瑞士在建的 N.D.德朗斯地下抽水蓄能电站

[瑞士]J.爱贝哈德

马元珽 译自英刊《水电与大坝》2010年第5期

经济增长、公共交通运输的不断增加、新的间歇性可再生能源(包括风电)的提供,要求更加灵活的可输送电力以及增容。一项重要的挑战是不断增加能源贮备,保证供电稳定,同时又能灵活地调节峰荷容量。

在建的 N.D.德朗斯地下抽水蓄能电站,旨在通过提供环境良好的可再生能源,以应对这一挑战。

1 两座水库的互连

工程涉及在两座已建的埃莫松(Emosson)水库和老埃莫松(Vieux Emosson)水库之间的一个地下洞穴中修建一座抽水蓄能电站。这两座水库位于瑞士瓦莱州的马蒂尼(Martigny)和沙莫尼(Chamonix)镇之间的芬豪特(Finhaut)市。工程于2009年开工,设计为周调节电站,用于调峰发电。水将从老埃莫松水库经电站发电后流入埃莫松下库。在夜间和周末,电力需求下降时,再将水抽回到上库。平均水头为 300m。

两座水库之间的水平距离较近,对于修建抽水蓄能电站很理想。电站可在2 min内发出额定容量。在抽水运行期间,功耗也可调节。灵活性是该系统的优点之一,这样就可以使 N.D.德朗斯抽水蓄能电站非常适合于调整峰荷与谷荷时段的矛盾。N.D.德朗斯工程平面布置示于图1。

图1 工程平面布置示意

2 现有的蓄水设施

在阿尔卑斯山新月形地区,其可用于瑞士和欧洲电网发电的蓄水资源的利用率很低。

目前,瑞士抽水蓄能电站的发电容量只有300MW。此外,总共1200MW的抽水容量主要用于供水。与瑞士供电容量日变化5000MW相比,该值很低。而在德国,来自风力发电的容量变化更大,已达15000MW。

3 工程开发商

认识到对抽水蓄能的需求后,瑞士讨论了新的方案,关键是考虑找到有潜力的投资者和机构形式。

阿匹克控股公司(54%)、SBB(36%)和 FMV(10%)组成了一个财团,形成了 N.D.德朗斯工程的投资机构。该公司注册为 N.D.德朗斯股份有限公司,并于2008年 8月取得了联邦执照和规划许可,几乎在同时,立即设置工地下属机构。工程施工期约为7a。

从20世纪20年代起,SBB公司就参与水电工程建设,在50年代,该公司还参与了老埃莫松水库的施工。阿匹克控股公司持有埃莫松电站50%的股份,埃莫松水库是瑞士第二大水库,作为该抽水蓄能系统的下库。FMV电力公司作为瓦莱(Valais)州的法定管理参与方,以州公司身份参与。

瑞士 SBB铁路公司的主要目标是为日益增加的需要通过铁路运输 N.D.德朗斯项目所需材料及设备提供牵引动力,而 Alpiq和 FMV的要求是保证为瑞士电网增加峰荷电力。

4 工程概要

直到现在,老埃莫松水库仍只是单一用于常规水电蓄水,目前,在冬季开始向埃莫松水库放水。

该抽水蓄能电站的水轮机最大容量为 630MW,抽水模式下水泵耗能为 620MW。要求压力钢管尺寸很大,为增加可用性,选择了一个双线高压管道系统。两台机组,每台约150MW,各由一条压力钢管供水。两条垂直压力隧洞,直径为6.5m。两条压力钢管,额定流量均为120m3/s。按照规划的运行方式,年发电量为1500GW◦h。为此,要求抽水能量为1800GW◦h。

水力方案的设计基于周调节。根据上、下库的蓄水位,考虑到水头变化大,因而决定采用在夜间和周末抽水。规划采用可变速异步发电机。

为保证频率稳定性,将采用最现代化的电子设备。这样可使水轮机在最高效率下运行,甚至在水泵运行方式下也能对负荷进行微调。由于具有此能力,可对瑞士电网的运行稳定性做出很大贡献。

机组将安装在一个巨大的地下洞穴中。三相变压器和电力开关系统将布置在另一个洞穴中。洞穴顶部岩石厚度约为500m。工程不会影响原先完好的河道,流水不会产生上下涌流。水只在相距1.5 km的两座现有水库之间,通过地下隧洞来回流动。因此,这些集水区的施工相当困难。只有在埃莫松水库水位很低的较短时期内,才能进行施工。

此外,提出了增加 900MW容量的方案。这需扩建压力钢管,并增加2台机组。

5 隧 洞

一条长5.5 km的交通隧洞作为通往洞穴的交通通道,该隧洞始于靠近沙特拉德村的峡谷,隧洞在埃莫松水库以下 300m处通过。在施工期,洞穴和压力钢管所有开挖料的出渣均由该交通隧洞运出,渣料将堆放在 SBB公司沙特拉德管理中心与已建的调节水库紧靠的隧洞入口附近,需堆放约100万m3疏松的岩石。这意味着工地交通运输可保持在最少限度。将来,工程建成之后,该交通隧洞也将于用于运行、电力提供与输送。还有一条从洞穴区至地面的较小的用于紧急情况下的人员疏散和通风的隧洞。

还将钻一条辅助隧洞,用作至施工工地的交通。这意味着沙特拉德村不会受工地交通的干扰。送电线路经交通隧洞入口处,通过现有的电网线路,连接到马蒂尼附近的 380kV的高压电网。这就迫使经过瓦莱州的 380kV输电线必须按期完工。

工程施工期为7a,机组将最早在2016年投入试运行。

6 电站的运行效益

可以认为,对调节能力和容量的需求将继续增加。然而,实际上瑞士的调节蓄水潜力已开发完,在某些邻国,用以提供基荷的工程(如燃煤火电站、核电站、燃气联合循环电站)仍在不断建设。在欧洲互联电网中,现在使用的电力仍有约 90%是来自基荷电站。

可再生能源,如风电和太阳能电力不能完全预计,它们仅提供间歇电力。在建设 N.D.德朗斯电站期间,全欧洲预计开发约 40000MW的风电。因此,由本工程提供的可预计和调节的电力,对于调节边缘能源变化的需求和供应具有特殊意义。

预测 N.D.德朗斯电站的水循环效率略高于80%。首先,水泵运行所需电力须来自电网。能量二次转换损失不仅由供需双向转变的效益补偿,而且也可由谷荷期电网的多余能量补偿。

在评估任何像 N.D.德朗斯抽水蓄能电站这样的工程时,必须在抽水损耗与多项效益两方面仔细权衡。这里没有展开讨论的一个重大附加效益是,与其他类型的供电调节和贮能相比,抽水蓄能是一种生态安全的方式。大型水电站的扩建,即使仅涉及到增容,也可大大有助于达到国家与国际的排放目标。