欧洲抽水蓄能发展的可行性研究

[英国] P.雷诺兹

欧洲抽水蓄能发展的可行性研究

[英国] P.雷诺兹

抽水蓄能可解决间歇性可再生能源分布不均的问题，而地下工程是其重要组成部分。分析了挪威水电站运行模式的变化及其所带来的风险，并提出可通过数据监测和建模解决相关问题。挪威为德国乃至整个欧洲抽水蓄能的发展提供了一个宏大的解决方案。德国目前也正在对其国内各种潜在的抽水蓄能项目展开研究。

抽水蓄能电站；再生能源；水电站运行；挪威；德国

隧洞是许多抽水蓄能方案的一个主要部分，其设计和维修是挪威正在进行研究的一关键环节。如果该国的水电部门计划提供宏观的解决方案，包括大量的大型抽水蓄能方案，以帮助应对欧洲(主要是德国)输电网间歇性可再生能源分布不平衡的影响，那么这项工作更是至关重要。

德国正从核能和褐煤完全转向再生能源，尤其是风能和太阳能。即使世界范围内大型单个项目的类型没有发生变化，人们还是以一种全新的视角审视抽水蓄能项目。用于该研究和计划的潜在坝址已确定，包括图林根州和巴登-符腾堡州选定的坝址。

1 挪威电站运行模式的变化

按照“绿色电池”方案，挪威正计划大规模开发其南部水电资源，平衡欧洲大陆再生能源输出中出现的波动。如果没有这种大规模的、动态的和存储的资源，电网的效率和稳定性就会存在风险，也无法有效地消化掉剩余的电力。

挪威可能转向区域性且综合性的抽水蓄能管理的准备工作包括对现有资产(如需要运行的隧洞和水电站)的严格评估。但是，需要检查水电站和基础设施是否会受到新环境的负面影响，一旦出现问题，则需要解决如何减少和消除这种潜在风险。

挪威科技大学(NTUN)的研究人员一直在研究挪威水电站运行模式变化所带来的可能的后果。所开展的研究包括对泥沙治理的特定安排、水电隧洞中的泥沙状况，及泥沙对特殊气垫调压室的影响与作用的调查。

挪威科技大学的基林特威特指出，间歇性且更多变数的可再生能源发电站(风能、太阳能、小水电)的引进，导致发电更加不稳定，需要去平衡其他的资源来源。

他指出，挪威几乎没有火电，依赖水电站达到平衡，这导致了发电的多变性。这种趋势可能继续，并有可能加大，尤其是由于“绿色电池”计划的实施。

他还补充道，快速变化和更频繁的启停电站将成为挪威许多水电站正常的运行模式。

2 运行模式变化所带来的风险

挪威水电站装机容量如果超过10 MW，都配有发电隧洞，而且大部分是无衬砌的，靠近地下厂房的除外。

基林特威特指出，引入的不同的运行模式，及其对隧洞中水流动力的影响，会影响到地下基础设施的结构以及水轮机的耐久性，也可能对电站泄水排入的河流和其他水体产生局部影响。

他指出，当评估修复或改造工程时，需要权衡可能的后果。重要的是要了解更多变数的水流具有什么样的影响，以及在不产生问题的前提下能承受的最大改变。

他指出，需要对引起的各种变化进行探讨，如隧洞内侵蚀风险以及水轮机过沙量的变化。冰和流量变化也会对尾水排放处的鱼类产生影响。

一些现有电站已发生了某些改变，潜在着受损、停运及经费问题。在这些情况下，通过电站的砂砾石甚至小石块持续不断的输移，都会引起严重破坏，甚至长期停运修复。

3 隧洞中淤积的泥沙

挪威水电产业的重大扩张发生在20世纪60～80年代，这些项目涉及大量地下工程。建设过程中标准化的程序是在隧洞底部铺一层废渣，该层厚约150 mm，之后如果需要可用于维护和实施修复工作。

基林特威特指出，只要流量相当稳定，流速不大于预期，该层通常是稳定的。只有一些细石料会被带入水轮机，一般不会产生太多问题。

装机容量或调峰时电站的使用率会增加，但隧洞基底层可能被破坏。

在减少沿隧洞水流中的泥沙荷载中，沉沙池起到了至关重要的作用。沉沙池布置在压力管道上游，通过局部加大隧洞洞径，减小流速，使较重的物质沉于池底。每隔一段时间，作为维修管理工作的一部分，沉积物会被清除。

基林特威特指出，尽管会有困难，还是设计了沉沙池，沉沙池或许不会取得预期的效果，特别是在提高流速方面。他还指出，在这种情况下，即使很小的石块通常也不会在水流中下沉，而会被携带进入电站，破坏水轮机。

甘·布莱特威特博士正致力于研发一种工具，用以预测液压系统中负荷波动的影响，包括对沉积物和沉沙池的影响。

4 调压室

调压室是调节水工隧洞水流动态的关键部分，可减缓水流和压力变化的影响，特别是水轮机或者水泵-水轮机突然启闭所引起的水流和压力的变化。

露天调压室在水电站中很常见，一般建在上游渠首(低压)和陡峭的隧洞与钢衬压力管道(高压)的连接处，例如很多的阿尔卑斯(Alpine)工程。然而，在挪威，由于覆盖层深厚，形成的理念不同，建露天调压室是不可能的。

挪威地质条件好，其岩体质量和岩石应力状况有益于修建全封闭式的地下调压室。调压室中滞留的空气能缓冲并减少隧洞内的湍流。因为贯穿整个上库到下库的隧洞为一连续的、承压的倾斜隧洞，而气垫调压室便于以不同的方式修建隧洞。事实上，调压室也可紧靠地下电站上游布置。

挪威水电站运行模式的变化，可能会使水力设施内的流量及压力产生更大的变化，并对其结构产生潜在的影响，如气垫调压室需要进行检修。

挪威正在开展对调压室的研究。

5 监测与建模

基林特威特指出，地下工程系统，特别是那些长隧洞，包括进水口、调压室、压力管道、闸门和阀门，其流体力学特性非常复杂。流速加大可能导致侵蚀甚至将泥沙冲出沉沙池。

基林特威特指出，很难预测、观察并了解像这样的关键性事件，尤其是因为隧洞内通常不能安放足够多的仪器以提供更多的监测数据。他认为解决该问题的方法就是使用数值模拟，条件是要有足够的信息，即与输电网不同运行要求相关的空间与时间特性。

他认为，在一个新的运行模式下，数值模拟可以帮助确定可接受的变化程度，而且这也有助于对潜在问题的解决措施进行评估。

关于沉积物的研究，如通斯塔德(Tonstad)电站的现场作业包括通过激光扫描对排水隧洞的原位量测。然后将这些数据用来建立三维模型，用以水工隧洞水流的数值分析。实验室物理模拟工作也正在进行中。

数值模拟在现代调压室设计中显现出了其强大功能。然而物理模拟并不是主要的选择，主要是由于可将以前设计中的简单方程更细化和复杂化，从而得到数值模拟方法。然而，当调压井变得越来越复杂，还是需要通过物理模拟进行验证。

物理模拟和数值模拟相结合已成为欧洲大型抽水蓄能工程的衡量标准。

6 德国工程研究

源于来自挪威大规模的、战略性的抽水蓄能计划的支持，德国正在对国内拟建电站的可行性进行研究。对各种潜在的抽水蓄能项目的研究已展开，包括位于图林根州斯特拉堡两个坝址的比选，以及巴登符腾堡能源集团(EnBW)位于福尔巴赫R.费特威斯(Rudolf Fettweis )电站的改造与扩建。

1 a多前，斯特拉堡宣布，它正计划与未来的投资者一道在德国的中部修建一座抽水蓄能工程。建设集团的一位发言人指出，该工程的候选坝址有埃尔里希(Ellrich)、 洛伊滕贝尔格(Leutenberg)/普罗布斯策拉(Probstzella)，研究仍在继续。

未来的项目要求地下基础设施连接相应的上库和下库，并能容纳厂房综合设施。在设计阶段， 装机640 MW的埃尔里希工程设想的库容为630万m3，装机380 MW的洛伊滕贝尔格工程/普罗布斯策拉工程的库容则为410万m3。

当时估计修建两座电站的费用将分别超过7.5亿欧元和4.5亿欧元。公司预计，到2020年初，上述两座电站中的一座将投产。

在德国的西南部，除了43 MW施瓦岑巴赫(Schwarzenbach)电站，EnBW枢纽还包括一些小型电站。这些工程几乎都是一个世纪前分两个阶段修建完成的。

对两座抽水蓄能电站的新方案进行了详细察看，其中一座装机容量200 MW，另一座装机容量70 MW，用来替代现有的施瓦岑巴赫电站。

拟建的抽水蓄能电站会配有地下基础设施，装机200 MW的工程设置有隧洞和厂房洞室综合设施，而装机70 MW的工程则配有竖井式厂房和地下下库。

7 结 语

由于间歇性可再生能源和能源存储的需求，抽水蓄能电站大有方兴未艾之势。

挪威可为德国和欧洲提供一个宏观的、网络化的抽水蓄能方案，德国本身也正在对更多的地方项目的可行性展开研究。

但无论选择什么类型的方案、设计和布置，都将对欧洲大陆输电网发挥举足轻重的作用。可以确定的是，地下工程的施工、维护和研究将会是抽水蓄能计划的一个固定组成部分。

(黄丽瑾 朱晓红 编译)

2014-11-17

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