加拿大首座具有地下下库的抽水蓄能电站

［加拿大］ M·特金等

如今，可再生能源(如风能、太阳能)在世界能源供应领域里的地位越来越重要。由于这些能源为自然间断性供应，因而人们对在非峰荷期间存储多余能量，在峰荷期间对其进行重新分配的能量存储系统产生了兴趣。抽水蓄能电站非常适于这一目的，因此可以说它是目前性价比最高的能够存储大量电能的方式。

由于常规的抽水蓄能电站取决于两座水库之间的有效水头，因此当地的地形和地势会极大地限制潜在库址的数量和位置。为了规避这一问题，一家独立的电力制造商——河岸电力公司(Riverbank Power)，联合AECOM工程咨询公司，计划开发一项抽水蓄能工程，即威斯卡西特(Wiscasset)工程，其下库通过地下开挖而成，是北美拟开发的几处站址中的第1个。

1 威斯卡西特工程

河岸电力公司开发的首座抽水蓄能电站靠近威斯卡西特镇，在美国缅因州蒙特斯威格(Montsweag)湾岸边。该海湾是席普士考(Sheepscot)河入海口系统的一部分，且紧靠大西洋。工程位于缅因州已退役的扬基(Yankee)核电站的正北面，因此可以利用已有的设施，比如输电线路和变电站。站址位于波士顿东北约250 km处，波士顿是新能源的重要市场。

完建后，威斯卡西特工程总装机容量将为1000 MW，蒙特斯威格湾将用作该工程的上库，电站和下库则将在地下约600 m深处开挖。下库将能容纳连续6 h满负荷发电的排水量。

永久性的地面建筑物基本上位于一小块区域内(大约60000 m2)，远离海滩。引水口、检修和交通入口建筑物、变电站、竖井出口建筑物和交通坡道入口的地面建筑物布置在对自然资源(如湿地)影响最小的地方。

地下发电系统将包括:下库、电站厂房、4根引水管、交通坡道和竖井。下库将是工程的最大建筑物，由6个宽27 m、高48 m、总长4300 m的无衬砌洞穴组成，岩石爆破量近560万m3。在主洞穴之间开挖了尺寸较小的连接洞。另布置有一条通风廊道，通过通风竖井使下库所有的洞穴与地面相通。

电站厂房洞室内将布置4台250 MW的可逆混流式水泵水轮机组。每台机组均配有引水管和球阀。引水管由混凝土制成，其下部将用钢衬衬砌。球阀的位置紧接在每台机组的上游，用于对水轮机的检查、维修或紧急停机时排水。通过尾水管肘管下游的独立蝶阀，每台机组也能与下库隔开。

变压器布置在电站厂房上游的开挖洞室内。混凝土竖井中铺设的高压电缆，将变压器和地面变电站相连。电站厂房配有2条通风竖井:一条竖井供应新鲜空气，另一条竖井则排出废气。可通过电梯竖井和永久性交通坡道(大约长6 km)进入地下枢纽。威斯卡西特工程布置状况示于图1，工程的主要特征参数列于表1。

表1 工程主要特征参数

2 开挖下库的优点

无论是常规布置还是地下式，抽水蓄能电站都有很多优点。除了储存能量外，抽水蓄能工程还具有提供峰荷、不停地响应负荷的变化、功率调节以及转换和备用存储的优点。根据系统的需要，抽水蓄能电站可以在同步电容模式下运行(即调相运行)，为电压调节输出无功或吸收无功，因此，可以提高电网的稳定性。

此类工程还具有其他一些优点，比如选址更加灵活，可以大大减少视觉和环境的影响。

2.1 选址灵活

抽水蓄能电站可以建造在靠近主负荷中心的地方，而且最好是靠近可再生能源，这样通过减少线路的电力损耗，可以优化能量存储的效率。如果输电线路出现故障，它可以立即响应，对系统可靠性的贡献更大。然而，由于需要合适的地形以及必要时或许还要建造人工水库，这样就使得常规的抽水蓄能工程难以靠近大城市，输电线路的施工也可能相当困难且造价太高。抽水蓄能工程库址使用废弃的矿山作为下库的可能性也不是很大，而且，这些库址并不靠近已建的上库、负荷中心或已建的输电线路。采用地下开挖水库的方案灵活性更大，并敲开了在负荷中心附近修建抽水蓄能工程的大门。

2.2 环境影响最小

当丰富的自然水体用作上库时，无需淹没土地即可建造一座人工水库。同样，如果电站和下库位于地下，地面建筑物将极少，只有引水口、变电站、交通入口和检修建筑物等。引水管道的形状设计也将考虑减小流速，以便使潜在的环境影响最小化。

2.3 重复利用的设计原则

此类工程的最主要优势是有可能在多个工程中重复应用同一设计原则，而只需调整工程现场的特征参数。工程的主要参数依然保持不变，比如水头、容量和发电时间;部分设计可再次用于随后的工程，比如厂房优化。也可以保留经过实践检验的同一水泵水轮机的设计，以保证设备的可靠性并避免不必要的新模型试验花费。基于以往的现场经验，可以进一步改善施工方式，因此也就减少了工程的风险和成本。

3 选择潜在库址的准则

用于评估潜在库址的主要因素是水文、地质以及与输电电网之间的距离。因为这些因素对工程的经济可行性有着重要影响。

3.1 水文

首先，库址需要靠近可用作上库的水体(湖泊或河流)。这样就无需专门建造一座人工水库，因而也就可以避免淹没土地、重新建坝或建堤。水面和水量应足够大，这样在电站运行时就不会对水位产生明显的影响。

3.2 地质

地下水库和厂房深处的岩石质量优良是极其重要的。为避免在开挖交通坡道和竖井时延误工期及产生额外的成本，因此期望从地面到地下发电综合体所处地段的地质状况优良。

为减少工程成本，形成下库的大洞穴可以是无衬砌的。地下洞室的加固将限于常规的岩石支护，如岩石锚杆、岩石挂网和局部的喷射混凝土。然而，对于环绕下库的岩石体来说，其不渗透性是至关重要的，以避免大量的水直接渗入水库并降低电站的总效率，同时避免天然的地下水位不受影响。

3.3 与电网的距离

建造新输电线路的成本不菲且复杂，包括必须获得许可，也许还需要征地。在某些情况下，也可以考虑建造地下输电线路。然而，这种方案的成本甚至会更加高昂。因此，抽水蓄能电站距离已建的输电线路越近，其联网的成本就越低。当然，已建输电线路需要有足够的输送容量。

威斯卡西特库址距缅因州已退役的扬基核电站的已有输电线路不超过1300 m。因此将使用这些已建的输电线路和变电站。

3.4 其他

修建地下发电综合系统开挖岩石方量很大，因此必须仔细研究爆破岩石的处置方案。经过研究，认为在当地市场上销售爆破岩石是最佳的解决办法，对工程财务也有帮助，且还可以避免现场永久堆放。威斯卡西特库址水路交通便捷，便于用船运输爆破岩石。

4 岩石开挖和地质状况

修建该地下电站和下库所需的开挖量巨大，而地质则是工程进展顺利与否的最重要因素之一。600 m深度的巨大开挖量即可说明其技术上的难度。由于岩石的稳定性，形成下库的大型洞穴一旦被填满，将不易进入，因此，必须苛求岩石具有良好的地质力学特性以及采用恰当的钻孔和爆破方式，以获得稳定的洞壁和洞顶。这些方法也被应用于布置电站成套设备的其他洞穴开挖。

综上所述，出于经济原因，形成下库的洞穴将不作衬砌。因此这些被开挖的洞穴内的岩石构造必须保持足够的密实性，决不能透水。如果岩石的渗透率太高或岩石包含有喀斯特结构，那么其容纳的水可能将渗入到下库，这样就会导致有效库容缩减。而不渗透的岩石将能确保电站的正常运行，且不会对自然水体产生任何影响。

确定地下建筑物的几何形状时，应当考虑到岩石的性状、安全性、施工方式、施工效率和地产问题。洞穴的拱形宽度和相对平坦度可以起到横梁的作用。中央导洞法以及接下来的岩石加固，则能确保岩石拱形的稳定性。两个相邻主洞室之间柱子的宽度，适于提供长期的稳定性并防止来自相邻廊道的渗透。对所有的地下建筑物，都将使用常规的钻孔和爆破技术进行开挖。

规划了标准的岩石加固方案，拟使用预应力岩石灌浆锚杆。在岩石条件差的情况下，将使用有或没有挂网支护的喷射混凝土，而且，为了安全，施工时将在拱壁上挂一灵活的铁丝网，施工结束之后再将其移走。采用阶梯式开挖来加深洞穴，要求周边爆破受控，以保持最终岩壁的稳定。

为了尽量缩短工期，将使用常规的钻孔和爆破技术开挖坡道。还计划在坡道表层上铺设混凝土板，以提供一个永久的交通面。对坡道开挖的工期要求严格，应在地下发电综合系统开挖前完成。为了提高工作效率，提出了一个螺旋坡道的理念以获得几个工作面，在螺旋坡道的旁边开挖2条竖井通往电站层，这样就能加快钻孔爆破方式的工作进度。因此，同时开挖了多个作业前缘(一个从入口处开挖，其他则从竖井处开挖)。而最佳作业面应该是在入口处，因为此处可以使用大型机械。

到目前为止，威斯卡西特库址的钻孔结果和岩芯采样分析结果表明，在电站和下库的深度范围内，岩石质量为优良到极佳等级。水压试验结果也显示岩体的渗透性小。

5 最佳深度

下库为地下式的抽水蓄能工程，其总水头的确定并不受限于地面地形。在确定下库和地下电站厂房深度范围内的地质条件适宜以后，即表明可以选择任何范围的水头。当然，必须对水头进行精心优化，以使工程的成本最小化。

对于给定的装机容量，水轮机的流量将与水头成反比。因此，水头越高，同一发电量所需的流量就越小。水轮机流量减少，可以选用较小的引水管、阀门和水轮机，更重要的是，在发电时间相同的情况下，可用较小的下库。另一方面，电站布置的较深，意味着与其配套的引水管、交通坡道和竖井也会相应较长。此外，还要考虑到施工难度和开挖成本，电站和下库在地下布置的位置越深，预计其施工难度和开挖成本就会越高。

决定水头的另一个重要因素是水泵水轮机的型式。对于水头小于650 m的，采用可逆单级混流式水泵水轮机是一个非常高效的方案。它既可以作为水轮发电机运行，也可以逆向作水泵运行，非常紧凑的布置可以减少设备及土建工程的成本。可以调节的导叶能够很好地控制机组的功率且效率高。可逆混流式水泵水轮机已被证实技术成熟，且可由多个厂家供应。在过去的40 a里，已有许多类似或更大的水泵水轮机投入商业运行。

对于水头超过650 m的，预计可逆混流式水泵水轮机的效率会降低，具有过往经验的供应商非常有限。对于这种较高的水头而言，一台冲击式水轮机组合一台多级水泵，可能是一种更为适宜的方案。在这种配置情况下，水轮机和水泵是分离的两台水力机械，由一根轴连接到电动机/发电机上。然而，与同样容量的可逆混流式水泵水轮机相比，上面那种设备的配置成本相对较高，而且需要较大的电站厂房。

总之，确定水头是一项寻求最小开挖量和对设备成本进行优化的过程，当然必须是在不放弃设备的整体可靠性原则的前提下。在工程的前期评估研究中，已经将最大静水头设定为573 m;在详细设计阶段，由于可以获得现场查勘结果以及更加准确的成本，因此，将对已确定的开挖深度进行修改和进一步优化。鉴于可逆混流式水泵水轮机技术的最新进步，预计最大净水头最终会上升到600～700 m。

6 结语

初步评估研究和现场地质查勘结果证实了将建于缅因州蒙特斯威格湾1000 MW的威斯卡西特工程的可行性。目前正在进行具体的工程现场查勘，查勘结果出来之后，将进入详细的工程施工设计阶段。