[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。

1 海威嶺抽水蓄能電站

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。

2 美國純抽水蓄能電站的發(fā)展

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。

3 美國抽水蓄能電站的許可申請與發(fā)放

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。

4 俄羅斯扎格斯卡亞2抽水蓄能電站

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。

5 可再生能源風(fēng)險與抽水蓄能電站發(fā)展

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

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