美國阿拉斯加水力發(fā)電概況

［美國］J.B.約翰遜

美國阿拉斯加州對(duì)水力發(fā)電設(shè)備制造商極富吸引力，因?yàn)槠渌Y源潛能大、其他能源成本高。該州立法規(guī)定:到2025年，可再生能源發(fā)電量應(yīng)達(dá)到總發(fā)電量50%的目標(biāo)。

由于阿拉斯加主要水系兩岸分布著許多偏遠(yuǎn)的小村莊，運(yùn)用水力發(fā)電可降低能源成本，使村民受益。同時(shí)，可以開發(fā)庫克灣的潮汐資源以服務(wù)于該州人口眾多的地區(qū)。

在育空(Yukon)河上修建的伊格爾和魯比兩個(gè)工程是阿拉斯加河流水系上投產(chǎn)發(fā)電的第一批示范項(xiàng)目。通過這兩座試點(diǎn)已證明，在阿拉斯加實(shí)施這項(xiàng)新技術(shù)既能帶來收益，也面臨挑戰(zhàn)。

1 水力發(fā)電潛能

電力研究協(xié)會(huì)(EPRI)評(píng)估得出，在阿拉斯加沿海地區(qū)，潮汐水能達(dá)109 TW·h/a。據(jù)該協(xié)會(huì)開展的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究表明，在阿拉斯加?xùn)|南部和中部可用潮汐水力資源豐富，有效出力范圍為9～1 600 MW。

1986年，紐約大學(xué)曾對(duì)全美所有水電潛能進(jìn)行了一項(xiàng)研究。結(jié)果表明，阿拉斯加流量大于113 m3/s的河流，預(yù)計(jì)其水電潛能約為4.3 GW。為使該評(píng)估更加精確，美國能源部(DOE)目前正在資助一項(xiàng)研究，以重新評(píng)估全美(包括阿拉斯加)所有河流的水力能源狀況。2008年，EPRI對(duì)阿拉斯加6個(gè)社區(qū)附近河流的水電資源進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)勘查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)年均水能約為9 MW，年總發(fā)電量可達(dá)78 GW·h左右。

以2010年價(jià)格為例，整個(gè)阿拉斯加州的能源成本范圍為0.14～0.94美元/kW·h。由于可利用當(dāng)?shù)靥烊粴?，安克雷奇地區(qū)的能源成本最低。大型農(nóng)村公用事業(yè)公司——阿拉斯加農(nóng)村電力公司(AVEC)為53個(gè)偏遠(yuǎn)農(nóng)村供電，供電成本約為0.52美元/kW·h。其他偏遠(yuǎn)村莊的能源成本往往更高，由于夏季需要用駁船或飛機(jī)運(yùn)輸柴油，因此對(duì)柴油運(yùn)輸價(jià)格的變化極為敏感。

EPRI研究表明，水力發(fā)電的成本范圍預(yù)計(jì)為:從0.11美元/kW·h(利用安克雷奇附近潮汐資源)到0.68美元/kW·h(伊久吉格和伊格爾的水力發(fā)電)。盡管比美國大陸的年平均能源成本(0.09美元/kW·h)高得多，但其潛在的成本比阿拉斯加現(xiàn)有的能源成本更具競(jìng)爭(zhēng)力。除了在偏遠(yuǎn)農(nóng)村可取代昂貴的柴油，并使能源組合多樣化之外，還可為當(dāng)?shù)貏?chuàng)造與能源相關(guān)的工作崗位，減少溫室氣體排放。

2 面臨的挑戰(zhàn)

研發(fā)、運(yùn)用流體動(dòng)力設(shè)備作為一種相對(duì)較新的技術(shù)在工程、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面都面臨較大挑戰(zhàn)，只有解決了這些問題，運(yùn)用該技術(shù)的工程才能有效地投入商用。在阿拉斯加州，就面臨一些工程問題，如水力設(shè)備的錨固、水下安裝基礎(chǔ)支護(hù)、安裝方法、技術(shù)和操作的可行性、性能和運(yùn)行維護(hù)要求等。

所有這些工程問題都因木質(zhì)殘?bào)w、懸沙、河底和海底狀況及紊流的影響所致。木質(zhì)殘?bào)w會(huì)與水力設(shè)備發(fā)生碰撞或堆積在設(shè)備上，造成設(shè)備損壞并中斷運(yùn)行。懸沙會(huì)磨損設(shè)備部件，而錨和基礎(chǔ)周圍的泥沙淤積或沖刷，都將影響設(shè)備性能。紊流會(huì)減少水力設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率，且會(huì)給設(shè)備部件施加疲勞應(yīng)力。除此之外，諸如確定水力設(shè)備的最佳潮位、河道位置以及投資回報(bào)率等一些經(jīng)濟(jì)因素也都難以界定。

在阿拉斯加的許多地區(qū)，水輪機(jī)不能全年投入運(yùn)行，其原因是:冬季(從10月到次年4月)流速低，小冰塊可能堆積在水輪機(jī)部件上，使河中形成冰蓋或冰塊漂移到潮汐港池(如庫克灣)。

通常，水力設(shè)備正常運(yùn)行的最小流速為1～2 m/s，最佳流速為1.5 ～3.5 m/s。然而，一些新設(shè)備甚至在流速低至0.5 m/s下也能發(fā)電，這將大大地增加可用站址的數(shù)量，并提高工程的經(jīng)濟(jì)效益。

美國聯(lián)邦能源管理委員會(huì)(FERC)負(fù)責(zé)監(jiān)管水力發(fā)電及設(shè)備安裝。無論輸電至商業(yè)性電網(wǎng)的任何一臺(tái)水力潮汐發(fā)電設(shè)備或河水發(fā)電設(shè)備都需要得到FERC的認(rèn)可后才能預(yù)以安裝。FERC工作人員會(huì)極為關(guān)注水力設(shè)備的紊流、腐蝕、錨固系統(tǒng)、漏水或漏油、水下輸電路線的效力、安裝和維修等問題。以上幾個(gè)方面也是設(shè)備制造商和用戶目前正在努力解決的工程問題。

除此之外，相關(guān)人士和監(jiān)管機(jī)構(gòu)還密切關(guān)注設(shè)備對(duì)海魚和河魚以及海洋哺乳動(dòng)物的潛在生態(tài)影響。阿拉斯加海魚的捕獲量約占美國每年商業(yè)捕魚量的一半。鮭魚在阿拉斯加河流水系中的遷移和產(chǎn)卵。另外，庫克灣有很多瀕危的白鯨出沒，其部分海域已被美國國家海洋和大氣管理局的國家海洋漁業(yè)服務(wù)處劃定為白鯨棲息保護(hù)地。

對(duì)于商用性設(shè)備而言，向FERC申請(qǐng)?jiān)S可的過程耗時(shí)又費(fèi)力。為減輕對(duì)短期小型示范工程的監(jiān)管負(fù)擔(dān)，對(duì)旨在試驗(yàn)新技術(shù)的水力示范項(xiàng)目，F(xiàn)ERC提出的許可審批的最短期限為6個(gè)月。示范工作包括設(shè)備安裝、運(yùn)行和電網(wǎng)連接，以及對(duì)環(huán)境影響的調(diào)查等。

在阿拉斯加各河流中，環(huán)境影響監(jiān)測(cè)主要集中在鮭魚上。阿拉斯加漁獵局(ADF＆G)要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，了解現(xiàn)場(chǎng)魚群的數(shù)量及其洄游模式，才能發(fā)放水力設(shè)備安裝許可證。一旦設(shè)備投入運(yùn)行，ADF＆G也要求對(duì)魚類與設(shè)備之間的相互作用進(jìn)行研究，以確保設(shè)備對(duì)魚群無不利影響。

水力設(shè)備技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的可行性取決于制造商的技術(shù)水平、在目標(biāo)市場(chǎng)上的發(fā)電成本、水力技術(shù)在阿拉斯加州能否有效運(yùn)行。這些只能通過實(shí)施特定的試點(diǎn)項(xiàng)目得以確定。設(shè)在阿拉斯加魯比和伊格爾的2座水電工程運(yùn)行情況表明:水力發(fā)電可滿足農(nóng)村市場(chǎng)的需求，但是在飄滿木質(zhì)殘?bào)w的河流中，設(shè)備的維護(hù)、運(yùn)行難以得到保障。

3 發(fā)展途徑

阿拉斯加承諾到2025年50%的電力將來自可再生能源。該州提倡使用本州資金發(fā)展可再生能源，并與美國聯(lián)邦機(jī)構(gòu)開展合作，贊助私人和公共機(jī)構(gòu)開發(fā)公用電力工程，共同開發(fā)新能源和新興能源技術(shù)，并進(jìn)行應(yīng)用研究。

在阿拉斯加，為水力工程籌資的途徑較為廣泛。2005年，通過可再生能源公用事業(yè)工程競(jìng)爭(zhēng)合格的申請(qǐng)人提供資金支持，阿拉斯加設(shè)立了可再生能源基金(REF)。該基金是由旨在降低阿拉斯加能源成本的州屬機(jī)構(gòu)——阿拉斯加能源局(AEA)管理。除REF之外，AEA還管理著新興能源技術(shù)基金(EETF)，可為阿拉斯加的水力發(fā)電工作組提供贊助。

通過最初由德納利委員會(huì)(DC)啟動(dòng)的EETF計(jì)劃，最近實(shí)施的大多數(shù)水力工程已獲得資金支持。DC是一家獨(dú)立聯(lián)邦機(jī)構(gòu)，其任務(wù)是對(duì)阿拉斯加整個(gè)農(nóng)村的公用事業(yè)設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟(jì)提供重要支持。建立EETF旨在為即將投入商用的新興能源技術(shù)試點(diǎn)工程提供資金支持，目前使用聯(lián)邦政府(通過DC)與州的聯(lián)合資金作為獎(jiǎng)勵(lì)基金。此外，DOE支持該州建設(shè)可再生海洋工程和河流水力發(fā)電能源技術(shù)開發(fā)工程，有兩種方式:①通過競(jìng)爭(zhēng)性投標(biāo)流程;②在能源部與州之間實(shí)施共同出資的合作關(guān)系，從而建立擔(dān)保貸款計(jì)劃。

為促進(jìn)水力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，該州各公司、大學(xué)、研究中心及其他組織正開展多項(xiàng)研究，課題包括:①沿河選定位置確定可用水能;②研究泥沙對(duì)機(jī)械軸承的磨損;③提出河流特性表征方法并將其用于推進(jìn)水力設(shè)備的安裝。

對(duì)河流特性的勘探研究有助于確定水力設(shè)備安裝的最佳位置，提供影響設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)的相關(guān)信息。重要的河流特征參數(shù)包括有效水能、紊流、懸移質(zhì)漏沙與河床推移質(zhì)輸沙、木質(zhì)殘?bào)w數(shù)量和結(jié)冰情況。阿拉斯加水力發(fā)電研究中心(AHERC)重點(diǎn)關(guān)注與流水和潮汐發(fā)電相關(guān)的應(yīng)用研究和工程。該中心隸屬于阿拉斯加能源與電力中心(ACEP)，其在阿拉斯加費(fèi)爾班克斯大學(xué)(UAF)開展了一項(xiàng)能源應(yīng)用研究項(xiàng)目，并制訂了有助于實(shí)現(xiàn)AHERC目標(biāo)的戰(zhàn)略計(jì)劃。

該計(jì)劃指出，AHERC將與各方發(fā)展合作伙伴關(guān)系，以解決技術(shù)、政治、資金等問題，并依靠咨詢委員會(huì)指導(dǎo)研究工作。AHERC的主要目標(biāo)是在尼納納的塔納諾河上建設(shè)水力發(fā)電試驗(yàn)站點(diǎn)，以便在環(huán)境條件良好的條件下對(duì)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。

4 工程實(shí)例

(1)伊格爾示范工程(阿拉斯加電力＆電話公司，AP＆T公司)。為確定水力發(fā)電技術(shù)的可行性，DC于2007年批準(zhǔn)AP＆T公司在育空河上游伊格爾附近安裝水輪機(jī)，進(jìn)而開展試驗(yàn)性研究。開展此項(xiàng)目旨在利用育空河巨大的水能潛力，以減少對(duì)柴油發(fā)電的依賴。

在一家新能源公司安裝裝機(jī)25 kW的水輪發(fā)電機(jī)前就進(jìn)行了詳細(xì)的水力學(xué)試驗(yàn)和水深測(cè)量。按照AP＆T公司運(yùn)行許可證的要求，開展了魚類研究，以確定水輪機(jī)對(duì)當(dāng)?shù)佤~種和洄游鮭魚的影響。

水輪機(jī)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由阿拉斯加電池電源公司設(shè)計(jì)，其目的是為了將零散的水電并入電網(wǎng)或使水輪機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運(yùn)行良好，能順利地同步連入電網(wǎng)。通過水下電纜輸電至功率為6 kW的串聯(lián)換流器上，使水輪機(jī)發(fā)電占伊格爾電力系統(tǒng)負(fù)荷的25% ～30%，從而減少了對(duì)柴油的需求。在零散發(fā)電模式下，機(jī)組可成功輸送60 Hz穩(wěn)定電源，負(fù)載電量可達(dá)10 kW。超過系統(tǒng)負(fù)荷的發(fā)電量可送入電能損耗庫。兩個(gè)專門設(shè)計(jì)的重載穿透式錨錠成功地用在相對(duì)較平滑的江底，其上覆蓋的巖塊厚度均超過0.5 m。

技術(shù)問題包括變速箱過熱、變換器由于可接受頻率范圍過窄(對(duì)伊格爾獨(dú)立電網(wǎng)上出現(xiàn)的線偏移而言)而跳閘。增加一個(gè)外部裝在甲板上的油循環(huán)/冷卻系統(tǒng)及接收頻率范圍更廣的變換器就能解決該問題，但同時(shí)漂在水中的大型漂浮物會(huì)干擾水輪機(jī)的運(yùn)行。苔蘚和樹枝以及連根樹堆積在電線及設(shè)備上。電線及電纜被小樹枝纏住，會(huì)越來越難以處理，因此需清除堆積物才能繼續(xù)運(yùn)行。浮在中間的漂浮物會(huì)纏住錨索，也需要費(fèi)勁才能將其移至地面運(yùn)走。漂移物堆積在河中向下游移動(dòng)，將會(huì)對(duì)沿途造成威脅。清運(yùn)漂浮物需要花費(fèi)大量人力和設(shè)備，且成本非常高。

AP＆T公司沒有確定水力發(fā)電成本。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可得出結(jié)論，實(shí)際成本和維護(hù)成本是可變的，且水力發(fā)電只涉及到水輪機(jī)部件如何與河流環(huán)境相互作用。每個(gè)站點(diǎn)遇到的問題不同，需采取不同的策略，以確定水力發(fā)電技術(shù)產(chǎn)生的影響。在伊格爾，當(dāng)水輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，幾乎不需要進(jìn)行維護(hù)，且沒有燃油成本，比柴油發(fā)電成本低。然而，伊格爾工程整個(gè)夏季運(yùn)行的累積成本是柴油發(fā)電成本的幾倍之多。

因此，AP＆T公司認(rèn)為，在育空河伊格爾站運(yùn)行一臺(tái)水輪機(jī)，無經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，希望能找到可替代柴油發(fā)電的電力資源。因此，公司對(duì)參與水力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)頗有興趣，與DC和ACEP就在內(nèi)尼拉AHERC水力試驗(yàn)中安裝伊格爾水輪機(jī)的思路開展工作。

(2)魯比示范工程(育空河種族間流域委員會(huì)，IRITWC)。2008～2010年夏季，由新能源公司研發(fā)的一臺(tái)裝機(jī)5kW的水力發(fā)電機(jī)安裝在育空河魯比站。實(shí)施該項(xiàng)目是為了試驗(yàn)育空河水力發(fā)電是否可替代成本較高的柴油發(fā)電。發(fā)電機(jī)安裝在一艘充氣浮船上，船頭裝有V形排漂浮物吊桿，使漂浮物遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)。

水輪機(jī)按預(yù)期情況運(yùn)轉(zhuǎn)，但在項(xiàng)目實(shí)施期間發(fā)電較少，其原因是:水流緩慢、河底輸電線磨損問題、輸電線難以定位問題，以及有大量漂浮物。盡管引水系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)有效，但仍需要定期清洗，因?yàn)槿菀自斐啥氯乃虾退缕∥飳⒉焕谒啓C(jī)運(yùn)行。2010年漲水次數(shù)較多，造成下游漂浮物較多，即使吊桿被重新設(shè)計(jì)了兩次，但仍不利于水輪機(jī)駁船的長(zhǎng)期部署。

(3)庫克灣及塔納諾河尼納納籌備工程(美國海洋可再生能源電力公司，ORPC公司)。ORPC公司已獲得了FERC頒發(fā)的初步許可證，并草擬了試點(diǎn)項(xiàng)目許可申請(qǐng)，擬在庫克灣和塔納諾河附近安裝和試驗(yàn)一系列水力發(fā)電系統(tǒng)。

此后ORPC深入開展了海洋的地球物理勘探和大范圍的海洋流速測(cè)量工作，并啟動(dòng)了預(yù)先部署的魚類與海洋哺乳動(dòng)物的研究。隨后在流速2.5 m/s的情況下對(duì)水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示，該水輪機(jī)可在設(shè)計(jì)性能誤差范圍內(nèi)發(fā)電。2011年，DOE贊助安克雷奇大學(xué)開展試驗(yàn)，在多沙、流急及載重條件下，為反映庫克灣ORPC現(xiàn)場(chǎng)預(yù)期情況，對(duì)軸承及冰塊進(jìn)行試驗(yàn)。為進(jìn)一步確定漂浮物、泥沙和冰塊在冬季的數(shù)量，未來還要繼續(xù)進(jìn)行研究。

在尼納納對(duì)塔納諾河現(xiàn)場(chǎng)的勘察始于2008年，主要測(cè)量流速和水深。之后ORPC與UAF合作，成立了AHERC。研究工作繼續(xù)并擴(kuò)大，包括河道資源的建模、基準(zhǔn)環(huán)境數(shù)據(jù)(魚和泥沙)收集、河道淤積和引水技術(shù)的分析等。

安裝水輪機(jī)后，還將研究監(jiān)測(cè)安裝和運(yùn)行對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的潛在影響。在尼納納的水輪機(jī)試驗(yàn)還包括設(shè)備性能的數(shù)據(jù)采集、安裝、運(yùn)行及維護(hù)的成本以及廣泛的環(huán)境研究。

(4)伊久吉格水力發(fā)電工程(AEA)。伊久吉格是阿拉斯加西南部一個(gè)不足60人的偏遠(yuǎn)小村莊，位于伊里亞姆納湖附近的克維查克(Kvichak)河口處。該項(xiàng)目處于提高水輪機(jī)發(fā)電能力的初始階段。FERC已發(fā)放初步許可證，并已于2011年進(jìn)行了基線研究。于2012年選擇具體的水力技術(shù)并實(shí)施安裝。

(5)塔納諾河道特征勘測(cè)工程(AHERC)。該項(xiàng)目旨在確定此河流全年可用水力潛能、水力設(shè)備安裝和運(yùn)行所造成的環(huán)境問題。

在河流環(huán)境方面，重點(diǎn)關(guān)注河流水力學(xué)測(cè)量和模擬(流速、流線、紊流和河道穩(wěn)定)、懸沙、推移質(zhì)輸沙、泥石流、冰和魚類的相互作用。研究結(jié)果有助于ORPC在合適站點(diǎn)安裝和運(yùn)行一臺(tái)水輪機(jī)，以獲得運(yùn)行水力試驗(yàn)設(shè)備的許可。

在魚類研究方面，使用錨和系泊浮筒，以便水力設(shè)備制造商試驗(yàn)其技術(shù)。這樣不會(huì)增加為滿足許可機(jī)構(gòu)的要求而單獨(dú)開展的水力特征或基線研究的負(fù)擔(dān)。

5 未來計(jì)劃與機(jī)遇

水力設(shè)備制造商、公用事業(yè)公司及州相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)利用阿拉斯加水能的興趣還在不斷增加。AEA發(fā)起成立的阿拉斯加水力工作小組中，有50多位來自州內(nèi)外的參與者。水力設(shè)備制造商計(jì)劃進(jìn)入阿拉斯加市場(chǎng)，并試圖利用各種技術(shù)興建示范及試點(diǎn)工程。

Pulse潮汐公司是世界領(lǐng)先的潮汐水力技術(shù)開發(fā)商之一，在英國運(yùn)行了裝機(jī)100 kW振蕩水翼原型機(jī)組，有2 a多的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，計(jì)劃在未來幾年將1 MW級(jí)潮汐設(shè)備引進(jìn)庫克灣。該公司近期獲得了DOE資助，用以進(jìn)行可行性研究和環(huán)境研究。同時(shí)，也示范了一種徑流式振蕩水翼流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)，計(jì)劃在未來幾年在阿拉斯加州進(jìn)行推廣。

總部設(shè)在美國的波斯碼(Boschma)研究院計(jì)劃在塔納諾河上示范裝機(jī)15 kW的循環(huán)水輪機(jī)原型技術(shù)，并準(zhǔn)備將該系統(tǒng)投入商用。循環(huán)水輪機(jī)可通過運(yùn)轉(zhuǎn)期間不斷改變?nèi)~片沖角最大化提升力和減少阻力得以優(yōu)化，從而提高效率。文丘里管流量計(jì)增加了水輪機(jī)的動(dòng)能，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，因此適合于水淺的小河和緩慢的流水中，可把水力潛能擴(kuò)大到偏遠(yuǎn)的小型電力市場(chǎng)。

水輪機(jī)能源公司正在阿拉斯加尼納納河上的AHERC試驗(yàn)站試驗(yàn)一臺(tái)維瓦奇裝機(jī)3～5 kW水力發(fā)電機(jī)。項(xiàng)目將對(duì)維瓦奇公司的產(chǎn)品能源開采效率、防漂浮物能力、魚類安全可靠性、運(yùn)行和維護(hù)要求和經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行評(píng)估。

維瓦奇公司采用增強(qiáng)的渦輪引起的振動(dòng)和發(fā)電機(jī)非正常轉(zhuǎn)動(dòng)從河流或潮水中發(fā)電。該技術(shù)已在密歇根州休倫港圣克萊爾河上進(jìn)行了試驗(yàn)和安裝運(yùn)行，效果較好。

懷特斯通(Whitestone)電力和通信公司正在計(jì)劃使用DOE提供的經(jīng)費(fèi)對(duì)下?lián)羰剿啓C(jī)進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。在極端氣候條件下和有魚和漂浮物及流沙的情況下，提高水輪機(jī)在淺水河道環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。最后，美國貝克休斯(Backer Hughes)公司已制定了各項(xiàng)計(jì)劃用以設(shè)計(jì)和試驗(yàn)一種重新配置的水泵系統(tǒng)。

各個(gè)水力發(fā)電設(shè)備制造商和其創(chuàng)新的技術(shù)理念，公用事業(yè)公司、當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)、州和聯(lián)邦政府的強(qiáng)烈關(guān)注以及高能源成本使阿拉斯加州成為發(fā)展和培育水力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的理想之地。