開發(fā)。20世紀(jì)60年代,抽水蓄能電站的出現(xiàn)縮小了晝夜用電需求的差異。

        近來,日本為給國內(nèi)提供清潔的可再生能源,除了繼續(xù)開發(fā)經(jīng)濟(jì)可行的大型水電站外,也逐漸開始開發(fā)小型水電站。同時(shí),對現(xiàn)有水電設(shè)施進(jìn)行了重建與升級改造,以達(dá)到修復(fù)、改善功能、保護(hù)環(huán)境及提高安全性的目的。

        下一階段的發(fā)展目標(biāo)是利用間歇性的風(fēng)能和太陽能等輔助發(fā)電設(shè)施,繼續(xù)發(fā)展可調(diào)速抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)。

        一些運(yùn)行多年的大壩和水庫,雖然引進(jìn)安裝了沖沙設(shè)施及旁路隧洞,但清淤問題仍面臨著挑戰(zhàn)。

        1888年,日本仙臺市首次進(jìn)行水電開發(fā)并將其用于室內(nèi)紡織業(yè)。1891年京都修建了第1座商業(yè)電站。蹴上(Keage)水電站通過琵琶湖運(yùn)河將湖水引入電站發(fā)電,運(yùn)河同時(shí)兼有灌溉及消防功能。自從1869年首都火車站從京都遷往東京后,京都經(jīng)濟(jì)開始萎靡不振。琵琶湖運(yùn)河方案刺激了京都的工業(yè)活動,有助于其經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)。

        1 大壩及水電站建設(shè)歷程

        日俄戰(zhàn)爭(1904~1905年)后,日本經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)快速增長。隨著居民照明用電及工廠電氣化生產(chǎn)用電需求的不斷增加,電力行業(yè)的地位顯得越來越重要。

        大正時(shí)期(1912~1926年),二戰(zhàn)開始前的日本經(jīng)濟(jì)保持令人矚目的5%的年增長率。電化工業(yè)、機(jī)械業(yè)及鋼鐵業(yè)在一戰(zhàn)后獲得了極大的發(fā)展。這些工業(yè)廠家為保持產(chǎn)能,需要大量低價(jià)電力作保障。1918年大旱期間雖然出現(xiàn)過電力供應(yīng)不足的狀況,但此后電力供應(yīng)以每年超過20%的速度增長。

        遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用及大容量電站的發(fā)展極大地促進(jìn)了山區(qū)水電開發(fā),由此帶來的低價(jià)電力也刺激了工業(yè)的快速發(fā)展。同時(shí),火電彌補(bǔ)了旱季水電的不足并使電力行業(yè)形成了多樣性發(fā)展。大型水電公司紛紛成立,日本中部山區(qū)水電資源得到極大開發(fā),同時(shí)刺激了城市高壓輸電線路的開發(fā)建設(shè)。如1923年從中部地區(qū)的須原電站(1922年)到大阪變電站(現(xiàn)古川橋變電站)長達(dá)238 km的154 kV輸電線路就是個(gè)成功的例子。

        位于中部地區(qū)木曾川的大井水電站于1924年完工,最大壩高為53.4 m。原計(jì)劃設(shè)計(jì)成引水式電站,后為滿足高峰用電需求改成壩式水電站,成為日本第一座大型混凝土重力壩,也是當(dāng)時(shí)日本最高的大壩。電站最大出力達(dá)到了愛知縣總電力需求的一半。

        昭和年代早期(1926~1945年),結(jié)合經(jīng)濟(jì)評估結(jié)果,依據(jù)平均水流量,在最大限度地增加取水量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)大容量水電站,同時(shí)旱季利用火電補(bǔ)充電力不足。在政府加強(qiáng)行業(yè)控制的同時(shí),礦業(yè)及制造業(yè)產(chǎn)量急劇增加,金屬、化工及機(jī)械行業(yè)也得到了迅速發(fā)展。為滿足制造業(yè)發(fā)展需要,一些電力公司設(shè)計(jì)出一種逐級開發(fā)水電站的概念,主要集中在大型河流的下游地段。

        1927年柳川(Yanagawara)發(fā)電廠的完工拉開了北陸地方黑部川流域逐級水電開發(fā)序幕。隨后開發(fā)的有1936年黑部川上游2號發(fā)電廠及1940年包含高43.5 m仙人谷壩在內(nèi)的3號發(fā)電廠。同時(shí)還有柳川下游的藍(lán)本發(fā)電廠(富山縣)。黑部川3號發(fā)電廠的施工克服了雪崩及高溫條件下隧道施工困難,成為一經(jīng)典項(xiàng)目。

        20世紀(jì)20年代修建的田代壩位于中部地區(qū)大井川最上游,距離河口160 km。該電站建有兩座發(fā)電廠(田代1號與2號),電力輸往東京,其發(fā)電尾水排入富士水系的早川。

        大井川中游與天龍川水電站的順利建成為各水系的水力資源開發(fā)起到了關(guān)鍵作用。大井川發(fā)電廠最大出力幾乎相當(dāng)于靜岡縣購電總量的一半。

        建于同一時(shí)期的泰阜壩最大壩高為50 m,是天龍川上修建的第1座大壩。

        2 水電逐級開發(fā)

        從1945年年底開始,煤炭、石油與燃?xì)獬霈F(xiàn)短缺及價(jià)格上漲,而用電方式卻不斷更新。電力需求從1945年的19.5 TW·h急劇增長到1947年的29.4 TW·h。頻繁的停電使蠟燭成為人們當(dāng)時(shí)生活的必需品。電力發(fā)展停滯不前,對于恢復(fù)戰(zhàn)爭中毀壞的電力設(shè)施以及繼續(xù)完成戰(zhàn)前水電項(xiàng)目來說,尚有大量的工作要做。1949年年底,日本政府決定利用美國經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇基金來開發(fā)1180 MW的水電(33個(gè)壩址)。

        這一時(shí)期電力需求大幅增長。與此同時(shí),秋季大旱使電力供應(yīng)出現(xiàn)嚴(yán)重不足。20世紀(jì)50年代末,在已建的1460座水電站中僅有40座能正常發(fā)電。

        戰(zhàn)后火電主要依靠煤炭,但由于供應(yīng)不及時(shí)、質(zhì)量不達(dá)標(biāo)以及價(jià)格上漲等因素造成火電生產(chǎn)效率與盈利能力均大幅下滑。因此,將戰(zhàn)略重心轉(zhuǎn)移到壩式水電站上時(shí),必須提高水資源使用效率并克服其季節(jié)性不平衡。

        為滿足戰(zhàn)后工業(yè)復(fù)蘇的需求,正在大量修建火電站。這些火電站用于滿足常規(guī)負(fù)荷,而大型水力發(fā)電站用于調(diào)峰填谷。

        直到20世紀(jì)40年代,才利用柳川老發(fā)電廠與黑部3號發(fā)電廠之間的河水落差在黑部川上分期修建水電站。

        二戰(zhàn)后,電力供應(yīng)轉(zhuǎn)為以火電為主、水電負(fù)責(zé)調(diào)峰填谷。此時(shí),關(guān)西電力公司(KEPCO)準(zhǔn)備在黑部川最上游修建一座大型水壩。這一計(jì)劃在促進(jìn)水電穩(wěn)步發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。

        1963年完工的黑部川4號發(fā)電站成為全日本廣泛關(guān)注的、最巨大的工程之一,展示了當(dāng)時(shí)日本最先進(jìn)的土木工程技術(shù)。

        黑部川大壩總庫容約為2億m3,極大地改善了下游河水流態(tài)。為了發(fā)揮水庫使用效率,陸續(xù)在其下游修建了黑部川新3號電站(1963年)及新2號電站(1966年)。隨后完工的音沢電站(1985年)完成了黑部川水電站的梯級分布。黑部川建有一系列水力發(fā)電站,充分利用了黑部大壩(高程1448 m)水庫水位與音沢電站(131.1 m)尾水水位之間的落差,因此被稱為是“能源之河”。

        3 抽水蓄能電站的發(fā)展

        20世紀(jì)50年代末,常規(guī)用電主要由大容量火電站承擔(dān),大型壩式水電站負(fù)責(zé)調(diào)峰填谷。

        20世紀(jì)60年代期間,隨著經(jīng)濟(jì)快速增長,城市化及生活水平的提高使辦公及家庭用電需求出現(xiàn)明顯增加,尤其是空調(diào)用電。1968年后,這一趨勢加劇,每年夏季白天形成用電高峰期,而這一現(xiàn)象以前只有在冬季夜晚才會出現(xiàn)。這種新的電力需求模式,即白天峰谷模式,超出了水庫電站的調(diào)峰能力。因此抽水蓄能電站應(yīng)運(yùn)而生。

        1960年,日本首相府科技署資源委員會發(fā)表了一項(xiàng)旨在提倡能源資源多樣化的政策聲明。針對蓄能電站規(guī)劃,呼吁要求對蓄能電站選址進(jìn)行調(diào)查,以確定一種能源開發(fā)方法,同時(shí)要求火電、核電及抽水蓄能電站能協(xié)調(diào)發(fā)展。

        針對這種情況,電力公司經(jīng)政策研究后,決定采用一種新理念來促進(jìn)水電開發(fā),對抽水蓄能電站實(shí)施大規(guī)模重建計(jì)劃,使它們既各自獨(dú)立,又能成為綜合開發(fā)項(xiàng)目的一部分。如中國電力株式會社開發(fā)的高103 m的新成羽川壩,東京電力公司開發(fā)的綜合水電項(xiàng)目奈川渡壩、水土野壩、稻核壩及高瀨壩,電力發(fā)展有限公司(EPDC)開發(fā)的九頭龍壩、新豐根壩及手取川壩(壩高153 m)。

        直到1970年才出現(xiàn)大量混合式抽水蓄能電站,其特點(diǎn)為當(dāng)上庫來水流量充沛時(shí)可作傳統(tǒng)水電站發(fā)電。然而,隨著經(jīng)濟(jì)效益好的建站地址減少,在上庫無天然來水或來水極少的地方,純抽水蓄能電站的建設(shè)開始出現(xiàn)繁榮景象,20世紀(jì)70年代初在那須鹽原建成了第1座純抽水蓄能電站。該電站采用壓力鋼管隧洞與500 m單級大容量水輪機(jī)的新技術(shù)。1973年與1979年的兩次石油危機(jī)后,日本作了大量努力以減少對石油能源的依賴,1980年,《可替代能源開發(fā)及推廣法案》宣布生效,決定優(yōu)先建設(shè)核電。

        由于電力總需求及年度最大需求不再增加,從20世紀(jì)90年代開始,幾乎所有抽水蓄能新項(xiàng)目均被推遲或取消。

        到20世紀(jì)80年代,由于適合大型電站的水力資源開發(fā)殆盡,同時(shí)為適應(yīng)清潔再生能源的需要,日本開始發(fā)展小規(guī)模水電站。

        水電站承擔(dān)著調(diào)頻調(diào)壓的輔助功能。為強(qiáng)化這些功能,KEPCO在奧多多良木抽水蓄能電站引進(jìn)了可調(diào)速抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)。

        4 水電站運(yùn)行與維護(hù)

        在日本1600多座水電站中,約有一半已運(yùn)行了60 a或更長時(shí)間。定期對設(shè)施進(jìn)行巡查與監(jiān)測以評估它們的運(yùn)行情況。為保持設(shè)施良好的運(yùn)行狀態(tài)并延長其使用壽命,需定期對設(shè)備進(jìn)行維修。對水輪機(jī)及發(fā)電機(jī)進(jìn)行及時(shí)更新并做好防震安全工作以提高水電設(shè)施使用性能。

        在日本,人們經(jīng)常利用河流開展釣魚、水上運(yùn)動及其他休閑活動,另外河流兩岸建有許多房屋、公路及其他公用設(shè)施。因此電站營運(yùn)商必須保證河流下游河水不出現(xiàn)大波動以免發(fā)生險(xiǎn)情。

        泥沙是另一個(gè)需要持續(xù)監(jiān)測與管理的問題。黑部川比日本任何河流的輸沙率都要高得多。出平(Dashidaira)壩與宇奈月壩已安裝大型排沙管道與閘門,通過對水庫沖淤,使水庫水位得以降低,水流更加順暢。該設(shè)施在出平壩完工6 a后,于1991年首次開始使用。

        出平壩下游7 km的宇奈月壩建成后,2001年成立了一個(gè)委員會以協(xié)調(diào)兩座大壩的排沙沖淤問題。

        朝日壩為KEPCO所有,受臺風(fēng)影響,形成渾水水庫,壩前泥沙堆積量較大,排沙面臨較大困難。KEPCO決定采用旁路排沙法來解決問題,該方法通過設(shè)計(jì)一條旁路隧洞,利用自然水流將泥沙沖向下游。

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