美国阿拉斯加水力发电概况

［美国］J.B.约翰逊

美国阿拉斯加州对水力发电设备制造商极富吸引力，因为其水力资源潜能大、其他能源成本高。该州立法规定:到2025年，可再生能源发电量应达到总发电量50%的目标。

由于阿拉斯加主要水系两岸分布着许多偏远的小村庄，运用水力发电可降低能源成本，使村民受益。同时，可以开发库克湾的潮汐资源以服务于该州人口众多的地区。

在育空(Yukon)河上修建的伊格尔和鲁比两个工程是阿拉斯加河流水系上投产发电的第一批示范项目。通过这两座试点已证明，在阿拉斯加实施这项新技术既能带来收益，也面临挑战。

1 水力发电潜能

电力研究协会(EPRI)评估得出，在阿拉斯加沿海地区，潮汐水能达109 TW·h/a。据该协会开展的现场调查研究表明，在阿拉斯加东南部和中部可用潮汐水力资源丰富，有效出力范围为9～1 600 MW。

1986年，纽约大学曾对全美所有水电潜能进行了一项研究。结果表明，阿拉斯加流量大于113 m3/s的河流，预计其水电潜能约为4.3 GW。为使该评估更加精确，美国能源部(DOE)目前正在资助一项研究，以重新评估全美(包括阿拉斯加)所有河流的水力能源状况。2008年，EPRI对阿拉斯加6个社区附近河流的水电资源进行了现场勘查，结果发现年均水能约为9 MW，年总发电量可达78 GW·h左右。

以2010年价格为例，整个阿拉斯加州的能源成本范围为0.14～0.94美元/kW·h。由于可利用当地天然气，安克雷奇地区的能源成本最低。大型农村公用事业公司——阿拉斯加农村电力公司(AVEC)为53个偏远农村供电，供电成本约为0.52美元/kW·h。其他偏远村庄的能源成本往往更高，由于夏季需要用驳船或飞机运输柴油，因此对柴油运输价格的变化极为敏感。

EPRI研究表明，水力发电的成本范围预计为:从0.11美元/kW·h(利用安克雷奇附近潮汐资源)到0.68美元/kW·h(伊久吉格和伊格尔的水力发电)。尽管比美国大陆的年平均能源成本(0.09美元/kW·h)高得多，但其潜在的成本比阿拉斯加现有的能源成本更具竞争力。除了在偏远农村可取代昂贵的柴油，并使能源组合多样化之外，还可为当地创造与能源相关的工作岗位，减少温室气体排放。

2 面临的挑战

研发、运用流体动力设备作为一种相对较新的技术在工程、经济和环境方面都面临较大挑战，只有解决了这些问题，运用该技术的工程才能有效地投入商用。在阿拉斯加州，就面临一些工程问题，如水力设备的锚固、水下安装基础支护、安装方法、技术和操作的可行性、性能和运行维护要求等。

所有这些工程问题都因木质残体、悬沙、河底和海底状况及紊流的影响所致。木质残体会与水力设备发生碰撞或堆积在设备上，造成设备损坏并中断运行。悬沙会磨损设备部件，而锚和基础周围的泥沙淤积或冲刷，都将影响设备性能。紊流会减少水力设备的转换效率，且会给设备部件施加疲劳应力。除此之外，诸如确定水力设备的最佳潮位、河道位置以及投资回报率等一些经济因素也都难以界定。

在阿拉斯加的许多地区，水轮机不能全年投入运行，其原因是:冬季(从10月到次年4月)流速低，小冰块可能堆积在水轮机部件上，使河中形成冰盖或冰块漂移到潮汐港池(如库克湾)。

通常，水力设备正常运行的最小流速为1～2 m/s，最佳流速为1.5 ～3.5 m/s。然而，一些新设备甚至在流速低至0.5 m/s下也能发电，这将大大地增加可用站址的数量，并提高工程的经济效益。

美国联邦能源管理委员会(FERC)负责监管水力发电及设备安装。无论输电至商业性电网的任何一台水力潮汐发电设备或河水发电设备都需要得到FERC的认可后才能预以安装。FERC工作人员会极为关注水力设备的紊流、腐蚀、锚固系统、漏水或漏油、水下输电路线的效力、安装和维修等问题。以上几个方面也是设备制造商和用户目前正在努力解决的工程问题。

除此之外，相关人士和监管机构还密切关注设备对海鱼和河鱼以及海洋哺乳动物的潜在生态影响。阿拉斯加海鱼的捕获量约占美国每年商业捕鱼量的一半。鲑鱼在阿拉斯加河流水系中的迁移和产卵。另外，库克湾有很多濒危的白鲸出没，其部分海域已被美国国家海洋和大气管理局的国家海洋渔业服务处划定为白鲸栖息保护地。

对于商用性设备而言，向FERC申请许可的过程耗时又费力。为减轻对短期小型示范工程的监管负担，对旨在试验新技术的水力示范项目，FERC提出的许可审批的最短期限为6个月。示范工作包括设备安装、运行和电网连接，以及对环境影响的调查等。

在阿拉斯加各河流中，环境影响监测主要集中在鲑鱼上。阿拉斯加渔猎局(ADF＆G)要求进行现场调研，了解现场鱼群的数量及其洄游模式，才能发放水力设备安装许可证。一旦设备投入运行，ADF＆G也要求对鱼类与设备之间的相互作用进行研究，以确保设备对鱼群无不利影响。

水力设备技术和经济上的可行性取决于制造商的技术水平、在目标市场上的发电成本、水力技术在阿拉斯加州能否有效运行。这些只能通过实施特定的试点项目得以确定。设在阿拉斯加鲁比和伊格尔的2座水电工程运行情况表明:水力发电可满足农村市场的需求，但是在飘满木质残体的河流中，设备的维护、运行难以得到保障。

3 发展途径

阿拉斯加承诺到2025年50%的电力将来自可再生能源。该州提倡使用本州资金发展可再生能源，并与美国联邦机构开展合作，赞助私人和公共机构开发公用电力工程，共同开发新能源和新兴能源技术，并进行应用研究。

在阿拉斯加，为水力工程筹资的途径较为广泛。2005年，通过可再生能源公用事业工程竞争合格的申请人提供资金支持，阿拉斯加设立了可再生能源基金(REF)。该基金是由旨在降低阿拉斯加能源成本的州属机构——阿拉斯加能源局(AEA)管理。除REF之外，AEA还管理着新兴能源技术基金(EETF)，可为阿拉斯加的水力发电工作组提供赞助。

通过最初由德纳利委员会(DC)启动的EETF计划，最近实施的大多数水力工程已获得资金支持。DC是一家独立联邦机构，其任务是对阿拉斯加整个农村的公用事业设备、基础设施和经济提供重要支持。建立EETF旨在为即将投入商用的新兴能源技术试点工程提供资金支持，目前使用联邦政府(通过DC)与州的联合资金作为奖励基金。此外，DOE支持该州建设可再生海洋工程和河流水力发电能源技术开发工程，有两种方式:①通过竞争性投标流程;②在能源部与州之间实施共同出资的合作关系，从而建立担保贷款计划。

为促进水力发电事业的发展，该州各公司、大学、研究中心及其他组织正开展多项研究，课题包括:①沿河选定位置确定可用水能;②研究泥沙对机械轴承的磨损;③提出河流特性表征方法并将其用于推进水力设备的安装。

对河流特性的勘探研究有助于确定水力设备安装的最佳位置，提供影响设备运行与维护的相关信息。重要的河流特征参数包括有效水能、紊流、悬移质漏沙与河床推移质输沙、木质残体数量和结冰情况。阿拉斯加水力发电研究中心(AHERC)重点关注与流水和潮汐发电相关的应用研究和工程。该中心隶属于阿拉斯加能源与电力中心(ACEP)，其在阿拉斯加费尔班克斯大学(UAF)开展了一项能源应用研究项目，并制订了有助于实现AHERC目标的战略计划。

该计划指出，AHERC将与各方发展合作伙伴关系，以解决技术、政治、资金等问题，并依靠咨询委员会指导研究工作。AHERC的主要目标是在尼纳纳的塔纳诺河上建设水力发电试验站点，以便在环境条件良好的条件下对设备进行试验。

4 工程实例

(1)伊格尔示范工程(阿拉斯加电力＆电话公司，AP＆T公司)。为确定水力发电技术的可行性，DC于2007年批准AP＆T公司在育空河上游伊格尔附近安装水轮机，进而开展试验性研究。开展此项目旨在利用育空河巨大的水能潜力，以减少对柴油发电的依赖。

在一家新能源公司安装装机25 kW的水轮发电机前就进行了详细的水力学试验和水深测量。按照AP＆T公司运行许可证的要求，开展了鱼类研究，以确定水轮机对当地鱼种和洄游鲑鱼的影响。

水轮机功率转换系统由阿拉斯加电池电源公司设计，其目的是为了将零散的水电并入电网或使水轮机与柴油发电机并联运行。电源转换系统运行良好，能顺利地同步连入电网。通过水下电缆输电至功率为6 kW的串联换流器上，使水轮机发电占伊格尔电力系统负荷的25% ～30%，从而减少了对柴油的需求。在零散发电模式下，机组可成功输送60 Hz稳定电源，负载电量可达10 kW。超过系统负荷的发电量可送入电能损耗库。两个专门设计的重载穿透式锚锭成功地用在相对较平滑的江底，其上覆盖的岩块厚度均超过0.5 m。

技术问题包括变速箱过热、变换器由于可接受频率范围过窄(对伊格尔独立电网上出现的线偏移而言)而跳闸。增加一个外部装在甲板上的油循环/冷却系统及接收频率范围更广的变换器就能解决该问题，但同时漂在水中的大型漂浮物会干扰水轮机的运行。苔藓和树枝以及连根树堆积在电线及设备上。电线及电缆被小树枝缠住，会越来越难以处理，因此需清除堆积物才能继续运行。浮在中间的漂浮物会缠住锚索，也需要费劲才能将其移至地面运走。漂移物堆积在河中向下游移动，将会对沿途造成威胁。清运漂浮物需要花费大量人力和设备，且成本非常高。

AP＆T公司没有确定水力发电成本。根据运行经验可得出结论，实际成本和维护成本是可变的，且水力发电只涉及到水轮机部件如何与河流环境相互作用。每个站点遇到的问题不同，需采取不同的策略，以确定水力发电技术产生的影响。在伊格尔，当水轮机正常运行时，几乎不需要进行维护，且没有燃油成本，比柴油发电成本低。然而，伊格尔工程整个夏季运行的累积成本是柴油发电成本的几倍之多。

因此，AP＆T公司认为，在育空河伊格尔站运行一台水轮机，无经济优势，希望能找到可替代柴油发电的电力资源。因此，公司对参与水力发电技术的研发颇有兴趣，与DC和ACEP就在内尼拉AHERC水力试验中安装伊格尔水轮机的思路开展工作。

(2)鲁比示范工程(育空河种族间流域委员会，IRITWC)。2008～2010年夏季，由新能源公司研发的一台装机5kW的水力发电机安装在育空河鲁比站。实施该项目是为了试验育空河水力发电是否可替代成本较高的柴油发电。发电机安装在一艘充气浮船上，船头装有V形排漂浮物吊杆，使漂浮物远离发电机。

水轮机按预期情况运转，但在项目实施期间发电较少，其原因是:水流缓慢、河底输电线磨损问题、输电线难以定位问题，以及有大量漂浮物。尽管引水系统运转有效，但仍需要定期清洗，因为容易造成堵塞的水上和水下漂浮物将不利于水轮机运行。2010年涨水次数较多，造成下游漂浮物较多，即使吊杆被重新设计了两次，但仍不利于水轮机驳船的长期部署。

(3)库克湾及塔纳诺河尼纳纳筹备工程(美国海洋可再生能源电力公司，ORPC公司)。ORPC公司已获得了FERC颁发的初步许可证，并草拟了试点项目许可申请，拟在库克湾和塔纳诺河附近安装和试验一系列水力发电系统。

此后ORPC深入开展了海洋的地球物理勘探和大范围的海洋流速测量工作，并启动了预先部署的鱼类与海洋哺乳动物的研究。随后在流速2.5 m/s的情况下对水轮发电机进行了测试。结果显示，该水轮机可在设计性能误差范围内发电。2011年，DOE赞助安克雷奇大学开展试验，在多沙、流急及载重条件下，为反映库克湾ORPC现场预期情况，对轴承及冰块进行试验。为进一步确定漂浮物、泥沙和冰块在冬季的数量，未来还要继续进行研究。

在尼纳纳对塔纳诺河现场的勘察始于2008年，主要测量流速和水深。之后ORPC与UAF合作，成立了AHERC。研究工作继续并扩大，包括河道资源的建模、基准环境数据(鱼和泥沙)收集、河道淤积和引水技术的分析等。

安装水轮机后，还将研究监测安装和运行对环境产生的潜在影响。在尼纳纳的水轮机试验还包括设备性能的数据采集、安装、运行及维护的成本以及广泛的环境研究。

(4)伊久吉格水力发电工程(AEA)。伊久吉格是阿拉斯加西南部一个不足60人的偏远小村庄，位于伊里亚姆纳湖附近的克维查克(Kvichak)河口处。该项目处于提高水轮机发电能力的初始阶段。FERC已发放初步许可证，并已于2011年进行了基线研究。于2012年选择具体的水力技术并实施安装。

(5)塔纳诺河道特征勘测工程(AHERC)。该项目旨在确定此河流全年可用水力潜能、水力设备安装和运行所造成的环境问题。

在河流环境方面，重点关注河流水力学测量和模拟(流速、流线、紊流和河道稳定)、悬沙、推移质输沙、泥石流、冰和鱼类的相互作用。研究结果有助于ORPC在合适站点安装和运行一台水轮机，以获得运行水力试验设备的许可。

在鱼类研究方面，使用锚和系泊浮筒，以便水力设备制造商试验其技术。这样不会增加为满足许可机构的要求而单独开展的水力特征或基线研究的负担。

5 未来计划与机遇

水力设备制造商、公用事业公司及州相关机构对利用阿拉斯加水能的兴趣还在不断增加。AEA发起成立的阿拉斯加水力工作小组中，有50多位来自州内外的参与者。水力设备制造商计划进入阿拉斯加市场，并试图利用各种技术兴建示范及试点工程。

Pulse潮汐公司是世界领先的潮汐水力技术开发商之一，在英国运行了装机100 kW振荡水翼原型机组，有2 a多的运行经验，计划在未来几年将1 MW级潮汐设备引进库克湾。该公司近期获得了DOE资助，用以进行可行性研究和环境研究。同时，也示范了一种径流式振荡水翼流体动力发电机，计划在未来几年在阿拉斯加州进行推广。

总部设在美国的波斯码(Boschma)研究院计划在塔纳诺河上示范装机15 kW的循环水轮机原型技术，并准备将该系统投入商用。循环水轮机可通过运转期间不断改变叶片冲角最大化提升力和减少阻力得以优化，从而提高效率。文丘里管流量计增加了水轮机的动能，使得系统结构紧凑，因此适合于水浅的小河和缓慢的流水中，可把水力潜能扩大到偏远的小型电力市场。

水轮机能源公司正在阿拉斯加尼纳纳河上的AHERC试验站试验一台维瓦奇装机3～5 kW水力发电机。项目将对维瓦奇公司的产品能源开采效率、防漂浮物能力、鱼类安全可靠性、运行和维护要求和经济可行性进行评估。

维瓦奇公司采用增强的涡轮引起的振动和发电机非正常转动从河流或潮水中发电。该技术已在密歇根州休伦港圣克莱尔河上进行了试验和安装运行，效果较好。

怀特斯通(Whitestone)电力和通信公司正在计划使用DOE提供的经费对下击式水轮机进行测试和评估。在极端气候条件下和有鱼和漂浮物及流沙的情况下，提高水轮机在浅水河道环境中运转的能力。最后，美国贝克休斯(Backer Hughes)公司已制定了各项计划用以设计和试验一种重新配置的水泵系统。

各个水力发电设备制造商和其创新的技术理念，公用事业公司、当地社区、州和联邦政府的强烈关注以及高能源成本使阿拉斯加州成为发展和培育水力发电产业的理想之地。