水利工程論文-日本抽水蓄能電站技術的新進展.doc

水利工程論文-日本抽水蓄能電站技術的新進展摘要：在日本，抽水蓄能電站是電網(wǎng)主要調(diào)峰手段。日本抽水蓄能電站的裝機容量在世界上名列前茅，但仍在繼續(xù)發(fā)展抽水蓄能電站。日本近期抽水蓄能電站建設有朝超大型發(fā)展的趨勢。在建的神流川（Kannagawa）抽水蓄能電站裝機容量2700MW，金居原（Kaneihara）抽水蓄能電站裝機容量2280MW。這兩座抽水蓄能電站的水工建筑物設計和施工采用了一些新技術和新材料。本文對這兩座電站的規(guī)劃和水工建筑物的設計與施工中的某些新理念、新技術作了介紹和評論。關鍵詞：抽水蓄能電站日本神流川金居原新技術一、前言日本是世界上的經(jīng)濟大國，也是電力生產(chǎn)大國。日本的電源構(gòu)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(guī)水電開發(fā)較充分，但水電資源總量不多，在電源構(gòu)成中占的比重不大。常規(guī)水電站除了徑流式電站外，優(yōu)先用于峰荷發(fā)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(diào)峰問題，已經(jīng)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(wǎng)中的作用首先是調(diào)峰填谷，改善負荷系數(shù)；同時用于調(diào)頻、維持電網(wǎng)穩(wěn)定和調(diào)壓。在日本，抽水蓄能電站是公認的主要調(diào)峰手段。日本抽水蓄能電站平均年發(fā)電運行小時數(shù)只有620h，可見其主要用于峰荷發(fā)電和解決電網(wǎng)的問題。盡管抽水蓄能電站的建設成本不低，但與其他調(diào)峰電源相比，還是有競爭力的。因此，日本近年來還在繼續(xù)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(fā)揮抽水蓄能電站的優(yōu)勢。從規(guī)劃和設計來說，除了擔負調(diào)峰填谷的靜態(tài)功能外，更致力于發(fā)揮抽水蓄能電站的動態(tài)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(zhuǎn)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(xiàn)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(huán)境的影響，降低環(huán)境保護的投資。這些措施中很重要的一條就是發(fā)展高水頭和大容量的抽水蓄能機組，加大電站的規(guī)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(guī)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(fā)，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(nèi)。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(tǒng)，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(fā)電水頭653m，最大發(fā)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(fā)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(fā)，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(nèi)。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(nèi)，是世界上同一地下廠房內(nèi)裝機容量最多的抽水蓄能電站。電站有效發(fā)電水頭514.8m，最大發(fā)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(guī)劃和大壩1、增大水庫調(diào)節(jié)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(fā)電庫容（以滿出力發(fā)電小時數(shù)計）比我國的抽水蓄能電站用得大。一方面是為適應周調(diào)節(jié)的要求。通常情況下，發(fā)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(huán)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(fā)電小時數(shù)，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(guī)劃設計的一批抽水蓄能電站，水庫蓄能量的滿負荷發(fā)電小時數(shù)多數(shù)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(fā)電小時數(shù)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(jīng)濟優(yōu)勢，減輕對環(huán)境的影響，在規(guī)劃抽水蓄能電站的水庫時，要求在滿足電網(wǎng)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(yōu)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(diào)節(jié)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(guī)的范圍，必須選用可變速機組。神流川抽水蓄能電站最大發(fā)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/Htmin1.15,在一般單轉(zhuǎn)速水泵水輪機的水頭（揚程）變幅范圍之內(nèi)。該電站采用的是單轉(zhuǎn)速機組。金居原抽水蓄能電站最大發(fā)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(zhuǎn)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(diào)整機組轉(zhuǎn)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(fā)展很快，自大河內(nèi)（Okawachi）抽水蓄能電站采用這種機組以來，已有數(shù)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(huán)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(huán)抱的山谷地帶，優(yōu)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(zhì)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110100kg/m3，至2001年11月，大壩混凝土澆筑已經(jīng)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(zhì)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(tǒng)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(fā)電水頭653m），L/H=9.7，尚在通常認為較好的L/H10的范圍內(nèi)。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