日本水電發(fā)展歷程

［日本］ 吉津洋一

日本群島中部高山綿延眾多，年降雨量約為1700 mm，為日本開發(fā)水力資源創(chuàng)造了有利條件。2011年總裝機容量與總發(fā)電量分別為48 GW與74 TW·h，分別約占整個電力系統(tǒng)總量的17%與8%。

日本的早期電站通常為小型徑流式電站，由于發(fā)電機組出力不足及輸電電壓偏低，電站通常建在離用戶非常近的地方。隨著遠(yuǎn)距離高壓輸電系統(tǒng)的發(fā)展，日本開始在山區(qū)開發(fā)更大容量的水電站。

1911年，日本電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。隨著設(shè)計水平與施工方法的不斷改進，日本開始有能力開發(fā)大庫容水電站，因此該時期水電比火電更具價值。

1951年，國家電力公司被分解為9個地方電力公司，各個電力公司在同一(不同)流域的各個管轄區(qū)域內(nèi)負(fù)責(zé)水電項目的開發(fā)。20世紀(jì)60年代，抽水蓄能電站的出現(xiàn)縮小了晝夜用電需求的差異。

近來，日本為給國內(nèi)提供清潔的可再生能源，除了繼續(xù)開發(fā)經(jīng)濟可行的大型水電站外，也逐漸開始開發(fā)小型水電站。同時，對現(xiàn)有水電設(shè)施進行了重建與升級改造，以達到修復(fù)、改善功能、保護環(huán)境及提高安全性的目的。

下一階段的發(fā)展目標(biāo)是利用間歇性的風(fēng)能和太陽能等輔助發(fā)電設(shè)施，繼續(xù)發(fā)展可調(diào)速抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)。

一些運行多年的大壩和水庫，雖然引進安裝了沖沙設(shè)施及旁路隧洞，但清淤問題仍面臨著挑戰(zhàn)。

1888年，日本仙臺市首次進行水電開發(fā)并將其用于室內(nèi)紡織業(yè)。1891年京都修建了第1座商業(yè)電站。蹴上(Keage)水電站通過琵琶湖運河將湖水引入電站發(fā)電，運河同時兼有灌溉及消防功能。自從1869年首都火車站從京都遷往東京后，京都經(jīng)濟開始萎靡不振。琵琶湖運河方案刺激了京都的工業(yè)活動，有助于其經(jīng)濟的恢復(fù)。

1 大壩及水電站建設(shè)歷程

日俄戰(zhàn)爭(1904～1905年)后，日本經(jīng)濟出現(xiàn)快速增長。隨著居民照明用電及工廠電氣化生產(chǎn)用電需求的不斷增加，電力行業(yè)的地位顯得越來越重要。

大正時期(1912～1926年)，二戰(zhàn)開始前的日本經(jīng)濟保持令人矚目的5%的年增長率。電化工業(yè)、機械業(yè)及鋼鐵業(yè)在一戰(zhàn)后獲得了極大的發(fā)展。這些工業(yè)廠家為保持產(chǎn)能，需要大量低價電力作保障。1918年大旱期間雖然出現(xiàn)過電力供應(yīng)不足的狀況，但此后電力供應(yīng)以每年超過20%的速度增長。

遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用及大容量電站的發(fā)展極大地促進了山區(qū)水電開發(fā)，由此帶來的低價電力也刺激了工業(yè)的快速發(fā)展。同時，火電彌補了旱季水電的不足并使電力行業(yè)形成了多樣性發(fā)展。大型水電公司紛紛成立，日本中部山區(qū)水電資源得到極大開發(fā)，同時刺激了城市高壓輸電線路的開發(fā)建設(shè)。如1923年從中部地區(qū)的須原電站(1922年)到大阪變電站(現(xiàn)古川橋變電站)長達238 km的154 kV輸電線路就是個成功的例子。

位于中部地區(qū)木曾川的大井水電站于1924年完工，最大壩高為53.4 m。原計劃設(shè)計成引水式電站，后為滿足高峰用電需求改成壩式水電站，成為日本第一座大型混凝土重力壩，也是當(dāng)時日本最高的大壩。電站最大出力達到了愛知縣總電力需求的一半。

昭和年代早期(1926～1945年)，結(jié)合經(jīng)濟評估結(jié)果，依據(jù)平均水流量，在最大限度地增加取水量的基礎(chǔ)上進一步開發(fā)大容量水電站，同時旱季利用火電補充電力不足。在政府加強行業(yè)控制的同時，礦業(yè)及制造業(yè)產(chǎn)量急劇增加，金屬、化工及機械行業(yè)也得到了迅速發(fā)展。為滿足制造業(yè)發(fā)展需要，一些電力公司設(shè)計出一種逐級開發(fā)水電站的概念，主要集中在大型河流的下游地段。

1927年柳川(Yanagawara)發(fā)電廠的完工拉開了北陸地方黑部川流域逐級水電開發(fā)序幕。隨后開發(fā)的有1936年黑部川上游2號發(fā)電廠及1940年包含高43.5 m仙人谷壩在內(nèi)的3號發(fā)電廠。同時還有柳川下游的藍本發(fā)電廠(富山縣)。黑部川3號發(fā)電廠的施工克服了雪崩及高溫條件下隧道施工困難，成為一經(jīng)典項目。

20世紀(jì)20年代修建的田代壩位于中部地區(qū)大井川最上游，距離河口160 km。該電站建有兩座發(fā)電廠(田代1號與2號)，電力輸往東京，其發(fā)電尾水排入富士水系的早川。

大井川中游與天龍川水電站的順利建成為各水系的水力資源開發(fā)起到了關(guān)鍵作用。大井川發(fā)電廠最大出力幾乎相當(dāng)于靜岡縣購電總量的一半。

建于同一時期的泰阜壩最大壩高為50 m，是天龍川上修建的第1座大壩。

2 水電逐級開發(fā)

從1945年年底開始，煤炭、石油與燃?xì)獬霈F(xiàn)短缺及價格上漲，而用電方式卻不斷更新。電力需求從1945年的19.5 TW·h急劇增長到1947年的29.4 TW·h。頻繁的停電使蠟燭成為人們當(dāng)時生活的必需品。電力發(fā)展停滯不前，對于恢復(fù)戰(zhàn)爭中毀壞的電力設(shè)施以及繼續(xù)完成戰(zhàn)前水電項目來說，尚有大量的工作要做。1949年年底，日本政府決定利用美國經(jīng)濟復(fù)蘇基金來開發(fā)1180 MW的水電(33個壩址)。

這一時期電力需求大幅增長。與此同時，秋季大旱使電力供應(yīng)出現(xiàn)嚴(yán)重不足。20世紀(jì)50年代末，在已建的1460座水電站中僅有40座能正常發(fā)電。

戰(zhàn)后火電主要依靠煤炭，但由于供應(yīng)不及時、質(zhì)量不達標(biāo)以及價格上漲等因素造成火電生產(chǎn)效率與盈利能力均大幅下滑。因此，將戰(zhàn)略重心轉(zhuǎn)移到壩式水電站上時，必須提高水資源使用效率并克服其季節(jié)性不平衡。

為滿足戰(zhàn)后工業(yè)復(fù)蘇的需求，正在大量修建火電站。這些火電站用于滿足常規(guī)負(fù)荷，而大型水力發(fā)電站用于調(diào)峰填谷。

直到20世紀(jì)40年代，才利用柳川老發(fā)電廠與黑部3號發(fā)電廠之間的河水落差在黑部川上分期修建水電站。

二戰(zhàn)后，電力供應(yīng)轉(zhuǎn)為以火電為主、水電負(fù)責(zé)調(diào)峰填谷。此時，關(guān)西電力公司(KEPCO)準(zhǔn)備在黑部川最上游修建一座大型水壩。這一計劃在促進水電穩(wěn)步發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。

1963年完工的黑部川4號發(fā)電站成為全日本廣泛關(guān)注的、最巨大的工程之一，展示了當(dāng)時日本最先進的土木工程技術(shù)。

黑部川大壩總庫容約為2億m3，極大地改善了下游河水流態(tài)。為了發(fā)揮水庫使用效率，陸續(xù)在其下游修建了黑部川新3號電站(1963年)及新2號電站(1966年)。隨后完工的音沢電站(1985年)完成了黑部川水電站的梯級分布。黑部川建有一系列水力發(fā)電站，充分利用了黑部大壩(高程1448 m)水庫水位與音沢電站(131.1 m)尾水水位之間的落差，因此被稱為是“能源之河”。

3 抽水蓄能電站的發(fā)展

20世紀(jì)50年代末，常規(guī)用電主要由大容量火電站承擔(dān)，大型壩式水電站負(fù)責(zé)調(diào)峰填谷。

20世紀(jì)60年代期間，隨著經(jīng)濟快速增長，城市化及生活水平的提高使辦公及家庭用電需求出現(xiàn)明顯增加，尤其是空調(diào)用電。1968年后，這一趨勢加劇，每年夏季白天形成用電高峰期，而這一現(xiàn)象以前只有在冬季夜晚才會出現(xiàn)。這種新的電力需求模式，即白天峰谷模式，超出了水庫電站的調(diào)峰能力。因此抽水蓄能電站應(yīng)運而生。

1960年，日本首相府科技署資源委員會發(fā)表了一項旨在提倡能源資源多樣化的政策聲明。針對蓄能電站規(guī)劃，呼吁要求對蓄能電站選址進行調(diào)查，以確定一種能源開發(fā)方法，同時要求火電、核電及抽水蓄能電站能協(xié)調(diào)發(fā)展。

針對這種情況，電力公司經(jīng)政策研究后，決定采用一種新理念來促進水電開發(fā)，對抽水蓄能電站實施大規(guī)模重建計劃，使它們既各自獨立，又能成為綜合開發(fā)項目的一部分。如中國電力株式會社開發(fā)的高103 m的新成羽川壩，東京電力公司開發(fā)的綜合水電項目奈川渡壩、水土野壩、稻核壩及高瀨壩，電力發(fā)展有限公司(EPDC)開發(fā)的九頭龍壩、新豐根壩及手取川壩(壩高153 m)。

直到1970年才出現(xiàn)大量混合式抽水蓄能電站，其特點為當(dāng)上庫來水流量充沛時可作傳統(tǒng)水電站發(fā)電。然而，隨著經(jīng)濟效益好的建站地址減少，在上庫無天然來水或來水極少的地方，純抽水蓄能電站的建設(shè)開始出現(xiàn)繁榮景象，20世紀(jì)70年代初在那須鹽原建成了第1座純抽水蓄能電站。該電站采用壓力鋼管隧洞與500 m單級大容量水輪機的新技術(shù)。1973年與1979年的兩次石油危機后，日本作了大量努力以減少對石油能源的依賴，1980年，《可替代能源開發(fā)及推廣法案》宣布生效，決定優(yōu)先建設(shè)核電。

由于電力總需求及年度最大需求不再增加，從20世紀(jì)90年代開始，幾乎所有抽水蓄能新項目均被推遲或取消。

到20世紀(jì)80年代，由于適合大型電站的水力資源開發(fā)殆盡，同時為適應(yīng)清潔再生能源的需要，日本開始發(fā)展小規(guī)模水電站。

水電站承擔(dān)著調(diào)頻調(diào)壓的輔助功能。為強化這些功能，KEPCO在奧多多良木抽水蓄能電站引進了可調(diào)速抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)。

4 水電站運行與維護

在日本1600多座水電站中，約有一半已運行了60 a或更長時間。定期對設(shè)施進行巡查與監(jiān)測以評估它們的運行情況。為保持設(shè)施良好的運行狀態(tài)并延長其使用壽命，需定期對設(shè)備進行維修。對水輪機及發(fā)電機進行及時更新并做好防震安全工作以提高水電設(shè)施使用性能。

在日本，人們經(jīng)常利用河流開展釣魚、水上運動及其他休閑活動，另外河流兩岸建有許多房屋、公路及其他公用設(shè)施。因此電站營運商必須保證河流下游河水不出現(xiàn)大波動以免發(fā)生險情。

泥沙是另一個需要持續(xù)監(jiān)測與管理的問題。黑部川比日本任何河流的輸沙率都要高得多。出平(Dashidaira)壩與宇奈月壩已安裝大型排沙管道與閘門，通過對水庫沖淤，使水庫水位得以降低，水流更加順暢。該設(shè)施在出平壩完工6 a后，于1991年首次開始使用。

出平壩下游7 km的宇奈月壩建成后，2001年成立了一個委員會以協(xié)調(diào)兩座大壩的排沙沖淤問題。

朝日壩為KEPCO所有，受臺風(fēng)影響，形成渾水水庫，壩前泥沙堆積量較大，排沙面臨較大困難。KEPCO決定采用旁路排沙法來解決問題，該方法通過設(shè)計一條旁路隧洞，利用自然水流將泥沙沖向下游。