[英國(guó)] P.雷諾茲

歐洲抽水蓄能發(fā)展的可行性研究

[英國(guó)] 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(yùn)行模式的變化及其所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，并提出可通過數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和建模解決相關(guān)問題。挪威為德國(guó)乃至整個(gè)歐洲抽水蓄能的發(fā)展提供了一個(gè)宏大的解決方案。德國(guó)目前也正在對(duì)其國(guó)內(nèi)各種潛在的抽水蓄能項(xiàng)目展開研究。

抽水蓄能電站；再生能源；水電站運(yùn)行；挪威；德國(guó)

隧洞是許多抽水蓄能方案的一個(gè)主要部分，其設(shè)計(jì)和維修是挪威正在進(jìn)行研究的一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如果該國(guó)的水電部門計(jì)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(yīng)對(duì)歐洲(主要是德國(guó))輸電網(wǎng)間歇性可再生能源分布不平衡的影響，那么這項(xiàng)工作更是至關(guān)重要。

德國(guó)正從核能和褐煤完全轉(zhuǎn)向再生能源，尤其是風(fēng)能和太陽能。即使世界范圍內(nèi)大型單個(gè)項(xiàng)目的類型沒有發(fā)生變化，人們還是以一種全新的視角審視抽水蓄能項(xiàng)目。用于該研究和計(jì)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(yùn)行模式的變化

按照“綠色電池”方案，挪威正計(jì)劃大規(guī)模開發(fā)其南部水電資源，平衡歐洲大陸再生能源輸出中出現(xiàn)的波動(dòng)。如果沒有這種大規(guī)模的、動(dòng)態(tài)的和存儲(chǔ)的資源，電網(wǎng)的效率和穩(wěn)定性就會(huì)存在風(fēng)險(xiǎn)，也無法有效地消化掉剩余的電力。

挪威可能轉(zhuǎn)向區(qū)域性且綜合性的抽水蓄能管理的準(zhǔn)備工作包括對(duì)現(xiàn)有資產(chǎn)(如需要運(yùn)行的隧洞和水電站)的嚴(yán)格評(píng)估。但是，需要檢查水電站和基礎(chǔ)設(shè)施是否會(huì)受到新環(huán)境的負(fù)面影響，一旦出現(xiàn)問題，則需要解決如何減少和消除這種潛在風(fēng)險(xiǎn)。

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

挪威科技大學(xué)的基林特威特指出，間歇性且更多變數(shù)的可再生能源發(fā)電站(風(fēng)能、太陽能、小水電)的引進(jìn)，導(dǎo)致發(fā)電更加不穩(wěn)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(dá)到平衡，這導(dǎo)致了發(fā)電的多變性。這種趨勢(shì)可能繼續(xù)，并有可能加大，尤其是由于“綠色電池”計(jì)劃的實(shí)施。

他還補(bǔ)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(yùn)行模式。

2 運(yùn)行模式變化所帶來的風(fēng)險(xiǎn)

挪威水電站裝機(jī)容量如果超過10 MW，都配有發(fā)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(yùn)行模式，及其對(duì)隧洞中水流動(dòng)力的影響，會(huì)影響到地下基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)以及水輪機(jī)的耐久性，也可能對(duì)電站泄水排入的河流和其他水體產(chǎn)生局部影響。

他指出，當(dāng)評(píng)估修復(fù)或改造工程時(shí)，需要權(quán)衡可能的后果。重要的是要了解更多變數(shù)的水流具有什么樣的影響，以及在不產(chǎn)生問題的前提下能承受的最大改變。

他指出，需要對(duì)引起的各種變化進(jìn)行探討，如隧洞內(nèi)侵蝕風(fēng)險(xiǎn)以及水輪機(jī)過沙量的變化。冰和流量變化也會(huì)對(duì)尾水排放處的魚類產(chǎn)生影響。

一些現(xiàn)有電站已發(fā)生了某些改變，潛在著受損、停運(yùn)及經(jīng)費(fèi)問題。在這些情況下，通過電站的砂礫石甚至小石塊持續(xù)不斷的輸移，都會(huì)引起嚴(yán)重破壞，甚至長(zhǎng)期停運(yùn)修復(fù)。

3 隧洞中淤積的泥沙

挪威水電產(chǎn)業(yè)的重大擴(kuò)張發(fā)生在20世紀(jì)60～80年代，這些項(xiàng)目涉及大量地下工程。建設(shè)過程中標(biāo)準(zhǔn)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(hù)和實(shí)施修復(fù)工作。

基林特威特指出，只要流量相當(dāng)穩(wěn)定，流速不大于預(yù)期，該層通常是穩(wěn)定的。只有一些細(xì)石料會(huì)被帶入水輪機(jī)，一般不會(huì)產(chǎn)生太多問題。

裝機(jī)容量或調(diào)峰時(shí)電站的使用率會(huì)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(guān)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(zhì)沉于池底。每隔一段時(shí)間，作為維修管理工作的一部分，沉積物會(huì)被清除。

基林特威特指出，盡管會(huì)有困難，還是設(shè)計(jì)了沉沙池，沉沙池或許不會(huì)取得預(yù)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(huì)在水流中下沉，而會(huì)被攜帶進(jìn)入電站，破壞水輪機(jī)。

甘·布萊特威特博士正致力于研發(fā)一種工具，用以預(yù)測(cè)液壓系統(tǒng)中負(fù)荷波動(dòng)的影響，包括對(duì)沉積物和沉沙池的影響。

4 調(diào)壓室

調(diào)壓室是調(diào)節(jié)水工隧洞水流動(dòng)態(tài)的關(guān)鍵部分，可減緩水流和壓力變化的影響，特別是水輪機(jī)或者水泵-水輪機(jī)突然啟閉所引起的水流和壓力的變化。

露天調(diào)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(diào)壓室是不可能的。

挪威地質(zhì)條件好，其巖體質(zhì)量和巖石應(yīng)力狀況有益于修建全封閉式的地下調(diào)壓室。調(diào)壓室中滯留的空氣能緩沖并減少隧洞內(nèi)的湍流。因?yàn)樨灤┱麄€(gè)上庫(kù)到下庫(kù)的隧洞為一連續(xù)的、承壓的傾斜隧洞，而氣墊調(diào)壓室便于以不同的方式修建隧洞。事實(shí)上，調(diào)壓室也可緊靠地下電站上游布置。

挪威水電站運(yùn)行模式的變化，可能會(huì)使水力設(shè)施內(nèi)的流量及壓力產(chǎn)生更大的變化，并對(duì)其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生潛在的影響，如氣墊調(diào)壓室需要進(jìn)行檢修。

挪威正在開展對(duì)調(diào)壓室的研究。

5 監(jiān)測(cè)與建模

基林特威特指出，地下工程系統(tǒng)，特別是那些長(zhǎng)隧洞，包括進(jìn)水口、調(diào)壓室、壓力管道、閘門和閥門，其流體力學(xué)特性非常復(fù)雜。流速加大可能導(dǎo)致侵蝕甚至將泥沙沖出沉沙池。

基林特威特指出，很難預(yù)測(cè)、觀察并了解像這樣的關(guān)鍵性事件，尤其是因?yàn)樗矶磧?nèi)通常不能安放足夠多的儀器以提供更多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。他認(rèn)為解決該問題的方法就是使用數(shù)值模擬，條件是要有足夠的信息，即與輸電網(wǎng)不同運(yùn)行要求相關(guān)的空間與時(shí)間特性。

他認(rèn)為，在一個(gè)新的運(yùn)行模式下，數(shù)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(duì)潛在問題的解決措施進(jìn)行評(píng)估。

關(guān)于沉積物的研究，如通斯塔德(Tonstad)電站的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)包括通過激光掃描對(duì)排水隧洞的原位量測(cè)。然后將這些數(shù)據(jù)用來建立三維模型，用以水工隧洞水流的數(shù)值分析。實(shí)驗(yàn)室物理模擬工作也正在進(jìn)行中。

數(shù)值模擬在現(xiàn)代調(diào)壓室設(shè)計(jì)中顯現(xiàn)出了其強(qiáng)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(shè)計(jì)中的簡(jiǎn)單方程更細(xì)化和復(fù)雜化，從而得到數(shù)值模擬方法。然而，當(dāng)調(diào)壓井變得越來越復(fù)雜，還是需要通過物理模擬進(jìn)行驗(yàn)證。

物理模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合已成為歐洲大型抽水蓄能工程的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

6 德國(guó)工程研究

源于來自挪威大規(guī)模的、戰(zhàn)略性的抽水蓄能計(jì)劃的支持，德國(guó)正在對(duì)國(guó)內(nèi)擬建電站的可行性進(jìn)行研究。對(duì)各種潛在的抽水蓄能項(xiàng)目的研究已展開，包括位于圖林根州斯特拉堡兩個(gè)壩址的比選，以及巴登符騰堡能源集團(tuán)(EnBW)位于福爾巴赫R.費(fèi)特威斯(Rudolf Fettweis )電站的改造與擴(kuò)建。

1 a多前，斯特拉堡宣布，它正計(jì)劃與未來的投資者一道在德國(guó)的中部修建一座抽水蓄能工程。建設(shè)集團(tuán)的一位發(fā)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(xù)。

未來的項(xiàng)目要求地下基礎(chǔ)設(shè)施連接相應(yīng)的上庫(kù)和下庫(kù)，并能容納廠房綜合設(shè)施。在設(shè)計(jì)階段， 裝機(jī)640 MW的埃爾里希工程設(shè)想的庫(kù)容為630萬m3，裝機(jī)380 MW的洛伊滕貝爾格工程/普羅布斯策拉工程的庫(kù)容則為410萬m3。

當(dāng)時(shí)估計(jì)修建兩座電站的費(fèi)用將分別超過7.5億歐元和4.5億歐元。公司預(yù)計(jì)，到2020年初，上述兩座電站中的一座將投產(chǎn)。

在德國(guó)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(gè)世紀(jì)前分兩個(gè)階段修建完成的。

對(duì)兩座抽水蓄能電站的新方案進(jìn)行了詳細(xì)察看，其中一座裝機(jī)容量200 MW，另一座裝機(jī)容量70 MW，用來替代現(xiàn)有的施瓦岑巴赫電站。

擬建的抽水蓄能電站會(huì)配有地下基礎(chǔ)設(shè)施，裝機(jī)200 MW的工程設(shè)置有隧洞和廠房洞室綜合設(shè)施，而裝機(jī)70 MW的工程則配有豎井式廠房和地下下庫(kù)。

7 結(jié) 語

由于間歇性可再生能源和能源存儲(chǔ)的需求，抽水蓄能電站大有方興未艾之勢(shì)。

挪威可為德國(guó)和歐洲提供一個(gè)宏觀的、網(wǎng)絡(luò)化的抽水蓄能方案，德國(guó)本身也正在對(duì)更多的地方項(xiàng)目的可行性展開研究。

但無論選擇什么類型的方案、設(shè)計(jì)和布置，都將對(duì)歐洲大陸輸電網(wǎng)發(fā)揮舉足輕重的作用?？梢源_定的是，地下工程的施工、維護(hù)和研究將會(huì)是抽水蓄能計(jì)劃的一個(gè)固定組成部分。

(黃麗瑾 朱曉紅 編譯)

2014-11-17

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