[英國] P.雷諾茲
戰(zhàn)略與規(guī)劃
抽水蓄能電站蓬勃發(fā)展
——以美國和俄羅斯為例
[英國] P.雷諾茲
抽水蓄能電站作為水電行業(yè)的組成部分,正處于蓬勃發(fā)展期。以美國為例,研究了抽水蓄能電站的設(shè)計、規(guī)劃、許可申請和發(fā)放情況,重點介紹了純抽水蓄能電站的申請及審批過程。另外,以俄羅斯某抽水蓄能電站為例,分析了該類電站在開發(fā)過程中可能面臨的困難及挑戰(zhàn)。相較于其他可再生能源的電力產(chǎn)量的不穩(wěn)定性,抽水蓄能電站在電力服務(wù)中具有靈活、經(jīng)濟、快速響應(yīng)的優(yōu)勢,因而正不斷吸引更多的關(guān)注并迎來了其規(guī)劃建設(shè)的高潮期。
抽水蓄能電站;電站設(shè)計;許可申請;俄羅斯;美國
抽水蓄能電站正成為水電行業(yè)中的熱門領(lǐng)域。盡管在世界各地都零星分布著一些抽水蓄能電站,但其增長可能主要集中出現(xiàn)在某些地區(qū),如挪威和美國。
挪威人稱抽水蓄能電站為“綠色蓄電池”,他們不斷開發(fā)該類電站以增強現(xiàn)有及升級后的集水系統(tǒng)的互聯(lián)性。其抽水蓄能電站可作為歐洲大陸,尤其是德國等附近國家調(diào)節(jié)電網(wǎng)和電力市場供電波動的平衡手段。歐洲大陸電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題源于其大規(guī)模地投資間歇性可再生能源。
盡管美國沒有制定這種集中開發(fā)、相互聯(lián)系的發(fā)展戰(zhàn)略,在其開發(fā)計劃中抽水蓄能電站仍占有相當(dāng)大的容量,全國各地都有許多抽水蓄能電站項目。據(jù)聯(lián)邦能源管理委員會(FERC)披露,最近幾年他們所收到的建設(shè)許可申請和所頒發(fā)的許可證大幅增加。其中一個處于規(guī)劃階段的項目是海威嶺(Haiwee Ridge)抽水蓄能電站。
該電站位于加利福尼亞州因約(Inyo)縣,靠近奧蘭恰(Olancha),正在申請初步建設(shè)許可。該純抽水蓄能電站項目將利用南海威水庫,電站幾乎所有的用地都屬于美國土地管理局管理。2012年該項目取得初步建設(shè)許可,對不同設(shè)計方案進行了規(guī)劃及可行性研究。初步建設(shè)許可是頒發(fā)給海威嶺水電有限責(zé)任公司的,批準(zhǔn)了3個方案,均由碾壓混凝土壩和地下廠房構(gòu)成,裝機500 MW。
(1) 南海威水庫方案A。上庫主壩為碾壓混凝土壩,壩高 48.8 m,壩頂長692 m;2座碾壓混凝土副壩,壩高分別為10.7 m和19.8 m,壩長都為207.3 m。下庫重建原南海威大壩,最大壩高24.7 m,壩頂長474 m。采用地下廠房發(fā)電。輸水系統(tǒng)分3段:低壓隧洞段,采用混凝土襯砌,洞徑5.6 m,長 914.6 m;高壓豎井,采用混凝土襯砌,直徑 5.6 m,長2 400 m;尾水隧洞段,直徑 6.7 m,長701.2 m。
(2) 南海威水庫方案B。上庫主壩為碾壓混凝土壩,最大壩高 64 m,壩頂長 402.4 m;1座碾壓混凝土副壩,最大壩高 7.6 m,壩頂長244 m。下庫重建原南海威大壩,最大壩高27.7 m,壩頂長464.3 m。采用地下廠房發(fā)電。輸水系統(tǒng)分3段:低壓隧洞段,采用混凝土襯砌,直徑 5.8 m,長1 550 m;高壓混凝土豎井,直徑 5.8 m,長1 710 m;尾水隧洞段,直徑 6.9 m,長1 220 m。
(3) 新建水庫方案。上庫主壩為碾壓混凝土壩,最大壩高64 m,壩頂長 402.4 m;下庫壩新建碾壓混凝土壩,最大壩高 18.3 m,壩頂長3 230 m。采用地下廠房發(fā)電。輸水系統(tǒng)分3段:低壓隧洞段,采用混凝土襯砌,直徑 5.3 m,長3 810 m;高壓混凝土豎井,直徑 5.3 m,長1 920 m;尾水隧洞段,直徑6.4 m,長762 m。
經(jīng)初步規(guī)劃研究,2014年7月,Gridflex能源有限責(zé)任公司對初步許可提出了修改方案:將南海威水庫方案B的裝機容量減少一半,至250 MW;對新建水庫方案提出了兩項調(diào)整,即放棄新建下庫和改變項目范圍邊界。
在眾多規(guī)劃的項目中,有相當(dāng)一部分是純抽水蓄能電站。政府希望該類電站項目的建設(shè)許可審批過程縮短至2 a。FERC已批準(zhǔn)將水電行業(yè)的某些類別,尤其是非電力用途壩和純抽水蓄能電站的許可審批過程,控制在2 a內(nèi)的首次試點研究。
2014年8月初,F(xiàn)ERC發(fā)布公告稱,縮短許可過程的第一個研究試點將選擇肯塔基州的某小型水電工程。該工程計劃在現(xiàn)有的由肯塔基河管理局所轄的11號水閘和大壩上進行開發(fā),裝機5 MW。目前尚無針對抽水蓄能項目的試點研究。
根據(jù)2013年的《水電監(jiān)管效率法案》,F(xiàn)ERC應(yīng)針對非電力用途壩和純抽水蓄能電站進行調(diào)研,以建立2 a內(nèi)發(fā)放許可的制度。2014年1月,F(xiàn)ERC號召一些項目嘗試申請縮短許可過程,并聲明其針對非發(fā)電用途壩的標(biāo)準(zhǔn)是對環(huán)境影響最小,而純抽水蓄能電站則不允許持續(xù)與天然水域相連。
FERC的數(shù)據(jù)表明,近年來,尤其是2008~2011年,純抽水蓄能電站受到了廣泛關(guān)注,從2006年開始就成為了初步建設(shè)許可的主要申請者。2011年后,盡管總體上抽水蓄能電站建設(shè)申請數(shù)量顯著下降,呈現(xiàn)出與早些年相近的低潮趨勢,但混合式抽水蓄能電站的初步建設(shè)許可申請又重新占據(jù)了主導(dǎo)地位。在西海岸,尤其是加利福尼亞和華盛頓州,申請的項目多數(shù)是混合式的。美國西部很多州的純抽水蓄能電站項目正在申請初步建設(shè)許可,如俄勒岡州、亞利桑那州、內(nèi)華達(dá)州和新墨西哥州。還有其他一些州的純抽水蓄能電站項目也已納入愿望清單,如俄克拉荷馬州、田納西州、肯塔基州和新澤西州。據(jù)FERC 數(shù)據(jù),鷹山(Eagle Mountain)項目已取得許可;2012年以來已有數(shù)十項工程取得初步許可。
2014年4月,F(xiàn)ERC發(fā)布了抽水蓄能電站最新的總體數(shù)據(jù),已取得初步許可的新項目裝機容量總計41 310 MW,即將獲得初步許可的新項目5 501 MW。而目前已完全通過審批并取得許可的抽水蓄能電站總裝機16 571 MW,即將完全取得許可的有2 737 MW,正在重新申請許可的有2 875 MW。
(1) 已取得初步許可的項目主要集中在加利福尼亞州(9 373 MW)、華盛頓州(5 100 MW)、俄克拉荷馬州(4 190 MW)、田納西州(3 992 MW)、內(nèi)華達(dá)州(3 400 MW)、亞利桑那州(3 201 MW)和猶他州(3 100 MW)。裝機容量大的項目絕大多數(shù)集中在西海岸和西南地區(qū)。
(2) 2014年取得初步許可的項目。2014年許多抽水蓄能電站項目取得了初步許可,如:亞利桑那州裝機150 MW的阿霍(Ajo)項目和150 MW的薩卡頓(Sacaton)項目(由綠色蓄能公司開發(fā));康涅狄格州250 MW的科菲丘(Coffin Butte)項目(由CB Energy Park有限責(zé)任公司開發(fā));內(nèi)華達(dá)州250 MW的玫瑰溪(Rose Creek)項目(由Gridflex 能源有限責(zé)任公司開發(fā))。2014年初,水電綠色能源有限責(zé)任公司在加利福尼亞州有4個項目取得初步許可,即裝機1 230 MW的南彭德爾頓(Pendleton)、1 340 MW的東范登博格(Vandenbergh)、1 350 MW的西范登博格(Vandenbergh)和1 270 MW的羅斯堡(Fort Ross)項目。該年取得初步許可的遠(yuǎn)期項目包括:阿肯色州裝機600 MW的河山(River Mountain)高級項目(由控制技術(shù)股份有限公司開發(fā))和內(nèi)華達(dá)州750 MW的白松(White Pine)項目(由白松水電有限責(zé)任公司開發(fā))。
(3) 2013年取得初步許可的項目。2013年取得初步許可的抽水蓄能項目有:南達(dá)科他州裝機800 MW 的格雷戈里(Gregory)縣項目(由西明尼蘇達(dá)市政電力公司開發(fā));華盛頓州600 MW的卡斯凱德(Cascade)項目(由卡斯凱德蓄能有限責(zé)任公司開發(fā)),150 MW的普賴恩維爾項目(Prineville) (由普賴恩維爾蓄能有限責(zé)任公司開發(fā)),2 000 MW的冷溪谷(Cold Creek Valley)項目(由S. Martinez Livestock股份有限公司開發(fā)),1 000 MW 的班克斯(Banks)湖項目 (由Grand Coulee 水電管理局開發(fā));蒙大拿州400 MW的戈登丘(Gordon Butte)項目(由GB Energy Park有限責(zé)任公司開發(fā))。
(4) 2012年取得初步建設(shè)許可的項目。2012年取得初步許可的抽水蓄能項目有:科羅拉多州裝機500 MW的普拉托(Plateau)溪項目( 由Dolores水保護區(qū)開發(fā));內(nèi)華達(dá)州400 MW的溫尼馬卡(Winnemucca)農(nóng)場東項目(由水資源管理股份有限公司開發(fā)),250 MW的洛雷拉(Lorella)項目 (由FFFP 111工程有限責(zé)任公司開發(fā)),1 000 MW的黑山(Black Mountain)項目(由黑山水電有限責(zé)任公司開發(fā)),450 MW的藍(lán)鉆石(Blue Diamond)項目(由能源管理人聯(lián)盟開發(fā));亞利桑那州2 000 MW的長景(Longview)項目(由長景能源交換有限責(zé)任公司開發(fā))。
2012年取得初步許可的也包括一些遠(yuǎn)期規(guī)劃的抽水蓄能電站:肯塔基州裝機1 000 MW的梅斯維爾(Moysville)項目 (由梅斯維爾抽水蓄能有限責(zé)任公司開發(fā));賓夕法尼亞州250 MW的銀溪(Silver Creek)項目(由高峰電力有限責(zé)任公司開發(fā));亞利桑那州400 MW桌山(Table Mountain)項目(由桌山灌溉區(qū)開發(fā));加利福尼亞州500 MW的海威嶺(由海威嶺水電有限責(zé)任公司開發(fā));猶他州1 000 MW的南蒙納(Mona)(由南蒙納抽水蓄能有限責(zé)任公司開發(fā)),1 000 MW的北蒙納(由北蒙納抽水蓄能有限責(zé)任公司開發(fā));加利福尼亞州600 MW的埃爾西諾(Elsinore)湖高級項目(由內(nèi)華達(dá)水電股份有限公司開發(fā)),1 000 MW的野牛峰(由野牛峰抽水蓄能有限責(zé)任公司開發(fā))。
同年,Reliable Storage 1有限責(zé)任公司在田納西州取得了7個抽水蓄能電站的初步許可:1 000 MW的十字架山(Cross Mountain)、700 MW的邦艾爾(Bon Air)、600 MW的拉文斯考夫特(Ravenscroft)、600 MW的斯坦普斯哈洛(Stamps Hallow)、390 MW的利奇山(Leech Mountain)、331 MW的馬蹄山(Horseshoe Mountain)和309 MW的基頓溪(Keaton Creek)。
該年取得初步許可的其他抽水蓄能電站項目有:內(nèi)華達(dá)州裝機400 MW的埃爾多拉多(El Dorado)(由埃爾多拉多抽水蓄能有限責(zé)任公司開發(fā));夏威夷州300 MW的拉奈(Lanai)(由拉奈水電有限責(zé)任公司開發(fā));華盛頓州1 500 MW的JD池(由克里基塔特縣的1號公共設(shè)施區(qū)開發(fā));俄勒岡州1 000 MW的天鵝湖(Swan Lake)北(由天鵝湖北水電有限責(zé)任公司開發(fā));加利福尼亞州1 200 MW的國王河(King River)(由太平洋天然氣電力公司開發(fā))。
(5) 2012年以前取得初步許可的項目。2012年以前取得初步許可且許可未到期的項目有:加利福尼亞州裝機1 200 MW的莫凱勒米(Mokelumne)(由太平洋天然氣電力公司開發(fā));猶他州345 MW的鮑威爾(Powell)湖管道項目(由猶他水資源局開發(fā));俄克拉荷馬州1 100 MW的野花(Wild Flower)(由野花水利有限責(zé)任公司開發(fā))。這些項目都需要向FERC申請延期。
還有一些抽水蓄能電站項目已申請延期,但被FERC拒絕,包括:亞利桑那州的佛得(Verde)(由亞利桑那獨立電力股份有限公司開發(fā))和加利福尼亞州麥昆利(Mulqueeny)農(nóng)場項目(由BPUS發(fā)電開發(fā)有限責(zé)任公司開發(fā))。
(6)即將取得初步建設(shè)許可的項目。2014年4月,F(xiàn)ERC稱共有5 501 MW的抽水蓄能項目即將取得初步許可,其中加利福尼亞州裝機4 701 MW,占比90%以上。其他即將獲得初步許可的有亞利桑那州,蒙大拿州和內(nèi)華達(dá)州,裝機分別為300 MW,250 MW和250 MW。
4月以后,有更多的項目已申請初步許可,包括:夏威夷州1座小型抽水蓄能電站;內(nèi)華達(dá)州遠(yuǎn)期規(guī)劃項目——裝機150 MW的威德高地(Weed Height)項目(由綠色蓄能公司開發(fā));懷俄明州500 MW的黑峽谷(Black Canyon)項目(由黑峽谷水電有限責(zé)任公司開發(fā));俄亥俄州1 500 MW的新頂峰(New Summit)項目(由新頂峰水電有限責(zé)任公司開發(fā))。
(7) 已取得許可的項目。2014年4月,F(xiàn)ERC稱,加利福尼亞州和弗吉利亞州是已取得抽水蓄能電站許可最多的2個州,其裝機分別為2 943 MW和2 722 MW。還有6個裝機超過1 000 MW的州:馬塞諸塞州(1 746 MW),密歇根州(1 658 MW),南卡羅來納州(1 576 MW)和賓夕法尼亞州(1 332 MW)等。
(8) 2013~2014年取得許可的項目。加利福尼亞州裝機1 000 MW的美國河(American River)上游項目(由薩克拉門托市政區(qū)開發(fā))于2014年取得了為期50 a的許可;加利福尼亞州裝機1 300 MW的鷹山純抽水蓄能電站(由鷹山能源公司開發(fā))也取得了50 a的許可;科羅拉多州336 MW的卡賓溪(Cabin Creek)(由科羅拉多公共服務(wù)公司開發(fā))取得了40 a的許可;新澤西州364 MW的圍場溪(Yards Creek)(由澤西中心電力照明公司開發(fā))取得了40 a的許可。
(9) 2004~2014年取得許可的項目。弗吉尼亞州裝機636 MW的史密斯山電站(由阿巴拉契亞電力公司開發(fā))于2009年取得了30 a的許可;康涅狄格州115 MW的胡薩托尼克(Housatonic)河電站(由FirstLight水力發(fā)電公司開發(fā))于2004年取得了30 a的許可;紐約州2 755.5 MW的羅伯特摩西-尼亞加拉(Robert Moses-Niagara)電站(由紐約電力局開發(fā))取得了40 a的許可。
(10) 即將取得許可的項目。猶他州裝機1000MW的帕克諾爾(Parker Knoll)項目(由Symbiotics有限責(zé)任公司開發(fā))即將取得首次許可。
(11) 即將重新取得許可的項目。正在重新申請許可的項目包括:俄克拉荷馬州裝機260 MW的薩萊拉(Salina)抽水蓄能電站(由格蘭德河大壩局開發(fā));賓夕法尼亞州452 MW的金祖阿(Kinzua)抽水蓄能電站(由FirstEnergy發(fā)電有限責(zé)任公司開發(fā));賓夕法尼亞州880 MW的馬迪阮(Muddy Run)項目(由艾斯能電力公司開發(fā))。
(12) 重新取得許可的項目。2014年7月,密蘇里州托姆索克(Taum Sauk)抽水蓄能電站取得了FERC重新授予的為期30 a的許可。該電站上庫在2005年發(fā)生事故,經(jīng)調(diào)查研究及FERC的重建要求,新壩于2010年完工,此時距原來的許可到期僅剩數(shù)月。2008年,電站業(yè)主阿莫林(Ameren)公司重新提交了許可申請,F(xiàn)ERC詳細(xì)分析了2011年以來的電站數(shù)據(jù)和各方評價,于2013年發(fā)布了最終環(huán)境評價。該電站在2012年和2014年進行了擴容改造,裝機容量從148 MW增加到 442.5 MW。
抽水蓄能項目的建設(shè)過程和其他基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)很相似,包括可行性研究、項目許可以及施工階段,期間會出現(xiàn)很多困難和挑戰(zhàn)。俄羅斯扎格斯卡亞(Zagorskaya)2抽水蓄能電站就是個例子,據(jù)俄羅斯水電集團公司(RusHydro)報道,該電站即將完工時,由于發(fā)電廠房基礎(chǔ)問題導(dǎo)致廠房大量進水和下沉,目前尚在努力修復(fù)中。
俄羅斯水電集團公司有一批新建及修復(fù)項目,而裝機840 MW的扎格斯卡亞2 電站還未完全建成就要修復(fù)。2013年9月,電站即將完工之前,發(fā)電廠房的基礎(chǔ)出現(xiàn)問題,部分建筑物發(fā)生滲漏水和下沉。
扎格斯卡亞2電站位于莫斯科謝爾蓋耶夫鎮(zhèn),該公司曾計劃于2012年底前使一期420 MW(2×210 MW)裝機并網(wǎng)發(fā)電,但目前還有一些其他土建工程仍需繼續(xù)施工。2012年底,據(jù)報道該工程仍可按計劃交付。在“容量交付機制”下,該工程可能在原計劃2013年1月1日并網(wǎng)發(fā)電的基礎(chǔ)上,延期12個月,但不會因此被罰款。2013年的工程年度報告表明,2012年12月進行了一次運行測試,但因電網(wǎng)運行商俄羅斯統(tǒng)一電力公司(UES)配電系統(tǒng)不可用,導(dǎo)致電廠不能接入電網(wǎng)。盡管如此,機組完工時間仍記錄為2012年。
2013年其他一些工程繼續(xù)施工,9月17日廠房基礎(chǔ)出現(xiàn)問題,當(dāng)日傍晚水輪機室出現(xiàn)滲漏水,廠房內(nèi)15名工人安全撤出。隨后幾個小時,水輪機室被淹。事件發(fā)生后,立即展開了初步的修復(fù)工作,包括將廠房與下庫隔離,抽走廠房漏水。隨后,調(diào)查了受損范圍,確定了修復(fù)的方案和規(guī)模。該公司表示漏水來自下庫,通過未完工水管損壞的伸縮縫和取水口進入廠房,廠房右下方的土壤受到侵蝕,導(dǎo)致了建筑物的沉降。廠房基礎(chǔ)防滲系統(tǒng)失效的原因是場地勘察不充分和設(shè)計問題。
扎格斯卡亞2電站從1990年開始規(guī)劃,2007年獲得聯(lián)邦專家局(Glavgosexpertisa)的批準(zhǔn)。工程由俄羅斯水電工程設(shè)計院設(shè)計,2010年底該設(shè)計院被俄羅斯水電集團公司收購。俄羅斯水電集團公司表示,該電站的建筑物很特殊,廠房建在軟基上,工程區(qū)域可用的堅硬巖石區(qū)很少。盡管如此,地質(zhì)調(diào)查不充分、監(jiān)測儀器不到位也是事故原因。根據(jù)該公司最新的年度報告,扎格斯卡亞2電站最早將于2017年完工并運行。最近又補充聲明,近期將匯報最終的施工事故調(diào)查結(jié)果。
抽水蓄能電站得以蓬勃發(fā)展的原因在于,其一直以來可向電力市場供給大量電力,但現(xiàn)在它卻是可再生能源投資大量增長的無形受益者,特別是在風(fēng)能和太陽能等發(fā)電產(chǎn)量會出現(xiàn)天然波動的情況下。當(dāng)間歇性可再生能源或其他能源電力產(chǎn)能下降,理所當(dāng)然需要快速反應(yīng)的系統(tǒng)跟進。水電已被證實是靈活且經(jīng)濟的,當(dāng)然其他電源也可以,比如更容易在電力負(fù)荷中心附近建設(shè)的燃?xì)怆娬?。但是二者均面臨一個問題,即如果電網(wǎng)運行需要改變二者的運行方式以支持間歇性可再生能源并入電網(wǎng),將可能導(dǎo)致二者更高的損耗。
2013年底,韋萊(Willis)保險經(jīng)紀(jì)公司發(fā)布了一份報告,很多觀點表明燃?xì)怆姀S如果轉(zhuǎn)為更頻繁地跟蹤配合可再生能源,會產(chǎn)生很多新的風(fēng)險。一個突出的風(fēng)險是從穩(wěn)定的基荷運行轉(zhuǎn)變?yōu)椴粩嗟耐i_機切換。為了配合可再生能源發(fā)電,很有可能使燃?xì)鈾C組不斷開停機,會導(dǎo)致機組更多的磨損,這就要求改變?nèi)細(xì)庠O(shè)備的運行管理策略。
對任何設(shè)備來說,改變原設(shè)計的運行方式會導(dǎo)致問題或挑戰(zhàn),水電設(shè)備也一樣。挪威為籌備其“綠色蓄電池”計劃,研究人員正在研究相關(guān)影響和補救措施,以應(yīng)對水電設(shè)備運行方式的改變。
需要采取工程和管理措施來解決這些挑戰(zhàn)。通過實施補救措施,現(xiàn)有的火電站和水電站能支撐更多的間歇性可再生能源投資,而這需要電站業(yè)主對電網(wǎng)提供支持,或者至少在其產(chǎn)能占優(yōu)時,提供某些能源儲備服務(wù),如部分互聯(lián)電力系統(tǒng)。除了互聯(lián)電網(wǎng)系統(tǒng),水電行業(yè)的重大貢獻(xiàn)就是獨立的抽水蓄能電站。不同于燃?xì)怆姀S和其他大多數(shù)常規(guī)水電站,抽水蓄能電站還可以吸收多余的電力產(chǎn)出,可為不斷變化的電力環(huán)境提供很多服務(wù),而其自身的設(shè)計將符合新的現(xiàn)實情況。
因此抽水蓄能電站正在吸引更多的目光,例如,美國正在考慮建設(shè)大量的抽水蓄能項目。
楊躍斌 金 苗 譯
(編輯:陳紫薇)
2016-04-10
1006-0081(2016)12-0001-04
TV743
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