抽水蓄能电站蓬勃发展——以美国和俄罗斯为例

[英国] P.雷诺兹

战略与规划

抽水蓄能电站蓬勃发展
——以美国和俄罗斯为例

[英国] P.雷诺兹

抽水蓄能电站作为水电行业的组成部分，正处于蓬勃发展期。以美国为例，研究了抽水蓄能电站的设计、规划、许可申请和发放情况，重点介绍了纯抽水蓄能电站的申请及审批过程。另外，以俄罗斯某抽水蓄能电站为例，分析了该类电站在开发过程中可能面临的困难及挑战。相较于其他可再生能源的电力产量的不稳定性，抽水蓄能电站在电力服务中具有灵活、经济、快速响应的优势，因而正不断吸引更多的关注并迎来了其规划建设的高潮期。

抽水蓄能电站；电站设计；许可申请；俄罗斯；美国

抽水蓄能电站正成为水电行业中的热门领域。尽管在世界各地都零星分布着一些抽水蓄能电站，但其增长可能主要集中出现在某些地区，如挪威和美国。

挪威人称抽水蓄能电站为“绿色蓄电池”，他们不断开发该类电站以增强现有及升级后的集水系统的互联性。其抽水蓄能电站可作为欧洲大陆，尤其是德国等附近国家调节电网和电力市场供电波动的平衡手段。欧洲大陆电力系统的稳定性问题源于其大规模地投资间歇性可再生能源。

尽管美国没有制定这种集中开发、相互联系的发展战略，在其开发计划中抽水蓄能电站仍占有相当大的容量，全国各地都有许多抽水蓄能电站项目。据联邦能源管理委员会(FERC)披露，最近几年他们所收到的建设许可申请和所颁发的许可证大幅增加。其中一个处于规划阶段的项目是海威岭(Haiwee Ridge)抽水蓄能电站。

1 海威岭抽水蓄能电站

该电站位于加利福尼亚州因约(Inyo)县，靠近奥兰恰(Olancha)，正在申请初步建设许可。该纯抽水蓄能电站项目将利用南海威水库，电站几乎所有的用地都属于美国土地管理局管理。2012年该项目取得初步建设许可，对不同设计方案进行了规划及可行性研究。初步建设许可是颁发给海威岭水电有限责任公司的，批准了3个方案，均由碾压混凝土坝和地下厂房构成，装机500 MW。

(1) 南海威水库方案A。上库主坝为碾压混凝土坝，坝高 48.8 m，坝顶长692 m；2座碾压混凝土副坝，坝高分别为10.7 m和19.8 m，坝长都为207.3 m。下库重建原南海威大坝，最大坝高24.7 m，坝顶长474 m。采用地下厂房发电。输水系统分3段：低压隧洞段，采用混凝土衬砌，洞径5.6 m，长 914.6 m；高压竖井，采用混凝土衬砌，直径 5.6 m，长2 400 m；尾水隧洞段，直径 6.7 m，长701.2 m。

(2) 南海威水库方案B。上库主坝为碾压混凝土坝，最大坝高 64 m，坝顶长 402.4 m；1座碾压混凝土副坝，最大坝高 7.6 m，坝顶长244 m。下库重建原南海威大坝，最大坝高27.7 m,坝顶长464.3 m。采用地下厂房发电。输水系统分3段：低压隧洞段，采用混凝土衬砌，直径 5.8 m，长1 550 m；高压混凝土竖井，直径 5.8 m，长1 710 m；尾水隧洞段，直径 6.9 m，长1 220 m。

(3) 新建水库方案。上库主坝为碾压混凝土坝，最大坝高64 m，坝顶长 402.4 m；下库坝新建碾压混凝土坝，最大坝高 18.3 m，坝顶长3 230 m。采用地下厂房发电。输水系统分3段：低压隧洞段，采用混凝土衬砌，直径 5.3 m，长3 810 m；高压混凝土竖井，直径 5.3 m，长1 920 m；尾水隧洞段，直径6.4 m，长762 m。

经初步规划研究，2014年7月，Gridflex能源有限责任公司对初步许可提出了修改方案：将南海威水库方案B的装机容量减少一半，至250 MW；对新建水库方案提出了两项调整，即放弃新建下库和改变项目范围边界。

2 美国纯抽水蓄能电站的发展

在众多规划的项目中，有相当一部分是纯抽水蓄能电站。政府希望该类电站项目的建设许可审批过程缩短至2 a。FERC已批准将水电行业的某些类别，尤其是非电力用途坝和纯抽水蓄能电站的许可审批过程，控制在2 a内的首次试点研究。

2014年8月初，FERC发布公告称，缩短许可过程的第一个研究试点将选择肯塔基州的某小型水电工程。该工程计划在现有的由肯塔基河管理局所辖的11号水闸和大坝上进行开发，装机5 MW。目前尚无针对抽水蓄能项目的试点研究。

根据2013年的《水电监管效率法案》，FERC应针对非电力用途坝和纯抽水蓄能电站进行调研，以建立2 a内发放许可的制度。2014年1月，FERC号召一些项目尝试申请缩短许可过程，并声明其针对非发电用途坝的标准是对环境影响最小，而纯抽水蓄能电站则不允许持续与天然水域相连。

FERC的数据表明，近年来，尤其是2008～2011年，纯抽水蓄能电站受到了广泛关注，从2006年开始就成为了初步建设许可的主要申请者。2011年后，尽管总体上抽水蓄能电站建设申请数量显著下降，呈现出与早些年相近的低潮趋势，但混合式抽水蓄能电站的初步建设许可申请又重新占据了主导地位。在西海岸，尤其是加利福尼亚和华盛顿州，申请的项目多数是混合式的。美国西部很多州的纯抽水蓄能电站项目正在申请初步建设许可，如俄勒冈州、亚利桑那州、内华达州和新墨西哥州。还有其他一些州的纯抽水蓄能电站项目也已纳入愿望清单，如俄克拉荷马州、田纳西州、肯塔基州和新泽西州。据FERC 数据，鹰山(Eagle Mountain)项目已取得许可；2012年以来已有数十项工程取得初步许可。

3 美国抽水蓄能电站的许可申请与发放

2014年4月，FERC发布了抽水蓄能电站最新的总体数据，已取得初步许可的新项目装机容量总计41 310 MW，即将获得初步许可的新项目5 501 MW。而目前已完全通过审批并取得许可的抽水蓄能电站总装机16 571 MW，即将完全取得许可的有2 737 MW，正在重新申请许可的有2 875 MW。

(1) 已取得初步许可的项目主要集中在加利福尼亚州(9 373 MW)、华盛顿州(5 100 MW)、俄克拉荷马州(4 190 MW)、田纳西州(3 992 MW)、内华达州(3 400 MW)、亚利桑那州(3 201 MW)和犹他州(3 100 MW)。装机容量大的项目绝大多数集中在西海岸和西南地区。

(2) 2014年取得初步许可的项目。2014年许多抽水蓄能电站项目取得了初步许可，如：亚利桑那州装机150 MW的阿霍(Ajo)项目和150 MW的萨卡顿(Sacaton)项目(由绿色蓄能公司开发)；康涅狄格州250 MW的科菲丘(Coffin Butte)项目(由CB Energy Park有限责任公司开发)；内华达州250 MW的玫瑰溪(Rose Creek)项目(由Gridflex 能源有限责任公司开发)。2014年初，水电绿色能源有限责任公司在加利福尼亚州有4个项目取得初步许可，即装机1 230 MW的南彭德尔顿(Pendleton)、1 340 MW的东范登博格(Vandenbergh)、1 350 MW的西范登博格(Vandenbergh)和1 270 MW的罗斯堡(Fort Ross)项目。该年取得初步许可的远期项目包括：阿肯色州装机600 MW的河山(River Mountain)高级项目(由控制技术股份有限公司开发)和内华达州750 MW的白松(White Pine)项目(由白松水电有限责任公司开发)。

(3) 2013年取得初步许可的项目。2013年取得初步许可的抽水蓄能项目有：南达科他州装机800 MW 的格雷戈里(Gregory)县项目(由西明尼苏达市政电力公司开发)；华盛顿州600 MW的卡斯凯德(Cascade)项目(由卡斯凯德蓄能有限责任公司开发)，150 MW的普赖恩维尔项目(Prineville) (由普赖恩维尔蓄能有限责任公司开发)，2 000 MW的冷溪谷(Cold Creek Valley)项目(由S. Martinez Livestock股份有限公司开发)，1 000 MW 的班克斯(Banks)湖项目 (由Grand Coulee 水电管理局开发)；蒙大拿州400 MW的戈登丘(Gordon Butte)项目(由GB Energy Park有限责任公司开发)。

(4) 2012年取得初步建设许可的项目。2012年取得初步许可的抽水蓄能项目有：科罗拉多州装机500 MW的普拉托(Plateau)溪项目( 由Dolores水保护区开发)；内华达州400 MW的温尼马卡(Winnemucca)农场东项目(由水资源管理股份有限公司开发)，250 MW的洛雷拉(Lorella)项目 (由FFFP 111工程有限责任公司开发)，1 000 MW的黑山(Black Mountain)项目(由黑山水电有限责任公司开发)，450 MW的蓝钻石(Blue Diamond)项目(由能源管理人联盟开发)；亚利桑那州2 000 MW的长景(Longview)项目(由长景能源交换有限责任公司开发)。

2012年取得初步许可的也包括一些远期规划的抽水蓄能电站：肯塔基州装机1 000 MW的梅斯维尔(Moysville)项目 (由梅斯维尔抽水蓄能有限责任公司开发)；宾夕法尼亚州250 MW的银溪(Silver Creek)项目(由高峰电力有限责任公司开发)；亚利桑那州400 MW桌山(Table Mountain)项目(由桌山灌溉区开发)；加利福尼亚州500 MW的海威岭(由海威岭水电有限责任公司开发)；犹他州1 000 MW的南蒙纳(Mona)(由南蒙纳抽水蓄能有限责任公司开发)，1 000 MW的北蒙纳(由北蒙纳抽水蓄能有限责任公司开发)；加利福尼亚州600 MW的埃尔西诺(Elsinore)湖高级项目(由内华达水电股份有限公司开发)，1 000 MW的野牛峰(由野牛峰抽水蓄能有限责任公司开发)。

同年，Reliable Storage 1有限责任公司在田纳西州取得了7个抽水蓄能电站的初步许可：1 000 MW的十字架山(Cross Mountain)、700 MW的邦艾尔(Bon Air)、600 MW的拉文斯考夫特(Ravenscroft)、600 MW的斯坦普斯哈洛(Stamps Hallow)、390 MW的利奇山(Leech Mountain)、331 MW的马蹄山(Horseshoe Mountain)和309 MW的基顿溪(Keaton Creek)。

该年取得初步许可的其他抽水蓄能电站项目有：内华达州装机400 MW的埃尔多拉多(El Dorado)(由埃尔多拉多抽水蓄能有限责任公司开发)；夏威夷州300 MW的拉奈(Lanai)(由拉奈水电有限责任公司开发)；华盛顿州1 500 MW的JD池(由克里基塔特县的1号公共设施区开发)；俄勒冈州1 000 MW的天鹅湖(Swan Lake)北(由天鹅湖北水电有限责任公司开发)；加利福尼亚州1 200 MW的国王河(King River)(由太平洋天然气电力公司开发)。

(5) 2012年以前取得初步许可的项目。2012年以前取得初步许可且许可未到期的项目有：加利福尼亚州装机1 200 MW的莫凯勒米(Mokelumne)(由太平洋天然气电力公司开发)；犹他州345 MW的鲍威尔(Powell)湖管道项目(由犹他水资源局开发)；俄克拉荷马州1 100 MW的野花(Wild Flower)(由野花水利有限责任公司开发)。这些项目都需要向FERC申请延期。

还有一些抽水蓄能电站项目已申请延期，但被FERC拒绝，包括：亚利桑那州的佛得(Verde)(由亚利桑那独立电力股份有限公司开发)和加利福尼亚州麦昆利(Mulqueeny)农场项目(由BPUS发电开发有限责任公司开发)。

(6)即将取得初步建设许可的项目。2014年4月，FERC称共有5 501 MW的抽水蓄能项目即将取得初步许可，其中加利福尼亚州装机4 701 MW，占比90%以上。其他即将获得初步许可的有亚利桑那州，蒙大拿州和内华达州，装机分别为300 MW，250 MW和250 MW。

4月以后，有更多的项目已申请初步许可，包括：夏威夷州1座小型抽水蓄能电站；内华达州远期规划项目——装机150 MW的威德高地(Weed Height)项目(由绿色蓄能公司开发)；怀俄明州500 MW的黑峡谷(Black Canyon)项目(由黑峡谷水电有限责任公司开发)；俄亥俄州1 500 MW的新顶峰(New Summit)项目(由新顶峰水电有限责任公司开发)。

(7) 已取得许可的项目。2014年4月，FERC称，加利福尼亚州和弗吉利亚州是已取得抽水蓄能电站许可最多的2个州，其装机分别为2 943 MW和2 722 MW。还有6个装机超过1 000 MW的州：马塞诸塞州(1 746 MW)，密歇根州(1 658 MW)，南卡罗来纳州(1 576 MW)和宾夕法尼亚州(1 332 MW)等。

(8) 2013～2014年取得许可的项目。加利福尼亚州装机1 000 MW的美国河(American River)上游项目(由萨克拉门托市政区开发)于2014年取得了为期50 a的许可；加利福尼亚州装机1 300 MW的鹰山纯抽水蓄能电站(由鹰山能源公司开发)也取得了50 a的许可；科罗拉多州336 MW的卡宾溪(Cabin Creek)(由科罗拉多公共服务公司开发)取得了40 a的许可；新泽西州364 MW的围场溪(Yards Creek)(由泽西中心电力照明公司开发)取得了40 a的许可。

(9) 2004～2014年取得许可的项目。弗吉尼亚州装机636 MW的史密斯山电站(由阿巴拉契亚电力公司开发)于2009年取得了30 a的许可；康涅狄格州115 MW的胡萨托尼克(Housatonic)河电站(由FirstLight水力发电公司开发)于2004年取得了30 a的许可；纽约州2 755.5 MW的罗伯特摩西-尼亚加拉(Robert Moses-Niagara)电站(由纽约电力局开发)取得了40 a的许可。

(10) 即将取得许可的项目。犹他州装机1000MW的帕克诺尔(Parker Knoll)项目(由Symbiotics有限责任公司开发)即将取得首次许可。

(11) 即将重新取得许可的项目。正在重新申请许可的项目包括：俄克拉荷马州装机260 MW的萨莱拉(Salina)抽水蓄能电站(由格兰德河大坝局开发)；宾夕法尼亚州452 MW的金祖阿(Kinzua)抽水蓄能电站(由FirstEnergy发电有限责任公司开发)；宾夕法尼亚州880 MW的马迪阮(Muddy Run)项目(由艾斯能电力公司开发)。

(12) 重新取得许可的项目。2014年7月，密苏里州托姆索克(Taum Sauk)抽水蓄能电站取得了FERC重新授予的为期30 a的许可。该电站上库在2005年发生事故，经调查研究及FERC的重建要求，新坝于2010年完工，此时距原来的许可到期仅剩数月。2008年，电站业主阿莫林(Ameren)公司重新提交了许可申请，FERC详细分析了2011年以来的电站数据和各方评价，于2013年发布了最终环境评价。该电站在2012年和2014年进行了扩容改造，装机容量从148 MW增加到 442.5 MW。

4 俄罗斯扎格斯卡亚2抽水蓄能电站

抽水蓄能项目的建设过程和其他基础设施开发很相似，包括可行性研究、项目许可以及施工阶段，期间会出现很多困难和挑战。俄罗斯扎格斯卡亚(Zagorskaya)2抽水蓄能电站就是个例子，据俄罗斯水电集团公司(RusHydro)报道，该电站即将完工时，由于发电厂房基础问题导致厂房大量进水和下沉，目前尚在努力修复中。

俄罗斯水电集团公司有一批新建及修复项目，而装机840 MW的扎格斯卡亚2 电站还未完全建成就要修复。2013年9月，电站即将完工之前，发电厂房的基础出现问题，部分建筑物发生渗漏水和下沉。

扎格斯卡亚2电站位于莫斯科谢尔盖耶夫镇，该公司曾计划于2012年底前使一期420 MW(2×210 MW)装机并网发电，但目前还有一些其他土建工程仍需继续施工。2012年底，据报道该工程仍可按计划交付。在“容量交付机制”下，该工程可能在原计划2013年1月1日并网发电的基础上，延期12个月，但不会因此被罚款。2013年的工程年度报告表明，2012年12月进行了一次运行测试，但因电网运行商俄罗斯统一电力公司(UES)配电系统不可用，导致电厂不能接入电网。尽管如此，机组完工时间仍记录为2012年。

2013年其他一些工程继续施工，9月17日厂房基础出现问题，当日傍晚水轮机室出现渗漏水，厂房内15名工人安全撤出。随后几个小时，水轮机室被淹。事件发生后，立即展开了初步的修复工作，包括将厂房与下库隔离，抽走厂房漏水。随后，调查了受损范围，确定了修复的方案和规模。该公司表示漏水来自下库，通过未完工水管损坏的伸缩缝和取水口进入厂房，厂房右下方的土壤受到侵蚀，导致了建筑物的沉降。厂房基础防渗系统失效的原因是场地勘察不充分和设计问题。

扎格斯卡亚2电站从1990年开始规划，2007年获得联邦专家局(Glavgosexpertisa)的批准。工程由俄罗斯水电工程设计院设计，2010年底该设计院被俄罗斯水电集团公司收购。俄罗斯水电集团公司表示，该电站的建筑物很特殊，厂房建在软基上，工程区域可用的坚硬岩石区很少。尽管如此，地质调查不充分、监测仪器不到位也是事故原因。根据该公司最新的年度报告，扎格斯卡亚2电站最早将于2017年完工并运行。最近又补充声明，近期将汇报最终的施工事故调查结果。

5 可再生能源风险与抽水蓄能电站发展

抽水蓄能电站得以蓬勃发展的原因在于，其一直以来可向电力市场供给大量电力，但现在它却是可再生能源投资大量增长的无形受益者，特别是在风能和太阳能等发电产量会出现天然波动的情况下。当间歇性可再生能源或其他能源电力产能下降，理所当然需要快速反应的系统跟进。水电已被证实是灵活且经济的，当然其他电源也可以，比如更容易在电力负荷中心附近建设的燃气电站。但是二者均面临一个问题，即如果电网运行需要改变二者的运行方式以支持间歇性可再生能源并入电网，将可能导致二者更高的损耗。

2013年底，韦莱(Willis)保险经纪公司发布了一份报告，很多观点表明燃气电厂如果转为更频繁地跟踪配合可再生能源，会产生很多新的风险。一个突出的风险是从稳定的基荷运行转变为不断的停开机切换。为了配合可再生能源发电，很有可能使燃气机组不断开停机，会导致机组更多的磨损，这就要求改变燃气设备的运行管理策略。

对任何设备来说，改变原设计的运行方式会导致问题或挑战，水电设备也一样。挪威为筹备其“绿色蓄电池”计划，研究人员正在研究相关影响和补救措施，以应对水电设备运行方式的改变。

需要采取工程和管理措施来解决这些挑战。通过实施补救措施，现有的火电站和水电站能支撑更多的间歇性可再生能源投资，而这需要电站业主对电网提供支持，或者至少在其产能占优时，提供某些能源储备服务，如部分互联电力系统。除了互联电网系统，水电行业的重大贡献就是独立的抽水蓄能电站。不同于燃气电厂和其他大多数常规水电站，抽水蓄能电站还可以吸收多余的电力产出，可为不断变化的电力环境提供很多服务，而其自身的设计将符合新的现实情况。

因此抽水蓄能电站正在吸引更多的目光，例如，美国正在考虑建设大量的抽水蓄能项目。

杨跃斌 金 苗 译

(编辑：陈紫薇)

2016-04-10

1006-0081(2016)12-0001-04

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