抽水蓄能電站建設(shè)中的新技術(shù)應(yīng)用

1 前言 　　抽水蓄能電站一般是由一個上水庫、一個下水庫、輸水隧洞和廠房等組成。電站工作原理是利用夜間多余電力把下水庫的水抽到上水庫，在白天用電高峰時把上水庫的水放下發(fā)電。 　　抽水蓄能電站在電網(wǎng)中主要擔(dān)任調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用，可以改善系統(tǒng)的運(yùn)行條件，與核電、火電配合使用可以發(fā)揮其優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性能。抽水蓄能電站還有啟動快的特點(diǎn)，一般從啟動到滿負(fù)荷運(yùn)行只需3-5 分鐘，在電網(wǎng)中可以起到保安電源的作用。 　　抽水蓄能電站的建設(shè)規(guī)模是跟系統(tǒng)總裝機(jī)容量密切相關(guān)的。據(jù)東京電力公司研究分析認(rèn)為，從整個系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性來看抽水蓄能電站占系統(tǒng)總裝機(jī)的比例為10-15%是最為合理的。至2000 年9 月，日本全國已建抽水蓄能電站達(dá)到43 個，總裝機(jī)23943MW。 　　選擇合適站址是抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)性和有效性的前提條件。選址主要考慮以下四個關(guān)鍵因素：(1)需要有良好的地形、地質(zhì)條件，上下水庫具有好的防滲條件，保證有足夠大的庫容;(2)需要有雄厚的山體條件，適合修建大深度、大跨度的地下廠房;(3)要靠近負(fù)荷中心和大電源，這樣可以減少電力損失和輸電費(fèi)用;(4)電站水頭要高、隧洞要短。 　　隨著抽水蓄能電站建設(shè)的發(fā)展，許多相關(guān)的技術(shù)都有很大的進(jìn)步，本文主要介紹施工技術(shù)、機(jī)電制造技術(shù)、利用海水發(fā)電技術(shù)在日本抽水蓄能電站中的應(yīng)用情況。 　　2 施工技術(shù) 　　2.1 信息化管理系統(tǒng) 　　信息化管理系統(tǒng)是一個全過程的管理，包括抽水蓄能電站的勘測、設(shè)計、施工、檢測等。對電站整個建設(shè)過程進(jìn)行質(zhì)量、安全、進(jìn)度的跟蹤，并提出相應(yīng)的對策。以下就信息化管理系統(tǒng)在地下廠房施工過程中的作用作簡要介紹。為了保證地下廠房施工的安全，特別是大深度大跨度地下洞室的開挖，有必要對施工全過程進(jìn)行監(jiān)控。在施工之前，通過鉆孔、探硐、物探等勘測手段來觀察地質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)合有限元分析，預(yù)測軟弱結(jié)構(gòu)面、破碎帶的位置和性狀，提出施工方法。在施工過程中，為了克服前期勘測和分析方法的局限性，建立大量的計測點(diǎn)來監(jiān)測地下洞室頂拱混凝土和圍巖的變化。連續(xù)、快速地收集因地下洞室開挖而產(chǎn)生的應(yīng)力變化，預(yù)測、模擬開挖面的地質(zhì)構(gòu)造。通過信息化管理系統(tǒng)指導(dǎo)地下廠房施工，可以提高施工的安全和效率。 　　2.2 隧洞機(jī)械掘進(jìn)施工技術(shù) 　　隧洞機(jī)械掘進(jìn)[Tunnel Boring Machine(TBM)]，常用于山體地下坑道、隧洞的開挖，178具有一次性開挖成型、效果好、施工快的特點(diǎn)。由于這種施工方法沒有爆破震動，對圍巖的影響很小，從而可以減少襯砌量。TBM 施工技術(shù)在日本得到廣泛的推廣應(yīng)用。在建設(shè)鹽原抽水蓄能電站中，采用TBM 技術(shù)開挖坡度為52.5 度的高壓斜洞，這是世界上第一次采用TBM技術(shù)來開挖大坡度的斜洞。在建設(shè)神流川抽水蓄能電站中，曾采用直徑6.6m 隧洞掘進(jìn)機(jī)全斷面開挖長1.4km、坡度48 度高壓斜洞。用這種方法可以縮短建設(shè)工期，降低造價。TBM技術(shù)在日本已經(jīng)相當(dāng)成熟，在多個抽水蓄能電站的地下洞室開挖中發(fā)揮了很好的作用。 　　2.3 新奧法支護(hù)技術(shù)的廣泛推廣 　　新奧法(New Austrian Tunneling Method)，是一種輕型錨噴支護(hù)襯砌形式。巖石錨桿支護(hù)方法于1950-1952 年在奧地利的某水電站地下廠房施工中首先使用，噴混凝土支護(hù)方法于1951-1955 年在瑞士的某水電站的支護(hù)中最先采用。日本于1965 年引進(jìn)這種巖石錨桿和噴混凝土相結(jié)合的施工方法，1971 年在北越北線渦立山隧洞襯砌中首先使用。以后30多年中在許多工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了總結(jié)、完善，現(xiàn)在已成為隧洞襯砌的主流方法，并且，隨著施工技術(shù)的進(jìn)步和新材料的開發(fā)，在砂土隧道支護(hù)中也采用新奧法技術(shù)，使這項(xiàng)技術(shù)本身也得到了飛躍的發(fā)展。新奧法技術(shù)具有以下四個特征： 　　(1)安全性和經(jīng)濟(jì)性，通過計測能夠迅速準(zhǔn)確地把握山體的變化，提出更加安全合理的設(shè)計施工方法; 　　(2)適用性廣，在各種地質(zhì)條件下都能適用，從硬巖到軟巖的山體，再到砂土、膨脹性土的山體都能發(fā)揮其作用; 　　(3)任意形狀的斷面都可以施工，能夠圓滑地處理斷面形狀的變化，對特殊斷面形狀和大斷面的隧洞襯砌更能發(fā)揮其威力; 　　(4 )能夠防止地表沉降，由于錨桿和噴混凝土與山體圍巖緊密結(jié)合，使得開挖面周圍的裂縫能夠盡快閉合，從而起到防止地表沉降的作用。 　　3 機(jī)電技術(shù) 　　3.1 可變速機(jī)組 　　可變速機(jī)組是指抽水時水泵水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)可以連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)在任何揚(yáng)程下均能使水泵水輪機(jī)處于最優(yōu)工況。另一方面，在發(fā)電時通過交流勵磁來控制水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的獨(dú)立控制，以期達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定這個目的。日本關(guān)西電力公司所屬的大河內(nèi)抽水蓄能電站最先采用可變速機(jī)組。 　　可變速機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)和現(xiàn)行的定速機(jī)之間的差異主要在于勵磁裝置和轉(zhuǎn)子構(gòu)造的不同。主要表現(xiàn)在3 個方面： 　　(1)發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子不是直流勵磁而是三相交流勵磁; 　　(2)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與繞線轉(zhuǎn)子電動機(jī)相似，具有三相線圈結(jié)構(gòu); 　　(3 )勵磁控制系統(tǒng)由三相勵磁電流的大小和向量來控制，這樣可以同時調(diào)整有功功率和無功功率，與定速機(jī)只由端電壓控制自動電壓調(diào)節(jié)器有很大不同。 　　可變速抽水發(fā)電系統(tǒng)有以下3 個方面的優(yōu)點(diǎn)： 　　(1)由于可變速抽水發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子速度在一定范圍內(nèi)可以調(diào)整，抽水電量與轉(zhuǎn)子速度的3次方成比例，因此，在夜間抽水運(yùn)行時可以調(diào)整抽水電量到最佳方案。 　　(2)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由于可變速抽水發(fā)電系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子的活動沒有直接關(guān)系而是由控制交流勵磁的向量來控制內(nèi)部激勵電壓，從原理上說就不會產(chǎn)生象定速機(jī)那樣因轉(zhuǎn)子震蕩而產(chǎn)生穩(wěn)定問題;另外，由于能夠高速控制有功功率和無功功率，可以使可變速機(jī)組近旁的定速機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定。 　　(3)可以使機(jī)組始終在最高效率下運(yùn)行，在水位變幅很大或者帶部分負(fù)荷運(yùn)行時，機(jī)組運(yùn)行仍能保持當(dāng)時水頭或揚(yáng)程所要求的最佳轉(zhuǎn)179速。 　　3.2 超高揚(yáng)程、大容量水泵水輪機(jī) 　　抽水蓄能電站揚(yáng)程越高，可利用的水能也越大。水泵水輪機(jī)越小，對環(huán)境的影響也越小，更加經(jīng)濟(jì)，超高揚(yáng)程、大容量水泵水輪機(jī)就有這樣的特點(diǎn)。現(xiàn)在已經(jīng)超越了開始于上個世紀(jì)七十年代的500m/300MW 級的規(guī)模，進(jìn)入了700m/400MW 級的超高揚(yáng)程、大容量水泵水輪機(jī)時代。東京電力公司所屬的格野川抽水蓄能電站的最大有效水頭達(dá)728m，單機(jī)容量為412MW。 　　超高揚(yáng)程、大容量水泵水輪機(jī)的心臟部分是轉(zhuǎn)輪，當(dāng)轉(zhuǎn)輪受到1500m/s 高速高壓水作用時就會產(chǎn)生強(qiáng)大的流體振動。為了回避共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，需要有強(qiáng)度很高、性能可靠的水泵水輪機(jī)。東京電力公司和日立制鐵所聯(lián)合研究了轉(zhuǎn)輪在水中的共振現(xiàn)象，通過水流流動解析、三維CAD技術(shù)、強(qiáng)度振動解析等最新技術(shù)來研制具有高效率、低水壓性能和高剛性構(gòu)造的水泵水輪機(jī)。同時，在非常嚴(yán)格的條件下對主軸水封裝置進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，產(chǎn)品的性能和耐久性都得到了確認(rèn)。從現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果來看，在減少振動和降低噪音等方面比500m 級的水泵水輪機(jī)效果更好，證明了這是一個非常優(yōu)秀的產(chǎn)品。格野川抽水蓄能電站(有效水頭728m/單機(jī)容量412MW)和神流川抽水蓄能電站(有效水頭653m/單機(jī)容量463MW)都是700m/400MW級的超高揚(yáng)程、大容量水泵水輪機(jī)時代的代表性電站。 　　4 海水抽水蓄能電站 　　世界上第一座也是目前唯一的一座海水抽水蓄能電站是日本的沖繩山原抽水蓄能電站。該電站位于日本沖繩島，是利用太平洋作為下庫，上庫是由一塊凹地經(jīng)人工開挖筑壩而成，裝機(jī)容量30MW，是一座試驗(yàn)性的抽水蓄能電站。1991 年開工，1999年3月開始試驗(yàn)運(yùn)行，日本電源開發(fā)株式會社負(fù)責(zé)整個項(xiàng)目的開發(fā)。上庫有效庫容56.4萬m3，最大水頭177m。地下廠房埋深150m，長41m，寬17m，高32m。高壓斜管內(nèi)徑2.4m，長314m，輸水量26m3/s。 　　海水抽水蓄能電站比常規(guī)抽水蓄能電站在投資和運(yùn)行調(diào)度方面具有以下2個優(yōu)點(diǎn)：(1)不需要修建下水庫，(2)可以修建在火電、核電等大電源附近或者負(fù)荷中心附近。 　　對于海水抽水蓄能電站目前有一些爭論，沖繩山原海水抽水蓄能電站主要是為了檢驗(yàn)以下幾個問題：(1 )上庫防滲效果和海水對地表及地下水污染的評價;(2 )海水中有機(jī)物質(zhì)對管道及水輪機(jī)的粘附作用以及由此造成發(fā)電和抽水效率降低的評價;(3 )在高壓和高速水流作用下海水對金屬材料的腐蝕作用;(4 )在高海浪情況下，管道進(jìn)出口海水的輸入和排泄的不穩(wěn)定性對發(fā)電出力的影響;(5 )上庫海水因風(fēng)力作用而飄到水庫周圍，對植物、動物及其它生物的影響;(6)對生息在下庫出口周圍的珊瑚及其它有機(jī)生物的影響。 　　5 結(jié)語 　　本文簡要地介紹了目前日本抽水蓄能電站建設(shè)中的有關(guān)施工技術(shù)、機(jī)電技術(shù)及海水抽水蓄能電站的情況。抽水蓄能電站的建設(shè)隨著新技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展，特別是IT 技術(shù)出現(xiàn)，對抽水蓄能電站新技術(shù)應(yīng)用提出了更高要求，各大電力公司與機(jī)電制造商也都在加大力度，研究開發(fā)新技術(shù)、新產(chǎn)品。