水利工程論文-日本抽水蓄能電站技術(shù)的新進(jìn)展.doc

水利工程論文-日本抽水蓄能電站技術(shù)的新進(jìn)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(jī)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(shè)有朝超大型發(fā)展的趨勢(shì)。在建的神流川（Kannagawa）抽水蓄能電站裝機(jī)容量2700MW，金居原（Kaneihara）抽水蓄能電站裝機(jī)容量2280MW。這兩座抽水蓄能電站的水工建筑物設(shè)計(jì)和施工采用了一些新技術(shù)和新材料。本文對(duì)這兩座電站的規(guī)劃和水工建筑物的設(shè)計(jì)與施工中的某些新理念、新技術(shù)作了介紹和評(píng)論。關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站日本神流川金居原新技術(shù)一、前言日本是世界上的經(jīng)濟(jì)大國(guó)，也是電力生產(chǎn)大國(guó)。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(kāi)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(kāi)停機(jī)模式運(yùn)行。為了解決調(diào)峰問(wèn)題，已經(jīng)建設(shè)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(jī)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(fù)荷系數(shù)；同時(shí)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(rèn)的主要調(diào)峰手段。日本抽水蓄能電站平均年發(fā)電運(yùn)行小時(shí)數(shù)只有620h，可見(jiàn)其主要用于峰荷發(fā)電和解決電網(wǎng)的問(wèn)題。盡管抽水蓄能電站的建設(shè)成本不低，但與其他調(diào)峰電源相比，還是有競(jìng)爭(zhēng)力的。因此，日本近年來(lái)還在繼續(xù)建設(shè)抽水蓄能電站。為了增強(qiáng)新建抽水蓄能電站在電力市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，日本抽水蓄能電站的建設(shè)采取了一些應(yīng)對(duì)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(shì)。從規(guī)劃和設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，除了擔(dān)負(fù)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(dòng)態(tài)功能。機(jī)組要有更快的對(duì)負(fù)荷變化的跟蹤能力，適應(yīng)頻繁的工況轉(zhuǎn)換，水庫(kù)庫(kù)容要滿(mǎn)足更長(zhǎng)時(shí)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(jī)組制造最新水平的超高水頭大容量的抽水蓄能機(jī)組，縮小地下洞室的尺寸。同時(shí)還要盡可能減少對(duì)環(huán)境的影響，降低環(huán)境保護(hù)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(jī)組，加大電站的規(guī)模。近期正在建設(shè)或準(zhǔn)備建設(shè)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(kù)規(guī)劃、水工建筑物設(shè)計(jì)和工程施工中采用了一些新的理念和新的技術(shù)。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(kāi)發(fā)，位于群馬縣與長(zhǎng)野縣交界處。上水庫(kù)位于長(zhǎng)野縣信濃川水系南相木川上，下水庫(kù)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(jī)容量達(dá)2700MW，是目前世界上裝機(jī)容量最大的抽水蓄能電站。地下廠房分兩處，1號(hào)廠房安裝4臺(tái)機(jī)組，容量共1800MW；2號(hào)廠房安裝2臺(tái)機(jī)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(kù)，與我國(guó)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(yáng)程728m，屬700m水頭段機(jī)組。單機(jī)額定容量450MW，其額定容量與發(fā)電水頭的乘積超過(guò)了日本目前已部分投入運(yùn)行的葛野川抽水蓄能電站機(jī)組，屬世界上最大的抽水蓄能機(jī)組。該電站目前正在建設(shè)中，至2001年11月，工程進(jìn)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(guān)西電力公司開(kāi)發(fā)，位于滋賀縣與岐阜縣交界處。上水庫(kù)位于岐阜縣木曾川水系八草川上，下水庫(kù)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(jī)容量2280MW，在世界上也名列前茅。電站的6臺(tái)機(jī)組安裝在一個(gè)地下廠房?jī)?nèi)，是世界上同一地下廠房?jī)?nèi)裝機(jī)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(yáng)程約560m。由于該電站水頭變幅高達(dá)150m，計(jì)劃有部分機(jī)組要采用可變速機(jī)組。該電站的前期準(zhǔn)備工程如對(duì)外交通道路的施工已在進(jìn)行中，但主體工程尚未開(kāi)工。三、水庫(kù)動(dòng)能規(guī)劃和大壩1、增大水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容與電站的事故備用能力日本純抽水蓄能電站上下水庫(kù)的有效發(fā)電庫(kù)容（以滿(mǎn)出力發(fā)電小時(shí)數(shù)計(jì)）比我國(guó)的抽水蓄能電站用得大。一方面是為適應(yīng)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(jìn)行，而抽水則每天都要進(jìn)行，因此水庫(kù)的庫(kù)容要大于日循環(huán)所需庫(kù)容。另一方面，為了加強(qiáng)抽水蓄能電站與其他形式的電源在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力，抽水蓄能電站應(yīng)有更多的事故備用能力。水庫(kù)有效庫(kù)容提供的滿(mǎn)出力發(fā)電小時(shí)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(jì)70年代規(guī)劃設(shè)計(jì)的一批抽水蓄能電站，水庫(kù)蓄能量的滿(mǎn)負(fù)荷發(fā)電小時(shí)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(gè)電站的滿(mǎn)出力發(fā)電小時(shí)數(shù)要高一些。2、加大水庫(kù)的水位變幅，選用可變速機(jī)組為了降低工程投資，提高經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，減輕對(duì)環(huán)境的影響，在規(guī)劃抽水蓄能電站的水庫(kù)時(shí)，要求在滿(mǎn)足電網(wǎng)需求的前提下，減小水庫(kù)的總庫(kù)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(kù)的水位變幅，增加水庫(kù)的工作水深，以增加水庫(kù)的調(diào)節(jié)庫(kù)容。這樣一來(lái)，水泵水輪機(jī)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(jī)組。神流川抽水蓄能電站最大發(fā)電水頭695m，接近單級(jí)可逆式水泵水輪機(jī)制造能力的上限，很符合高水頭站址的標(biāo)準(zhǔn)。該電站水庫(kù)水位變幅并不大。上水庫(kù)壩高136m，水位變幅27m；下水庫(kù)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(jī)的水頭（揚(yáng)程）變幅范圍之內(nèi)。該電站采用的是單轉(zhuǎn)速機(jī)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(kù)的水位變幅，增加水庫(kù)的工作水深方面最為典型。上水庫(kù)水位變幅95m，下水庫(kù)水位變幅55m，合計(jì)150m。Hpmax/Htmin接近1.45，遠(yuǎn)超過(guò)一般單轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)的水頭（揚(yáng)程）變幅范圍。因此該電站計(jì)劃有部分機(jī)組要采用可變速機(jī)組，可以任意調(diào)整機(jī)組轉(zhuǎn)速，以保證能在不同的水頭（揚(yáng)程）段高效率和安全地運(yùn)行。事實(shí)上，日本可變速抽水蓄能機(jī)組發(fā)展很快，自大河內(nèi)（Okawachi）抽水蓄能電站采用這種機(jī)組以來(lái)，已有數(shù)座新建及擴(kuò)建的抽水蓄能電站選用了可變速機(jī)組。3、壩型選擇與庫(kù)容的綜合考慮由于環(huán)境保護(hù)的要求，不允許過(guò)大的水庫(kù)淹沒(méi)，兩座電站的上下水庫(kù)都建在高山環(huán)抱的山谷地帶，優(yōu)點(diǎn)是最高庫(kù)水位遠(yuǎn)低于庫(kù)周山嶺的地下水位，除壩基外，庫(kù)盆沒(méi)有采取專(zhuān)門(mén)的防滲措施。但這樣的地形條件帶來(lái)的缺點(diǎn)是為了獲得必要的庫(kù)容必須修建高壩。為避免土石壩上游壩體侵占庫(kù)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(kù)壩和金居原抽水蓄能電站上水庫(kù)壩都采用了混凝土重力壩。正在建設(shè)的神流川下庫(kù)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(kù)壩和金居原抽水蓄能電站下水庫(kù)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(shè)過(guò)混凝土面板堆石壩。日本是多地震國(guó)家，土石壩的壩坡放得較緩。為適應(yīng)抽水蓄能電站的工作條件，上游壩坡則更緩。神流川上庫(kù)壩上下游壩坡分別為1:2.7和1:2.0，金居原下庫(kù)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(zhǎng)約6350m，在世界上的抽水蓄能電站中算是相當(dāng)長(zhǎng)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(rèn)為較好的L/H10的范圍內(nèi)。輸水道分成兩組，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)地下廠房。其中1號(hào)輸水道連接4臺(tái)機(jī)組