加拿大首座具有地下下庫的抽水蓄能電站

［加拿大］ M·特金等

如今，可再生能源(如風(fēng)能、太陽能)在世界能源供應(yīng)領(lǐng)域里的地位越來越重要。由于這些能源為自然間斷性供應(yīng)，因而人們對在非峰荷期間存儲多余能量，在峰荷期間對其進行重新分配的能量存儲系統(tǒng)產(chǎn)生了興趣。抽水蓄能電站非常適于這一目的，因此可以說它是目前性價比最高的能夠存儲大量電能的方式。

由于常規(guī)的抽水蓄能電站取決于兩座水庫之間的有效水頭，因此當(dāng)?shù)氐牡匦魏偷貏輹O大地限制潛在庫址的數(shù)量和位置。為了規(guī)避這一問題，一家獨立的電力制造商——河岸電力公司(Riverbank Power)，聯(lián)合AECOM工程咨詢公司，計劃開發(fā)一項抽水蓄能工程，即威斯卡西特(Wiscasset)工程，其下庫通過地下開挖而成，是北美擬開發(fā)的幾處站址中的第1個。

1 威斯卡西特工程

河岸電力公司開發(fā)的首座抽水蓄能電站靠近威斯卡西特鎮(zhèn)，在美國緬因州蒙特斯威格(Montsweag)灣岸邊。該海灣是席普士考(Sheepscot)河入?？谙到y(tǒng)的一部分，且緊靠大西洋。工程位于緬因州已退役的揚基(Yankee)核電站的正北面，因此可以利用已有的設(shè)施，比如輸電線路和變電站。站址位于波士頓東北約250 km處，波士頓是新能源的重要市場。

完建后，威斯卡西特工程總裝機容量將為1000 MW，蒙特斯威格灣將用作該工程的上庫，電站和下庫則將在地下約600 m深處開挖。下庫將能容納連續(xù)6 h滿負(fù)荷發(fā)電的排水量。

永久性的地面建筑物基本上位于一小塊區(qū)域內(nèi)(大約60000 m2)，遠(yuǎn)離海灘。引水口、檢修和交通入口建筑物、變電站、豎井出口建筑物和交通坡道入口的地面建筑物布置在對自然資源(如濕地)影響最小的地方。

地下發(fā)電系統(tǒng)將包括:下庫、電站廠房、4根引水管、交通坡道和豎井。下庫將是工程的最大建筑物，由6個寬27 m、高48 m、總長4300 m的無襯砌洞穴組成，巖石爆破量近560萬m3。在主洞穴之間開挖了尺寸較小的連接洞。另布置有一條通風(fēng)廊道，通過通風(fēng)豎井使下庫所有的洞穴與地面相通。

電站廠房洞室內(nèi)將布置4臺250 MW的可逆混流式水泵水輪機組。每臺機組均配有引水管和球閥。引水管由混凝土制成，其下部將用鋼襯襯砌。球閥的位置緊接在每臺機組的上游，用于對水輪機的檢查、維修或緊急停機時排水。通過尾水管肘管下游的獨立蝶閥，每臺機組也能與下庫隔開。

變壓器布置在電站廠房上游的開挖洞室內(nèi)。混凝土豎井中鋪設(shè)的高壓電纜，將變壓器和地面變電站相連。電站廠房配有2條通風(fēng)豎井:一條豎井供應(yīng)新鮮空氣，另一條豎井則排出廢氣?？赏ㄟ^電梯豎井和永久性交通坡道(大約長6 km)進入地下樞紐。威斯卡西特工程布置狀況示于圖1，工程的主要特征參數(shù)列于表1。

表1 工程主要特征參數(shù)

2 開挖下庫的優(yōu)點

無論是常規(guī)布置還是地下式，抽水蓄能電站都有很多優(yōu)點。除了儲存能量外，抽水蓄能工程還具有提供峰荷、不停地響應(yīng)負(fù)荷的變化、功率調(diào)節(jié)以及轉(zhuǎn)換和備用存儲的優(yōu)點。根據(jù)系統(tǒng)的需要，抽水蓄能電站可以在同步電容模式下運行(即調(diào)相運行)，為電壓調(diào)節(jié)輸出無功或吸收無功，因此，可以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

此類工程還具有其他一些優(yōu)點，比如選址更加靈活，可以大大減少視覺和環(huán)境的影響。

2.1 選址靈活

抽水蓄能電站可以建造在靠近主負(fù)荷中心的地方，而且最好是靠近可再生能源，這樣通過減少線路的電力損耗，可以優(yōu)化能量存儲的效率。如果輸電線路出現(xiàn)故障，它可以立即響應(yīng)，對系統(tǒng)可靠性的貢獻更大。然而，由于需要合適的地形以及必要時或許還要建造人工水庫，這樣就使得常規(guī)的抽水蓄能工程難以靠近大城市，輸電線路的施工也可能相當(dāng)困難且造價太高。抽水蓄能工程庫址使用廢棄的礦山作為下庫的可能性也不是很大，而且，這些庫址并不靠近已建的上庫、負(fù)荷中心或已建的輸電線路。采用地下開挖水庫的方案靈活性更大，并敲開了在負(fù)荷中心附近修建抽水蓄能工程的大門。

2.2 環(huán)境影響最小

當(dāng)豐富的自然水體用作上庫時，無需淹沒土地即可建造一座人工水庫。同樣，如果電站和下庫位于地下，地面建筑物將極少，只有引水口、變電站、交通入口和檢修建筑物等。引水管道的形狀設(shè)計也將考慮減小流速，以便使?jié)撛诘沫h(huán)境影響最小化。

2.3 重復(fù)利用的設(shè)計原則

此類工程的最主要優(yōu)勢是有可能在多個工程中重復(fù)應(yīng)用同一設(shè)計原則，而只需調(diào)整工程現(xiàn)場的特征參數(shù)。工程的主要參數(shù)依然保持不變，比如水頭、容量和發(fā)電時間;部分設(shè)計可再次用于隨后的工程，比如廠房優(yōu)化。也可以保留經(jīng)過實踐檢驗的同一水泵水輪機的設(shè)計，以保證設(shè)備的可靠性并避免不必要的新模型試驗花費?；谝酝默F(xiàn)場經(jīng)驗，可以進一步改善施工方式，因此也就減少了工程的風(fēng)險和成本。

3 選擇潛在庫址的準(zhǔn)則

用于評估潛在庫址的主要因素是水文、地質(zhì)以及與輸電電網(wǎng)之間的距離。因為這些因素對工程的經(jīng)濟可行性有著重要影響。

3.1 水文

首先，庫址需要靠近可用作上庫的水體(湖泊或河流)。這樣就無需專門建造一座人工水庫，因而也就可以避免淹沒土地、重新建壩或建堤。水面和水量應(yīng)足夠大，這樣在電站運行時就不會對水位產(chǎn)生明顯的影響。

3.2 地質(zhì)

地下水庫和廠房深處的巖石質(zhì)量優(yōu)良是極其重要的。為避免在開挖交通坡道和豎井時延誤工期及產(chǎn)生額外的成本，因此期望從地面到地下發(fā)電綜合體所處地段的地質(zhì)狀況優(yōu)良。

為減少工程成本，形成下庫的大洞穴可以是無襯砌的。地下洞室的加固將限于常規(guī)的巖石支護，如巖石錨桿、巖石掛網(wǎng)和局部的噴射混凝土。然而，對于環(huán)繞下庫的巖石體來說，其不滲透性是至關(guān)重要的，以避免大量的水直接滲入水庫并降低電站的總效率，同時避免天然的地下水位不受影響。

3.3 與電網(wǎng)的距離

建造新輸電線路的成本不菲且復(fù)雜，包括必須獲得許可，也許還需要征地。在某些情況下，也可以考慮建造地下輸電線路。然而，這種方案的成本甚至?xí)痈甙?。因此，抽水蓄能電站距離已建的輸電線路越近，其聯(lián)網(wǎng)的成本就越低。當(dāng)然，已建輸電線路需要有足夠的輸送容量。

威斯卡西特庫址距緬因州已退役的揚基核電站的已有輸電線路不超過1300 m。因此將使用這些已建的輸電線路和變電站。

3.4 其他

修建地下發(fā)電綜合系統(tǒng)開挖巖石方量很大，因此必須仔細(xì)研究爆破巖石的處置方案。經(jīng)過研究，認(rèn)為在當(dāng)?shù)厥袌錾箱N售爆破巖石是最佳的解決辦法，對工程財務(wù)也有幫助，且還可以避免現(xiàn)場永久堆放。威斯卡西特庫址水路交通便捷，便于用船運輸爆破巖石。

4 巖石開挖和地質(zhì)狀況

修建該地下電站和下庫所需的開挖量巨大，而地質(zhì)則是工程進展順利與否的最重要因素之一。600 m深度的巨大開挖量即可說明其技術(shù)上的難度。由于巖石的穩(wěn)定性，形成下庫的大型洞穴一旦被填滿，將不易進入，因此，必須苛求巖石具有良好的地質(zhì)力學(xué)特性以及采用恰當(dāng)?shù)你@孔和爆破方式，以獲得穩(wěn)定的洞壁和洞頂。這些方法也被應(yīng)用于布置電站成套設(shè)備的其他洞穴開挖。

綜上所述，出于經(jīng)濟原因，形成下庫的洞穴將不作襯砌。因此這些被開挖的洞穴內(nèi)的巖石構(gòu)造必須保持足夠的密實性，決不能透水。如果巖石的滲透率太高或巖石包含有喀斯特結(jié)構(gòu)，那么其容納的水可能將滲入到下庫，這樣就會導(dǎo)致有效庫容縮減。而不滲透的巖石將能確保電站的正常運行，且不會對自然水體產(chǎn)生任何影響。

確定地下建筑物的幾何形狀時，應(yīng)當(dāng)考慮到巖石的性狀、安全性、施工方式、施工效率和地產(chǎn)問題。洞穴的拱形寬度和相對平坦度可以起到橫梁的作用。中央導(dǎo)洞法以及接下來的巖石加固，則能確保巖石拱形的穩(wěn)定性。兩個相鄰主洞室之間柱子的寬度，適于提供長期的穩(wěn)定性并防止來自相鄰廊道的滲透。對所有的地下建筑物，都將使用常規(guī)的鉆孔和爆破技術(shù)進行開挖。

規(guī)劃了標(biāo)準(zhǔn)的巖石加固方案，擬使用預(yù)應(yīng)力巖石灌漿錨桿。在巖石條件差的情況下，將使用有或沒有掛網(wǎng)支護的噴射混凝土，而且，為了安全，施工時將在拱壁上掛一靈活的鐵絲網(wǎng)，施工結(jié)束之后再將其移走。采用階梯式開挖來加深洞穴，要求周邊爆破受控，以保持最終巖壁的穩(wěn)定。

為了盡量縮短工期，將使用常規(guī)的鉆孔和爆破技術(shù)開挖坡道。還計劃在坡道表層上鋪設(shè)混凝土板，以提供一個永久的交通面。對坡道開挖的工期要求嚴(yán)格，應(yīng)在地下發(fā)電綜合系統(tǒng)開挖前完成。為了提高工作效率，提出了一個螺旋坡道的理念以獲得幾個工作面，在螺旋坡道的旁邊開挖2條豎井通往電站層，這樣就能加快鉆孔爆破方式的工作進度。因此，同時開挖了多個作業(yè)前緣(一個從入口處開挖，其他則從豎井處開挖)。而最佳作業(yè)面應(yīng)該是在入口處，因為此處可以使用大型機械。

到目前為止，威斯卡西特庫址的鉆孔結(jié)果和巖芯采樣分析結(jié)果表明，在電站和下庫的深度范圍內(nèi)，巖石質(zhì)量為優(yōu)良到極佳等級。水壓試驗結(jié)果也顯示巖體的滲透性小。

5 最佳深度

下庫為地下式的抽水蓄能工程，其總水頭的確定并不受限于地面地形。在確定下庫和地下電站廠房深度范圍內(nèi)的地質(zhì)條件適宜以后，即表明可以選擇任何范圍的水頭。當(dāng)然，必須對水頭進行精心優(yōu)化，以使工程的成本最小化。

對于給定的裝機容量，水輪機的流量將與水頭成反比。因此，水頭越高，同一發(fā)電量所需的流量就越小。水輪機流量減少，可以選用較小的引水管、閥門和水輪機，更重要的是，在發(fā)電時間相同的情況下，可用較小的下庫。另一方面，電站布置的較深，意味著與其配套的引水管、交通坡道和豎井也會相應(yīng)較長。此外，還要考慮到施工難度和開挖成本，電站和下庫在地下布置的位置越深，預(yù)計其施工難度和開挖成本就會越高。

決定水頭的另一個重要因素是水泵水輪機的型式。對于水頭小于650 m的，采用可逆單級混流式水泵水輪機是一個非常高效的方案。它既可以作為水輪發(fā)電機運行，也可以逆向作水泵運行，非常緊湊的布置可以減少設(shè)備及土建工程的成本?？梢哉{(diào)節(jié)的導(dǎo)葉能夠很好地控制機組的功率且效率高?？赡婊炝魇剿盟啓C已被證實技術(shù)成熟，且可由多個廠家供應(yīng)。在過去的40 a里，已有許多類似或更大的水泵水輪機投入商業(yè)運行。

對于水頭超過650 m的，預(yù)計可逆混流式水泵水輪機的效率會降低，具有過往經(jīng)驗的供應(yīng)商非常有限。對于這種較高的水頭而言，一臺沖擊式水輪機組合一臺多級水泵，可能是一種更為適宜的方案。在這種配置情況下，水輪機和水泵是分離的兩臺水力機械，由一根軸連接到電動機/發(fā)電機上。然而，與同樣容量的可逆混流式水泵水輪機相比，上面那種設(shè)備的配置成本相對較高，而且需要較大的電站廠房。

總之，確定水頭是一項尋求最小開挖量和對設(shè)備成本進行優(yōu)化的過程，當(dāng)然必須是在不放棄設(shè)備的整體可靠性原則的前提下。在工程的前期評估研究中，已經(jīng)將最大靜水頭設(shè)定為573 m;在詳細(xì)設(shè)計階段，由于可以獲得現(xiàn)場查勘結(jié)果以及更加準(zhǔn)確的成本，因此，將對已確定的開挖深度進行修改和進一步優(yōu)化。鑒于可逆混流式水泵水輪機技術(shù)的最新進步，預(yù)計最大凈水頭最終會上升到600～700 m。

6 結(jié)語

初步評估研究和現(xiàn)場地質(zhì)查勘結(jié)果證實了將建于緬因州蒙特斯威格灣1000 MW的威斯卡西特工程的可行性。目前正在進行具體的工程現(xiàn)場查勘，查勘結(jié)果出來之后，將進入詳細(xì)的工程施工設(shè)計階段。