瑞士在建的 N.D.德朗斯地下抽水蓄能電站

[瑞士]J.愛貝哈德

馬元珽 譯自英刊《水電與大壩》2010年第5期

經(jīng)濟增長、公共交通運輸?shù)牟粩嘣黾?、新的間歇性可再生能源(包括風電)的提供,要求更加靈活的可輸送電力以及增容。一項重要的挑戰(zhàn)是不斷增加能源貯備,保證供電穩(wěn)定,同時又能靈活地調節(jié)峰荷容量。

在建的 N.D.德朗斯地下抽水蓄能電站,旨在通過提供環(huán)境良好的可再生能源,以應對這一挑戰(zhàn)。

1 兩座水庫的互連

工程涉及在兩座已建的埃莫松(Emosson)水庫和老埃莫松(Vieux Emosson)水庫之間的一個地下洞穴中修建一座抽水蓄能電站。這兩座水庫位于瑞士瓦萊州的馬蒂尼(Martigny)和沙莫尼(Chamonix)鎮(zhèn)之間的芬豪特(Finhaut)市。工程于2009年開工,設計為周調節(jié)電站,用于調峰發(fā)電。水將從老埃莫松水庫經(jīng)電站發(fā)電后流入埃莫松下庫。在夜間和周末,電力需求下降時,再將水抽回到上庫。平均水頭為 300m。

兩座水庫之間的水平距離較近,對于修建抽水蓄能電站很理想。電站可在2 min內發(fā)出額定容量。在抽水運行期間,功耗也可調節(jié)。靈活性是該系統(tǒng)的優(yōu)點之一,這樣就可以使 N.D.德朗斯抽水蓄能電站非常適合于調整峰荷與谷荷時段的矛盾。N.D.德朗斯工程平面布置示于圖1。

圖1 工程平面布置示意

2 現(xiàn)有的蓄水設施

在阿爾卑斯山新月形地區(qū),其可用于瑞士和歐洲電網(wǎng)發(fā)電的蓄水資源的利用率很低。

目前,瑞士抽水蓄能電站的發(fā)電容量只有300MW。此外,總共1200MW的抽水容量主要用于供水。與瑞士供電容量日變化5000MW相比,該值很低。而在德國,來自風力發(fā)電的容量變化更大,已達15000MW。

3 工程開發(fā)商

認識到對抽水蓄能的需求后,瑞士討論了新的方案,關鍵是考慮找到有潛力的投資者和機構形式。

阿匹克控股公司(54%)、SBB(36%)和 FMV(10%)組成了一個財團,形成了 N.D.德朗斯工程的投資機構。該公司注冊為 N.D.德朗斯股份有限公司,并于2008年 8月取得了聯(lián)邦執(zhí)照和規(guī)劃許可,幾乎在同時,立即設置工地下屬機構。工程施工期約為7a。

從20世紀20年代起,SBB公司就參與水電工程建設,在50年代,該公司還參與了老埃莫松水庫的施工。阿匹克控股公司持有埃莫松電站50%的股份,埃莫松水庫是瑞士第二大水庫,作為該抽水蓄能系統(tǒng)的下庫。FMV電力公司作為瓦萊(Valais)州的法定管理參與方,以州公司身份參與。

瑞士 SBB鐵路公司的主要目標是為日益增加的需要通過鐵路運輸 N.D.德朗斯項目所需材料及設備提供牽引動力,而 Alpiq和 FMV的要求是保證為瑞士電網(wǎng)增加峰荷電力。

4 工程概要

直到現(xiàn)在,老埃莫松水庫仍只是單一用于常規(guī)水電蓄水,目前,在冬季開始向埃莫松水庫放水。

該抽水蓄能電站的水輪機最大容量為 630MW,抽水模式下水泵耗能為 620MW。要求壓力鋼管尺寸很大,為增加可用性,選擇了一個雙線高壓管道系統(tǒng)。兩臺機組,每臺約150MW,各由一條壓力鋼管供水。兩條垂直壓力隧洞,直徑為6.5m。兩條壓力鋼管,額定流量均為120m3/s。按照規(guī)劃的運行方式,年發(fā)電量為1500GW?h。為此,要求抽水能量為1800GW?h。

水力方案的設計基于周調節(jié)。根據(jù)上、下庫的蓄水位,考慮到水頭變化大,因而決定采用在夜間和周末抽水。規(guī)劃采用可變速異步發(fā)電機。

為保證頻率穩(wěn)定性,將采用最現(xiàn)代化的電子設備。這樣可使水輪機在最高效率下運行,甚至在水泵運行方式下也能對負荷進行微調。由于具有此能力,可對瑞士電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性做出很大貢獻。

機組將安裝在一個巨大的地下洞穴中。三相變壓器和電力開關系統(tǒng)將布置在另一個洞穴中。洞穴頂部巖石厚度約為500m。工程不會影響原先完好的河道,流水不會產生上下涌流。水只在相距1.5 km的兩座現(xiàn)有水庫之間,通過地下隧洞來回流動。因此,這些集水區(qū)的施工相當困難。只有在埃莫松水庫水位很低的較短時期內,才能進行施工。

此外,提出了增加 900MW容量的方案。這需擴建壓力鋼管,并增加2臺機組。

5 隧 洞

一條長5.5 km的交通隧洞作為通往洞穴的交通通道,該隧洞始于靠近沙特拉德村的峽谷,隧洞在埃莫松水庫以下 300m處通過。在施工期,洞穴和壓力鋼管所有開挖料的出渣均由該交通隧洞運出,渣料將堆放在 SBB公司沙特拉德管理中心與已建的調節(jié)水庫緊靠的隧洞入口附近,需堆放約100萬m3疏松的巖石。這意味著工地交通運輸可保持在最少限度。將來,工程建成之后,該交通隧洞也將于用于運行、電力提供與輸送。還有一條從洞穴區(qū)至地面的較小的用于緊急情況下的人員疏散和通風的隧洞。

還將鉆一條輔助隧洞,用作至施工工地的交通。這意味著沙特拉德村不會受工地交通的干擾。送電線路經(jīng)交通隧洞入口處,通過現(xiàn)有的電網(wǎng)線路,連接到馬蒂尼附近的 380kV的高壓電網(wǎng)。這就迫使經(jīng)過瓦萊州的 380kV輸電線必須按期完工。

工程施工期為7a,機組將最早在2016年投入試運行。

6 電站的運行效益

可以認為,對調節(jié)能力和容量的需求將繼續(xù)增加。然而,實際上瑞士的調節(jié)蓄水潛力已開發(fā)完,在某些鄰國,用以提供基荷的工程(如燃煤火電站、核電站、燃氣聯(lián)合循環(huán)電站)仍在不斷建設。在歐洲互聯(lián)電網(wǎng)中,現(xiàn)在使用的電力仍有約 90%是來自基荷電站。

可再生能源,如風電和太陽能電力不能完全預計,它們僅提供間歇電力。在建設 N.D.德朗斯電站期間,全歐洲預計開發(fā)約 40000MW的風電。因此,由本工程提供的可預計和調節(jié)的電力,對于調節(jié)邊緣能源變化的需求和供應具有特殊意義。

預測 N.D.德朗斯電站的水循環(huán)效率略高于80%。首先,水泵運行所需電力須來自電網(wǎng)。能量二次轉換損失不僅由供需雙向轉變的效益補償,而且也可由谷荷期電網(wǎng)的多余能量補償。

在評估任何像 N.D.德朗斯抽水蓄能電站這樣的工程時,必須在抽水損耗與多項效益兩方面仔細權衡。這里沒有展開討論的一個重大附加效益是,與其他類型的供電調節(jié)和貯能相比,抽水蓄能是一種生態(tài)安全的方式。大型水電站的擴建,即使僅涉及到增容,也可大大有助于達到國家與國際的排放目標。