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日本抽水蓄能电站技术的新进展
摘要：在日本，抽水蓄能电站是电网主要调峰手段。日本抽水蓄能电站的装机容量在世界上名列前茅，但仍在继续发展抽水蓄能电站。日本近期抽水蓄能电站建设有朝超大型发展的趋势。在建的神流川抽水蓄能电站装机容量2700MW，金居原抽水蓄能电站装机容量2280MW。这两座抽水蓄能电站的水工建筑物设计和施工采用了一些新技术和新材料。本文对这两座电站的规划和水工建筑物的设计与施工中的某些新理念、新技术作了介绍和评论。
关键词：抽水蓄能电站日本神流川金居原新技术
一、前言
日本是世界上的经济大国，也是电力生产大国。日本的电源构成以核电为首位，其次依次为燃煤火电、LNG火电和燃油火电。日本的常规水电开发较充分，但水电资源总量不多，在电源构成中占的比重不大。常规水电站除了径流式电站外，优先用于峰荷发电；许多LNG火电站和燃油火电站也按每日开停机模式运行。为了解决调峰问题，已经建设了大批抽水蓄能电站。2000年，日本共有43座抽水蓄能电站，总装机容量24705MW，名列世界首位。抽水蓄能电站在电网中的作用首先是调峰填谷，改善负荷系数；同时用于调频、维持电网稳定和调压。在日本，抽水蓄能电站是公认的主要调峰手段。日本抽水蓄能电站平均年发电运行小时数只有620h，可见其主要用于峰荷发电和解决电网的问题。尽管抽水蓄能电站的建设成本不低，但与其他调峰电源相比，还是有竞争力的。因此，日本近年来还在继续建设抽水蓄能电站。
为了增强新建抽水蓄能电站在电力市场的竞争力，日本抽水蓄能电站的建设采取了一些应对措施，新建抽水蓄能电站着眼于充分发挥抽水蓄能电站的优势。从规划和设计来说，除了担负调峰填谷的静态功能外，更致力于发挥抽水蓄能电站的动态功能。机组要有更快的对负荷变化的跟踪能力，适应频繁的工况转换，水库库容要满足更长时间事故备用的能力。而为了降低工程投资，从站址选择上要选水头更高的站址，安装体现机组制造最新水平的超高水头大容量的抽水蓄能机组，缩小地下洞室的尺寸。同时还要尽可能减少对环境的影响，降低环境保护的投资。这些措施中很重要的一条就是发展高水头和大容量的抽水蓄能机组，加大电站的规模。近期正在建设或准备建设的抽水蓄能电站中，有一些超大型的电站。本文要介绍的神流川抽水蓄能电站和金居原(Kaneihara)抽水蓄能电站可以作为其中的典型代表。这两座电站的水库规划、水工建筑物设计和工程施工中采用了一些新的理念和新的技术。
二、两座超大型抽水蓄能电站概况
1、神流川抽水蓄能电站
神流川抽水蓄能电站由日本东京电力公司开发，位于群马县与长野县交界处。上水库位于长野县信浓川水系南相木川上，下水库位于群马县利根川水系神流川上，地下厂房在群马县境内。该电站装机容量达2700MW，是目前世界上装机容量最大的抽水蓄能电站。地下厂房分两处，1号厂房安装4台机组，容量共1800MW；2号厂房安装2台机组，容量共900MW。两处厂房有各自的输水系统，但共用上、下水库，与我国广州抽水蓄能电站相似。电站有效发电水头653m，最大发电水头695m，最大抽水扬程728m，属700m水头段机组。单机额定容量450MW，其额定容量与发电水头的乘积超过了日本目前已部分投入运行的葛野川抽水蓄能电站机组，属世界上最大的抽水蓄能机组。该电站目前正在建设中，至2001年11月，工程进展已完成61%。
2、金居原抽水蓄能电站
金居原抽水蓄能电站由日本关西电力公司开发，位于滋贺县与岐阜县交界处。上水库位于岐阜县木曾川水系八草川上，下水库位于滋贺县淀川水系须亦川上，地下厂房在滋贺县境内。该电站装机容量2280MW，在世界上也名列前茅。电站的6台机组安装在一个地下厂房内，是世界上同一地下厂房内装机容量最多的抽水蓄能电站。电站有效发电水头m，最大发电水头m，最大抽水扬程约560m。由于该电站水头变幅高达150m，计划有部分机组要采用可变速机组。该电站的前期准备工程如对外交通道路的施工已在进行中，但主体工程尚未开工。
三、水库动能规划和大坝
1、增大水库调节库容与电站的事故备用能力
日本纯抽水蓄能电站上下水库的有效发电库容比我国的抽水蓄能电站用得大。一方面是为适应周调节的要求。通常情况下，发电只在星期一至星期五进行，而抽水则每天都要进行，因此水库的库容要大于日循环所需库容。另一方面，为了加强抽水蓄能电站与其他形式的电源在市场上的竞争能力，抽水蓄能电站应有更多的事故备用能力。水库有效库容提供的满出力发电小时数，神流川抽水蓄能电站为7h，而金居原抽水蓄能电站为9h。日本在上世纪70年代规划设计的一批抽水蓄能电站，水库蓄能量的满负荷发电小时数多数在6h左右，最多到7h，少的只有4h。与这些抽水蓄能电站的平均水平相比，这两个电站的满出力发电小时数要高一些。
2、加大水库的水位变幅，选用可变速机组
为了降低工程投资，提高经济优势，减轻对环境的影响，在规划抽水蓄能电站的水库时，要求在满足电网需求的前提下，减小水库的总库容和占地面积。高水头的站址自然是优先考虑的。其次是加大水库的水位变幅，增加水库的工作水深，以增加水库的调节库容。这样一来，水泵水轮机的工作水头比自然要变大，可能超出常规的范围，必须选用可变速机组。
神流川抽水蓄能电站最大发电水头695m，接近单级可逆式水泵水轮机制造能力的上限，很符合高水头站址的标准。该电站水库水位变幅并不大。上水库坝高136m，水位变幅27m；下水库坝高120m，水位变幅30m；水头总变幅57m。Hpmax/Htmin,在一般单转速水泵水轮机的水头变幅范围之内。该电站采用的是单转速机组。金居原抽水蓄能电站最大发电水头m，也属于高水头电站。而该电站在加大水库的水位变幅，增加水库的工作水深方面最为典型。上水库水位变幅95m，下水库水位变幅55m，合计150m。Hpmax/Htmin接近，远超过一般单转速水泵水轮机的水头变幅范围。因此该电站计划有部分机组要采用可变速机组，可以任意调整机组转速，以保证能在不同的水头段高效率和安全地运行。事实上，日本可变速抽水蓄能机组发展很快，自大河内抽水蓄能电站采用这种机组以来，已有数座新建及扩建的抽水蓄能电站选用了可变速机组。
3、坝型选择与库容的综合考虑
由于环境保护的要求，不允许过大的水库淹没，两座电站的上下水库都建在高山环抱的山谷地带，优点是最高库水位远低于库周山岭的地下水位，除坝基外，库盆没有采取专门的防渗措施。但这样的地形条件带来的缺点是为了获得必要的库容必须修建高坝。为避免土石坝上游坝体侵占库容，如地质条件允许，则尽可能建混凝土坝。
神流川抽水蓄能电站下水库坝和金居原抽水蓄能电站上水库坝都采用了混凝土重力坝。正在建设的神流川下库大坝采用日本的碾压混凝土筑坝工法(RCD)，碾压混凝土水泥用量110~100kg/m3，至2001年11月，大坝混凝土浇筑已经完成。神流川抽水蓄能电站上水库坝和金居原抽水蓄能电站下水库坝的地质条件不适合建混凝土坝，都采用粘土心墙堆石坝。日本迄今为止尚未真正建设过混凝土面板堆石坝。日本是多地震国家，土石坝的坝坡放得较缓。为适应抽水蓄能电站的工作条件，上游坝坡则更缓。神流川上库坝上下游坝坡分别为1:和1:，金居原下库坝的上下游坝坡为1:和1:。
四、输水系统
1、输水道的布置与最大流速
神流川抽水蓄能电站的输水道总长约6350m，在世界上的抽水蓄能电站中算是相当长的了。好在它的水头也很高，L/H=，尚在通常认为较好的L/H10的范围内。输水道分成两组，分别对应两个地下厂房。其中1号输水道连接4台机组，上游引水隧洞长2445m，内径m，钢筋混凝土衬砌。经上调压井后分为两条压力钢管。压力钢管主管长约1300m，内径m，其中斜井段长约960m，倾角48°。在下平段作第2次分岔，分成两条内径m的支管，各长约100m。尾水道依次由4条合为2条，再经尾水调压井后合为1条，内径为m~m，尾水隧洞总长约2300m，全部用钢筋混凝土衬砌。2号输水道连接2台机组，引、尾水隧洞主洞内径均为m，在上调压井和尾水调压井处不作分岔，其余与1号输水道完全相同。
金居原抽水蓄能电站的枢纽布置比神流川电站要紧凑，输水道总长约2600m，L/H=。采用一洞三机，引水和尾水主隧洞各2条。地下厂房基本上是首部开发的布置，从上进出水口至厂房的两条上游输水道仅长910m和920m。不需要设上游调压井，上游闸门井后的两条压力钢管长740m和710m，内径，倾角分别为53°和57°。在厂房前60m处各分岔两次后分别与6台机组相连，分岔后的支管进球阀前内径m。6条内径m的尾水支管经两个尾水调压井后合为两条内径m的钢筋混凝土衬砌的尾水主隧洞。尾水道总长分别为1600m和1610m。
这两座电站压力钢管主管内的最大流速，在通过最大发电流量时均超过10m/s，基本上是日本抽水蓄能电站的一般做法。该流量比我国大型抽水蓄能电站压力钢管的设计最大流速高。流速高则水头损失大，对抽水蓄能电站来说，最终要用增加抽水电量也即抽水电费来补偿。欧美和日本的抽水电价相对便宜一些，在经济直径计算时往往选择较小的直径，宁可水头损失大一些。我国目前情况与他们不同，压力钢管内的最大流速一般只有6~8m/s，通过相同流量时管径要大一些。其实对某些输水道不长、水头损失总量不大的工程，适当提高输水道内的最大流速以减少基本建设的一次投资、减小压力钢管的制作难度，可能是更好的方案。
2、压力钢管的新水平
两座电站压力钢管的HD参数均甚高。神流川电站压力钢管下平段最大静水压816m，动水压力超过1000m，HD超过46000kN/m。金居原电站虽然承受水压要低一些，但是管径为，以动水压力计算的HD值与神流川电站也相差无几。神流川电站的压力钢管已采用了HT100级的高强钢板。将该等级的钢板用于压力钢管，在日本是首次。金居原电站的压力钢管计划也要采用HT100级的高强钢板，将是日本压力钢管使用该等级钢板的第2个工程。
神流川电站压力钢管的斜井段长约1000m，倾角48°，围岩地质条件相对软弱，为了安全和节约投资，开挖施工使用了直径为m的全断面隧洞掘进机(TBM)。在如此陡倾角、大直径的斜井开挖时使用TBM，据称在日本是首次，在世界上也没有先例。金居原电站的压力斜井虽然比神流川电站斜井短一些，可是直径更大，倾角也更陡。按现在的计划，斜井施工不使用TBM。但该电站的压力斜井的施工支洞，以及尾水隧洞、进厂交通洞、尾水隧洞和出线电缆洞计划使用TBM开挖。
3、尾水隧洞
两座电站的尾水隧洞都很长，而且由于机组单机容量大、转速高，Hs绝对值也很大，所以两座电站的尾水调压井的规模都很大。神流川电站1号输水道尾调高148m，为带上室的阻抗式，井身内径10m。金居原电站由于下水库的水位变幅大，原设计尾水调压井高186m，带有上室，井身为内长轴15m、短轴10m的椭圆形，便于三条尾水支洞同时进入井内。
近年来，为了减少土建工程量、降低工程投资，日本抽水蓄能工程界正在探索高水头抽水蓄能电站长尾水隧洞取消调压井的可能性，进行了相应的试验研究。有一座设计中的抽水蓄能电站尾水洞长近900m，经研究可以取消尾水调压井。在研究中他们提出了一个尾水隧洞时间参数Tws，表示尾水隧洞内水力过渡过程压力变化相对于Hs值的比例，即：Tws=LV/[g(-Hs)]。式中L为尾水隧洞长度(m)，V为尾水隧洞内平均流速(m/s)，g为重力加速度(m/s2)，-Hs为最小淹没深度(m)。根据多座抽水蓄能电站的设计经验，可以取消尾水调压井的Tws不能大于6s，但如Tws大于4s就须进行详细研究。本文介绍的这两座电站的尾水隧洞太长，按工程数据计算，神流川1号输水道Tws=s，2号输水道Tws=s，金居原电站Tws=s，均远大于6s的限值。故两座抽水蓄能电站设置尾水调压井是必须的。
五、地下厂房
1、地下厂房的布置特点
由于两座抽水蓄能电站的水泵水轮机要求的最小淹没深度都非常大，而地质条件又允许，采用地下式厂房是必然的选择。
在输水系统部分已经介绍，神流川电站的地下厂房分为两处。1号地下厂房安装4台机组，厂房尺寸为长m，宽m，高m；2号地下厂房安装2台机组，厂房尺寸为长m，宽度和高度与1号地下厂房相同。之所以将地下厂房分两处布置，据说主要是由于地质条件的原因。两处地下厂房加在一起，共长约350m，分两处布置也为加快施工进度创造了条件。金居原电站的地下厂房安装全部6台机组，厂房尺寸长m，宽25m，高m。
与我国已经建设的大型抽水蓄能电站相比，这两座电站的地下厂房除了规模大之外，还有一些特点。这两座电站的地下厂房在布置上都是把主变压器放在主厂房洞的两端，主副厂房和主变洞合为一个洞室。副厂房也不是集中布置在主厂房的一端，而是在主厂房内分散布置。这样的布置方式与我国抽水蓄能电站通常的布置是不同的。但在日本，以前就有一些抽水蓄能电站的地下厂房采用这种布置方式。另外，神流川电站的1号厂房和金居原电站的厂房都把安装场布置在厂房的中部而不是在厂房的一端。安装场放在地下厂房的中部，在日本是常用的做法，而我国已建大型抽水蓄能电站仅十三陵的地下厂房是这样布置的。中国和日本抽水蓄能电站地下厂房布置方式的不同，除了各自的习惯做法外，从水工结构的观点来说，可能主要还是考虑到地质条件对洞室围岩稳定的影响。日本抽水蓄能电站地下厂房的地质条件多数都不好，采用一个长的大洞室，比起用两个相互平行、间距又不可能很远的大洞室来，围岩的整体稳定性自然要更好一些。同样，安装场放在地下厂房中部比起放在端部来，可以减少洞室上下游高边墙的连续长度，对增加高边墙的稳定性也是有利的。
2、地下厂房支护方式与施工技术的发展
与日本早期的抽水蓄能电站地下厂房相比，神流川电站和金居原电站地下厂房结构的明显进步在于厂房洞室的支护方式。由于围岩条件不好，以往日本抽水蓄能电站地下厂房基本上都是全钢筋混凝土衬砌，或者至少顶拱是钢筋混凝土衬砌的。而这两个电站的地下厂房洞室支护已完全改变了以前的常规做法。神流川电站地下厂房尽管跨度已达到34m，其顶拱和边墙均采用锚杆喷混凝土加系统的预应力锚索支护。预应力锚索为1000kN等级，长度一般为15m，围岩好的地方也有长10m的，间距3m×3m；系统锚杆长5m。金居原电站地下厂房跨度25m，设计也是对顶拱和边墙采用喷锚支护。顶拱喷混凝土厚32cm，边墙喷混凝土厚24cm，也要加系统的预应力锚索或锚杆。
神流川电站的地下厂房洞已于2001年10月完成开挖。34m的跨度对抽水蓄能电站的厂房是比较少见的。为了确保施工安全，开挖的程序上有些新意。顶拱先开挖中导洞，导洞顶拱支护好以后再向两侧扩挖。扩挖时每侧的岩体等分为若干区段，每段在洞轴线方向的长度为15m左右。同侧的各区段采用“跳仓”式的开挖，即隔一段挖一段，挖完一段随即支护好；而两侧的先开挖区段相互错开，以减少顶拱支护前的自由跨度。待整个顶拱的先开挖区段支护好后，顺序开挖留下的区段。顶拱开挖支护完毕后再用类似的方法逐层下扩。该厂房洞开挖时采用了观测施工管理系统，即综合了勘察、设计、施工和监测功能的一体化信息系统。对开挖区域进行了连续监测。围绕厂房洞室建立了约1600个测点，不断地监测围岩的状况。通过计算机系统对观测数据的高速处理，分析围岩由于开挖而产生的应力变形的变化，并将分析结果反馈给后续开挖过程的设计，以促进洞室的开挖做到安全和经济。
六、减轻对环境的不利影响
重视保护环境，减轻工程对环境的不利影响，已成为工程设计和施工必须做到的重要方面。作为发达国家的日本，更是如此。两座电站在环境保护方面也有一些新的理念。
1、不改变河水的流向。如前所述，神流川电站上水库位于信浓川水系，该水系流入日本海；而下水库所在的利根川水系则流入太平洋。上水库集水面积km2。尽管面积不大，为了使这块集水面积上的径流不致改变其归属，从而不改变下游的生态环境，上水库集水面积的产水未被截留，而是通过导流洞和放水设施如数排向下游。这是考虑环境效益重于经济效益的实例。以前，通过跨流域调水来增大抽水蓄能电站的经济效益，曾是抽水蓄能电站选点规划时要考虑的因素之一。在环境保护日益重要的今天，规划的观念也要更新。
2、不破坏地面自然景观。除了大坝和水库以外，所有的设施都尽可能设置在地下。除了采用地下输水系统和地下厂房外，这两座超大型抽水蓄能电站的站内交通道路都大量地采用了隧洞的形式。神流川电站的对外交通道路从位于下水库左岸的进厂交通洞洞口跨过水库库尾，再沿下水库右岸经大坝右坝头直至下游与已有公路连接，长度超过5km，大部分采用隧洞。金居原电站下库区从大坝下游通向库尾地面开关站和进厂交通洞口的道路以及对外交通道路改线段采用隧洞共长km，约占这些道路总长度的50%。此外，为了少破坏地面植被，筑坝材料尽可能在库内淹没区开挖。库外料场和弃渣区均精心做了水土保持设施，重新种植当地的不同植物，以恢复原有的自然景观。
七、结束语
为了增强抽水蓄能电站在电力市场的竞争力，日本抽水蓄能电站的建设有针对性地采取了一些应对措施，并已在新建的抽水蓄能电站中实施，以充分发挥抽水蓄能电站的优势。日本抽水蓄能电站建设技术也在这个过程中得到新的发展。限于笔者所能获得的资料，本文仅主要介绍了两座正在建设的超大型抽水蓄能电站规划和土建方面的一些新的技术进展。值得指出的是，由于近年来日本经济发展持续低迷，电力需求增长缓慢，对新电源点包括新抽水蓄能电站的建设速度也有明显的影响。例如神流川抽水蓄能电站虽然地下厂房已经开挖完毕，但计划要到2005年才发电；金居原抽水蓄能电站的建设机构早已成立并运作，但至今主体工程尚未开工。尽管如此，日本从上世纪90年代以来抽水蓄能电站建设的新理念和新技术，还是值得我们研究和借鉴的。
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