抽水蓄能電站技術分析論文

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一、前言

日本是世界上的經濟大國，也是電力生產大國。日本的電源構成以核電為首位，其次依次為燃煤火電、LNG火電和燃油火電。日本的常規水電開發較充分，但水電資源總量不多，在電源構成中占的比重不大。常規水電站除了徑流式電站外，優先用于峰荷發電；許多LNG火電站和燃油火電站也按每日開停機模式運行。為了解決調峰問題，已經建設了大批抽水蓄能電站。2000年，日本共有43座抽水蓄能電站，總裝機容量24705MW，名列世界首位。抽水蓄能電站在電網中的作用首先是調峰填谷，改善負荷系數；同時用于調頻、維持電網穩定和調壓。在日本，抽水蓄能電站是公認的主要調峰手段。日本抽水蓄能電站平均年發電運行小時數只有620h，可見其主要用于峰荷發電和解決電網的問題。盡管抽水蓄能電站的建設成本不低，但與其他調峰電源相比，還是有競爭力的。因此，日本近年來還在繼續建設抽水蓄能電站。

為了增強新建抽水蓄能電站在電力市場的競爭力，日本抽水蓄能電站的建設采取了一些應對措施，新建抽水蓄能電站著眼于充分發揮抽水蓄能電站的優勢。從規劃和設計來說，除了擔負調峰填谷的靜態功能外，更致力于發揮抽水蓄能電站的動態功能。機組要有更快的對負荷變化的跟蹤能力，適應頻繁的工況轉換，水庫庫容要滿足更長時間事故備用的能力。而為了降低工程投資，從站址選擇上要選水頭更高的站址，安裝體現機組制造最新水平的超高水頭大容量的抽水蓄能機組，縮小地下洞室的尺寸。同時還要盡可能減少對環境的影響，降低環境保護的投資。這些措施中很重要的一條就是發展高水頭和大容量的抽水蓄能機組，加大電站的規模。近期正在建設或準備建設的抽水蓄能電站中，有一些超大型的電站。本文要介紹的神流川（Kannagawa）抽水蓄能電站和金居原(Kaneihara)抽水蓄能電站可以作為其中的典型代表。這兩座電站的水庫規劃、水工建筑物設計和工程施工中采用了一些新的理念和新的技術。

二、兩座超大型抽水蓄能電站概況

1、神流川抽水蓄能電站

神流川抽水蓄能電站由日本東京電力公司開發，位于群馬縣與長野縣交界處。上水庫位于長野縣信濃川水系南相木川上，下水庫位于群馬縣利根川水系神流川上，地下廠房在群馬縣境內。該電站裝機容量達2700MW，是目前世界上裝機容量最大的抽水蓄能電站。地下廠房分兩處，1號廠房安裝4臺機組，容量共1800MW；2號廠房安裝2臺機組，容量共900MW。兩處廠房有各自的輸水系統，但共用上、下水庫，與我國廣州抽水蓄能電站相似。電站有效發電水頭653m，最大發電水頭695m，最大抽水揚程728m，屬700m水頭段機組。單機額定容量450MW，其額定容量與發電水頭的乘積超過了日本目前已部分投入運行的葛野川抽水蓄能電站機組，屬世界上最大的抽水蓄能機組。該電站目前正在建設中，至2001年11月，工程進展已完成61%。

2、金居原抽水蓄能電站

金居原抽水蓄能電站由日本關西電力公司開發，位于滋賀縣與岐阜縣交界處。上水庫位于岐阜縣木曾川水系八草川上，下水庫位于滋賀縣淀川水系須亦川上，地下廠房在滋賀縣境內。該電站裝機容量2280MW，在世界上也名列前茅。電站的6臺機組安裝在一個地下廠房內，是世界上同一地下廠房內裝機容量最多的抽水蓄能電站。電站有效發電水頭514.8m，最大發電水頭535.2m，最大抽水揚程約560m。由于該電站水頭變幅高達150m，計劃有部分機組要采用可變速機組。該電站的前期準備工程如對外交通道路的施工已在進行中，但主體工程尚未開工。

三、水庫動能規劃和大壩

1、增大水庫調節庫容與電站的事故備用能力

日本純抽水蓄能電站上下水庫的有效發電庫容（以滿出力發電小時數計）比我國的抽水蓄能電站用得大。一方面是為適應周調節的要求。通常情況下，發電只在星期一至星期五進行，而抽水則每天都要進行，因此水庫的庫容要大于日循環所需庫容。另一方面，為了加強抽水蓄能電站與其他形式的電源在市場上的競爭能力，抽水蓄能電站應有更多的事故備用能力。水庫有效庫容提供的滿出力發電小時數，神流川抽水蓄能電站為7h，而金居原抽水蓄能電站為9h。日本在上世紀70年代規劃設計的一批抽水蓄能電站，水庫蓄能量的滿負荷發電小時數多數在6h左右，最多到7h（新高瀨川抽水蓄能電站），少的只有4h（大平抽水蓄能電站）。與這些抽水蓄能電站的平均水平相比，這兩個電站的滿出力發電小時數要高一些。

2、加大水庫的水位變幅，選用可變速機組

為了降低工程投資，提高經濟優勢，減輕對環境的影響，在規劃抽水蓄能電站的水庫時，要求在滿足電網需求的前提下，減小水庫的總庫容和占地面積。高水頭的站址自然是優先考慮的。其次是加大水庫的水位變幅，增加水庫的工作水深，以增加水庫的調節庫容。這樣一來，水泵水輪機的工作水頭比（Hpmax/Htmin）自然要變大，可能超出常規的范圍，必須選用可變速機組。

神流川抽水蓄能電站最大發電水頭695m，接近單級可逆式水泵水輪機制造能力的上限，很符合高水頭站址的標準。該電站水庫水位變幅并不大。上水庫壩高136m，水位變幅27m；下水庫壩高120m，水位變幅30m；水頭總變幅57m。Hpmax/Htmin<1.15,在一般單轉速水泵水輪機的水頭（揚程）變幅范圍之內。該電站采用的是單轉速機組。金居原抽水蓄能電站最大發電水頭535.2m，也屬于高水頭電站。而該電站在加大水庫的水位變幅，增加水庫的工作水深方面最為典型。上水庫水位變幅95m，下水庫水位變幅55m，合計150m。Hpmax/Htmin接近1.45，遠超過一般單轉速水泵水輪機的水頭（揚程）變幅范圍。因此該電站計劃有部分機組要采用可變速機組，可以任意調整機組轉速，以保證能在不同的水頭（揚程）段高效率和安全地運行。事實上，日本可變速抽水蓄能機組發展很快，自大河內（Okawachi）抽水蓄能電站采用這種機組以來，已有數座新建及擴建的抽水蓄能電站選用了可變速機組。

3、壩型選擇與庫容的綜合考慮

由于環境保護的要求，不允許過大的水庫淹沒，兩座電站的上下水庫都建在高山環抱的山谷地帶，優點是最高庫水位遠低于庫周山嶺的地下水位，除壩基外，庫盆沒有采取專門的防滲措施。但這樣的地形條件帶來的缺點是為了獲得必要的庫容必須修建高壩。為避免土石壩上游壩體侵占庫容，如地質條件允許，則盡可能建混凝土壩。

神流川抽水蓄能電站下水庫壩和金居原抽水蓄能電站上水庫壩都采用了混凝土重力壩。正在建設的神流川下庫大壩采用日本的碾壓混凝土筑壩工法(RCD)，碾壓混凝土水泥用量110~100kg/m3，至2001年11月，大壩混凝土澆筑已經完成。神流川抽水蓄能電站上水庫壩和金居原抽水蓄能電站下水庫壩的地質條件不適合建混凝土壩，都采用粘土心墻堆石壩。日本迄今為止尚未真正建設過混凝土面板堆石壩。日本是多地震國家，土石壩的壩坡放得較緩。為適應抽水蓄能電站的工作條件，上游壩坡則更緩。神流川上庫壩上下游壩坡分別為1:2.7和1:2.0，金居原下庫壩的上下游壩坡為1:2.9和1:2.1。

四、輸水系統

1、輸水道的布置與最大流速

神流川抽水蓄能電站的輸水道總長約6350m，在世界上的抽水蓄能電站中算是相當長的了。好在它的水頭也很高（有效發電水頭653m），L/H=9.7，尚在通常認為較好的L/H<10的范圍內。輸水道分成兩組，分別對應兩個地下廠房。其中1號輸水道連接4臺機組，上游引水隧洞長2445m，內徑8.2m，鋼筋混凝土襯砌。經上調壓井后分為兩條壓力鋼管。壓力鋼管主管長約1300m，內徑4.6m，其中斜井段長約960m，傾角48°。在下平段作第2次分岔，分成兩條內徑2.3m的支管，各長約100m。尾水道依次由4條合為2條，再經尾水調壓井后合為1條，內徑為4.1m~8.2m，尾水隧洞總長約2300m，全部用鋼筋混凝土襯砌。2號輸水道連接2臺機組，引、尾水隧洞主洞內徑均為6.1m，在上調壓井和尾水調壓井處不作分岔，其余與1號輸水道完全相同。

金居原抽水蓄能電站的樞紐布置比神流川電站要緊湊，輸水道總長約2600m，L/H=5.1。采用一洞三機，引水和尾水主隧洞各2條。地下廠房基本上是首部開發的布置，從上進出水口至廠房的兩條上游輸水道僅長910m和920m。不需要設上游調壓井，上游閘門井后的兩條壓力鋼管長740m和710m，內徑5.7m，傾角分別為53°和57°。在廠房前60m處各分岔兩次后分別與6臺機組相連，分岔后的支管進球閥前內徑2.4m。6條內徑4.2m的尾水支管經兩個尾水調壓井后合為兩條內徑7.2m的鋼筋混凝土襯砌的尾水主隧洞。尾水道總長分別為1600m和1610m。

這兩座電站壓力鋼管主管內的最大流速，在通過最大發電流量時均超過10m/s，基本上是日本抽水蓄能電站的一般做法。該流量比我國大型抽水蓄能電站壓力鋼管的設計最大流速高。流速高則水頭損失大，對抽水蓄能電站來說，最終要用增加抽水電量也即抽水電費來補償。歐美和日本的抽水電價相對便宜一些，在經濟直徑計算時往往選擇較小的直徑，寧可水頭損失大一些。我國目前情況與他們不同，壓力鋼管內的最大流速一般只有6~8m/s，通過相同流量時管徑要大一些。其實對某些輸水道不長、水頭損失總量不大的工程，適當提高輸水道內的最大流速以減少基本建設的一次投資、減小壓力鋼管的制作難度，可能是更好的方案。

2、壓力鋼管的新水平

兩座電站壓力鋼管的HD參數均甚高。神流川電站壓力鋼管下平段最大靜水壓816m，動水壓力超過1000m，HD超過46000kN/m。金居原電站雖然承受水壓要低一些（壓力鋼管下平段最大靜水壓649m），但是管徑為5.7m，以動水壓力計算的HD值與神流川電站也相差無幾。神流川電站的壓力鋼管已采用了HT100級的高強鋼板。將該等級的鋼板用于壓力鋼管，在日本是首次。金居原電站的壓力鋼管計劃也要采用HT100級的高強鋼板，將是日本壓力鋼管使用該等級鋼板的第2個工程。

神流川電站壓力鋼管的斜井段長約1000m，傾角48°，圍巖地質條件相對軟弱，為了安全和節約投資，開挖施工使用了直徑為6.6m的全斷面隧洞掘進機(TBM)。在如此陡傾角、大直徑的斜井開挖時使用TBM，據稱在日本是首次，在世界上也沒有先例。金居原電站的壓力斜井雖然比神流川電站斜井短一些，可是直徑更大，傾角也更陡。按現在的計劃，斜井施工不使用TBM。但該電站的壓力斜井的施工支洞，以及尾水隧洞、進廠交通洞、尾水隧洞和出線電纜洞計劃使用TBM開挖。

3、尾水隧洞

兩座電站的尾水隧洞都很長，而且由于機組單機容量大、轉速高，Hs絕對值也很大（神流川Hs=-104m，金居原Hs=-95m），所以兩座電站的尾水調壓井的規模都很大。神流川電站1號輸水道尾調高148m（從尾水隧洞中心線起算，下同），為帶上室的阻抗式，井身內徑10m。金居原電站由于下水庫的水位變幅大，原設計尾水調壓井高186m，帶有上室，井身為內長軸15m、短軸10m的橢圓形，便于三條尾水支洞同時進入井內。

近年來，為了減少土建工程量、降低工程投資，日本抽水蓄能工程界正在探索高水頭抽水蓄能電站長尾水隧洞取消調壓井的可能性，進行了相應的試驗研究。有一座設計中的抽水蓄能電站尾水洞長近900m，經研究可以取消尾水調壓井。在研究中他們提出了一個尾水隧洞時間參數Tws（單位s），表示尾水隧洞內水力過渡過程壓力變化相對于Hs值的比例，即：Tws=LV/[g(-Hs)]。式中L為尾水隧洞長度(m)，V為尾水隧洞內平均流速(m/s)，g為重力加速度(m/s2)，-Hs為最小淹沒深度(m)。根據多座抽水蓄能電站的設計經驗，可以取消尾水調壓井的Tws不能大于6s，但如Tws大于4s就須進行詳細研究。本文介紹的這兩座電站的尾水隧洞太長，按工程數據計算，神流川1號輸水道Tws=14.3s，2號輸水道Tws=12.9s，金居原電站Tws=11.2s，均遠大于6s的限值。故兩座抽水蓄能電站設置尾水調壓井是必須的。

五、地下廠房

1、地下廠房的布置特點

由于兩座抽水蓄能電站的水泵水輪機要求的最小淹沒深度都非常大，而地質條件又允許，采用地下式廠房是必然的選擇。

在輸水系統部分已經介紹，神流川電站的地下廠房分為兩處。1號地下廠房安裝4臺機組，廠房尺寸為長214.7m，寬34.0m，高55.3m；2號地下廠房安裝2臺機組，廠房尺寸為長139.0m，寬度和高度與1號地下廠房相同。之所以將地下廠房分兩處布置，據說主要是由于地質條件的原因。兩處地下廠房加在一起，共長約350m，分兩處布置也為加快施工進度創造了條件。金居原電站的地下廠房安裝全部6臺機組，廠房尺寸長269.9m（其中主廠房段長197.5m），寬25m，高48.3m。

與我國已經建設的大型抽水蓄能電站相比，這兩座電站的地下廠房除了規模大之外，還有一些特點。這兩座電站的地下廠房在布置上都是把主變壓器放在主廠房洞的兩端，主副廠房和主變洞合為一個洞室。副廠房也不是集中布置在主廠房的一端，而是在主廠房內分散布置。這樣的布置方式與我國抽水蓄能電站通常的布置是不同的。但在日本，以前就有一些抽水蓄能電站的地下廠房采用這種布置方式。另外，神流川電站的1號廠房和金居原電站的廠房都把安裝場布置在廠房的中部而不是在廠房的一端（神流川電站2號廠房因為只有2臺機組，安裝場是布置在一端的）。安裝場放在地下廠房的中部，在日本是常用的做法，而我國已建大型抽水蓄能電站僅十三陵的地下廠房是這樣布置的。中國和日本抽水蓄能電站地下廠房布置方式的不同，除了各自的習慣做法外，從水工結構的觀點來說，可能主要還是考慮到地質條件對洞室圍巖穩定的影響。日本抽水蓄能電站地下廠房的地質條件多數都不好，采用一個長的大洞室，比起用兩個相互平行、間距又不可能很遠的大洞室來，圍巖的整體穩定性自然要更好一些。同樣，安裝場放在地下廠房中部比起放在端部來，可以減少洞室上下游高邊墻的連續長度，對增加高邊墻的穩定性也是有利的。

2、地下廠房支護方式與施工技術的發展

與日本早期的抽水蓄能電站地下廠房相比，神流川電站和金居原電站地下廠房結構的明顯進步在于廠房洞室的支護方式。由于圍巖條件不好，以往日本抽水蓄能電站地下廠房基本上都是全鋼筋混凝土襯砌，或者至少頂拱是鋼筋混凝土襯砌的。而這兩個電站的地下廠房洞室支護已完全改變了以前的常規做法。神流川電站地下廠房盡管跨度已達到34m，其頂拱和邊墻均采用錨桿噴混凝土加系統的預應力錨索支護。預應力錨索為1000kN等級，長度一般為15m，圍巖好的地方也有長10m的，間距3m×3m；系統錨桿長5m。金居原電站地下廠房跨度25m，設計也是對頂拱和邊墻采用噴錨支護。頂拱噴混凝土厚32cm，邊墻噴混凝土厚24cm，也要加系統的預應力錨索或錨桿。

神流川電站的地下廠房洞已于2001年10月完成開挖。34m的跨度對抽水蓄能電站的廠房是比較少見的。為了確保施工安全，開挖的程序上有些新意。頂拱先開挖中導洞，導洞頂拱支護好以后再向兩側擴挖。擴挖時每側的巖體等分為若干區段，每段在洞軸線方向的長度為15m左右。同側的各區段采用“跳倉”式的開挖，即隔一段挖一段，挖完一段隨即支護好；而兩側的先開挖區段相互錯開，以減少頂拱支護前的自由跨度。待整個頂拱的先開挖區段支護好后，順序開挖留下的區段。頂拱開挖支護完畢后再用類似的方法逐層下擴。該廠房洞開挖時采用了觀測施工管理系統，即綜合了勘察、設計、施工和監測功能的一體化信息系統。對開挖區域進行了連續監測。圍繞廠房洞室建立了約1600個測點，不斷地監測圍巖的狀況。通過計算機系統對觀測數據的高速處理，分析圍巖由于開挖而產生的應力變形的變化，并將分析結果反饋給后續開挖過程的設計，以促進洞室的開挖做到安全和經濟。

六、減輕對環境的不利影響

重視保護環境，減輕工程對環境的不利影響，已成為工程設計和施工必須做到的重要方面。作為發達國家的日本，更是如此。兩座電站在環境保護方面也有一些新的理念。

1、不改變河水的流向。如前所述，神流川電站上水庫位于信濃川水系，該水系流入日本海；而下水庫所在的利根川水系則流入太平洋。上水庫集水面積6.2km2。盡管面積不大，為了使這塊集水面積上的徑流不致改變其歸屬，從而不改變下游的生態環境，上水庫集水面積的產水未被截留，而是通過導流洞和放水設施如數排向下游。這是考慮環境效益重于經濟效益的實例。以前，通過跨流域調水來增大抽水蓄能電站的經濟效益，曾是抽水蓄能電站選點規劃時要考慮的因素之一。在環境保護日益重要的今天，規劃的觀念也要更新。

2、不破壞地面自然景觀。除了大壩和水庫以外，所有的設施都盡可能設置在地下。除了采用地下輸水系統和地下廠房外，這兩座超大型抽水蓄能電站的站內交通道路都大量地采用了隧洞的形式。神流川電站的對外交通道路從位于下水庫左岸的進廠交通洞洞口跨過水庫庫尾，再沿下水庫右岸經大壩右壩頭直至下游與已有公路連接，長度超過5km，大部分采用隧洞。金居原電站下庫區從大壩下游通向庫尾地面開關站和進廠交通洞口的道路以及對外交通道路改線段采用隧洞共長3.42km，約占這些道路總長度的50%。此外，為了少破壞地面植被，筑壩材料盡可能在庫內淹沒區開挖。庫外料場和棄渣區均精心做了水土保持設施，重新種植當地的不同植物，以恢復原有的自然景觀。

七、結束語

為了增強抽水蓄能電站在電力市場的競爭力，日本抽水蓄能電站的建設有針對性地采取了一些應對措施，并已在新建的抽水蓄能電站中實施，以充分發揮抽水蓄能電站的優勢。日本抽水蓄能電站建設技術也在這個過程中得到新的發展。限于筆者所能獲得的資料，本文僅主要介紹了兩座正在建設的超大型抽水蓄能電站規劃和土建方面的一些新的技術進展。值得指出的是，由于近年來日本經濟發展持續低迷，電力需求增長緩慢，對新電源點包括新抽水蓄能電站的建設速度也有明顯的影響。例如神流川抽水蓄能電站雖然地下廠房已經開挖完畢，但計劃要到2005年才發電；金居原抽水蓄能電站的建設機構早已成立并運作，但至今主體工程尚未開工。盡管如此，日本從上世紀90年代以來抽水蓄能電站建設的新理念和新技術，還是值得我們研究和借鑒的。

參考文獻

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