美國阿拉斯加水力發電概況

［美國］J.B.約翰遜

美國阿拉斯加州對水力發電設備制造商極富吸引力，因為其水力資源潛能大、其他能源成本高。該州立法規定:到2025年，可再生能源發電量應達到總發電量50%的目標。

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

在育空(Yukon)河上修建的伊格爾和魯比兩個工程是阿拉斯加河流水系上投產發電的第一批示范項目。通過這兩座試點已證明，在阿拉斯加實施這項新技術既能帶來收益，也面臨挑戰。

1 水力發電潛能

電力研究協會(EPRI)評估得出，在阿拉斯加沿海地區，潮汐水能達109 TW·h/a。據該協會開展的現場調查研究表明，在阿拉斯加東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，紐約大學曾對全美所有水電潛能進行了一項研究。結果表明，阿拉斯加流量大于113 m3/s的河流，預計其水電潛能約為4.3 GW。為使該評估更加精確，美國能源部(DOE)目前正在資助一項研究，以重新評估全美(包括阿拉斯加)所有河流的水力能源狀況。2008年，EPRI對阿拉斯加6個社區附近河流的水電資源進行了現場勘查，結果發現年均水能約為9 MW，年總發電量可達78 GW·h左右。

以2010年價格為例，整個阿拉斯加州的能源成本范圍為0.14～0.94美元/kW·h。由于可利用當地天然氣，安克雷奇地區的能源成本最低。大型農村公用事業公司——阿拉斯加農村電力公司(AVEC)為53個偏遠農村供電，供電成本約為0.52美元/kW·h。其他偏遠村莊的能源成本往往更高，由于夏季需要用駁船或飛機運輸柴油，因此對柴油運輸價格的變化極為敏感。

EPRI研究表明，水力發電的成本范圍預計為: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有的能源成本更具競爭力。除了在偏遠農村可取代昂貴的柴油，并使能源組合多樣化之外，還可為當地創造與能源相關的工作崗位，減少溫室氣體排放。

2 面臨的挑戰

研發、運用流體動力設備作為一種相對較新的技術在工程、經濟和環境方面都面臨較大挑戰，只有解決了這些問題，運用該技術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，如水力設備的錨固、水下安裝基礎支護、安裝方法、技術和操作的可行性、性能和運行維護要求等。

所有這些工程問題都因木質殘體、懸沙、河底和海底狀況及紊流的影響所致。木質殘體會與水力設備發生碰撞或堆積在設備上，造成設備損壞并中斷運行。懸沙會磨損設備部件，而錨和基礎周圍的泥沙淤積或沖刷，都將影響設備性能。紊流會減少水力設備的轉換效率，且會給設備部件施加疲勞應力。除此之外，諸如確定水力設備的最佳潮位、河道位置以及投資回報率等一些經濟因素也都難以界定。

在阿拉斯加的許多地區，水輪機不能全年投入運行，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，水力設備正常運行的最小流速為1～2 m/s，最佳流速為1.5 ～3.5 m/s。然而，一些新設備甚至在流速低至0.5 m/s下也能發電，這將大大地增加可用站址的數量，并提高工程的經濟效益。

美國聯邦能源管理委員會(FERC)負責監管水力發電及設備安裝。無論輸電至商業性電網的任何一臺水力潮汐發電設備或河水發電設備都需要得到FERC的認可后才能預以安裝。FERC工作人員會極為關注水力設備的紊流、腐蝕、錨固系統、漏水或漏油、水下輸電路線的效力、安裝和維修等問題。以上幾個方面也是設備制造商和用戶目前正在努力解決的工程問題。

除此之外，相關人士和監管機構還密切關注設備對海魚和河魚以及海洋哺乳動物的潛在生態影響。阿拉斯加海魚的捕獲量約占美國每年商業捕魚量的一半。鮭魚在阿拉斯加河流水系中的遷移和產卵。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服務處劃定為白鯨棲息保護地。

對于商用性設備而言，向FERC申請許可的過程耗時又費力。為減輕對短期小型示范工程的監管負擔，對旨在試驗新技術的水力示范項目，FERC提出的許可審批的最短期限為6個月。示范工作包括設備安裝、運行和電網連接，以及對環境影響的調查等。

在阿拉斯加各河流中，環境影響監測主要集中在鮭魚上。阿拉斯加漁獵局(ADF＆G)要求進行現場調研，了解現場魚群的數量及其洄游模式，才能發放水力設備安裝許可證。一旦設備投入運行，ADF＆G也要求對魚類與設備之間的相互作用進行研究，以確保設備對魚群無不利影響。

水力設備技術和經濟上的可行性取決于制造商的技術水平、在目標市場上的發電成本、水力技術在阿拉斯加州能否有效運行。這些只能通過實施特定的試點項目得以確定。設在阿拉斯加魯比和伊格爾的2座水電工程運行情況表明:水力發電可滿足農村市場的需求，但是在飄滿木質殘體的河流中，設備的維護、運行難以得到保障。

3 發展途徑

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展可再生能源，并與美國聯邦機構開展合作，贊助私人和公共機構開發公用電力工程，共同開發新能源和新興能源技術，并進行應用研究。

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工程競爭合格的申請人提供資金支持，阿拉斯加設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構——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基金(EETF)，可為阿拉斯加的水力發電工作組提供贊助。

通過最初由德納利委員會(DC)啟動的EETF計劃，最近實施的大多數水力工程已獲得資金支持。DC是一家獨立聯邦機構，其任務是對阿拉斯加整個農村的公用事業設備、基礎設施和經濟提供重要支持。建立EETF旨在為即將投入商用的新興能源技術試點工程提供資金支持，目前使用聯邦政府(通過DC)與州的聯合資金作為獎勵基金。此外，DOE支持該州建設可再生海洋工程和河流水力發電能源技術開發工程，有兩種方式:①通過競爭性投標流程;②在能源部與州之間實施共同出資的合作關系，從而建立擔保貸款計劃。

為促進水力發電事業的發展，該州各公司、大學、研究中心及其他組織正開展多項研究，課題包括:①沿河選定位置確定可用水能;②研究泥沙對機械軸承的磨損;③提出河流特性表征方法并將其用于推進水力設備的安裝。

對河流特性的勘探研究有助于確定水力設備安裝的最佳位置，提供影響設備運行與維護的相關信息。重要的河流特征參數包括有效水能、紊流、懸移質漏沙與河床推移質輸沙、木質殘體數量和結冰情況。阿拉斯加水力發電研究中心(AHERC)重點關注與流水和潮汐發電相關的應用研究和工程。該中心隸屬于阿拉斯加能源與電力中心(ACEP)，其在阿拉斯加費爾班克斯大學(UAF)開展了一項能源應用研究項目，并制訂了有助于實現AHERC目標的戰略計劃。

該計劃指出，AHERC將與各方發展合作伙伴關系，以解決技術、政治、資金等問題，并依靠咨詢委員會指導研究工作。AHERC的主要目標是在尼納納的塔納諾河上建設水力發電試驗站點，以便在環境條件良好的條件下對設備進行試驗。

4 工程實例

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

在一家新能源公司安裝裝機25 kW的水輪發電機前就進行了詳細的水力學試驗和水深測量。按照AP＆T公司運行許可證的要求，開展了魚類研究，以確定水輪機對當地魚種和洄游鮭魚的影響。

水輪機功率轉換系統由阿拉斯加電池電源公司設計，其目的是為了將零散的水電并入電網或使水輪機與柴油發電機并聯運行。電源轉換系統運行良好，能順利地同步連入電網。通過水下電纜輸電至功率為6 kW的串聯換流器上，使水輪機發電占伊格爾電力系統負荷的25% ～30%，從而減少了對柴油的需求。在零散發電模式下，機組可成功輸送60 Hz穩定電源，負載電量可達10 kW。超過系統負荷的發電量可送入電能損耗庫。兩個專門設計的重載穿透式錨錠成功地用在相對較平滑的江底，其上覆蓋的巖塊厚度均超過0.5 m。

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

AP＆T公司沒有確定水力發電成本。根據運行經驗可得出結論，實際成本和維護成本是可變的，且水力發電只涉及到水輪機部件如何與河流環境相互作用。每個站點遇到的問題不同，需采取不同的策略，以確定水力發電技術產生的影響。在伊格爾，當水輪機正常運行時，幾乎不需要進行維護，且沒有燃油成本，比柴油發電成本低。然而，伊格爾工程整個夏季運行的累積成本是柴油發電成本的幾倍之多。

因此，AP＆T公司認為，在育空河伊格爾站運行一臺水輪機，無經濟優勢，希望能找到可替代柴油發電的電力資源。因此，公司對參與水力發電技術的研發頗有興趣，與DC和ACEP就在內尼拉AHERC水力試驗中安裝伊格爾水輪機的思路開展工作。

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

水輪機按預期情況運轉，但在項目實施期間發電較少，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。盡管引水系統運轉有效，但仍需要定期清洗，因為容易造成堵塞的水上和水下漂浮物將不利于水輪機運行。2010年漲水次數較多，造成下游漂浮物較多，即使吊桿被重新設計了兩次，但仍不利于水輪機駁船的長期部署。

(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頒發的初步許可證，并草擬了試點項目許可申請，擬在庫克灣和塔納諾河附近安裝和試驗一系列水力發電系統。

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量工作，并啟動了預先部署的魚類與海洋哺乳動物的研究。隨后在流速2.5 m/s的情況下對水輪發電機進行了測試。結果顯示，該水輪機可在設計性能誤差范圍內發電。2011年，DOE贊助安克雷奇大學開展試驗，在多沙、流急及載重條件下，為反映庫克灣ORPC現場預期情況，對軸承及冰塊進行試驗。為進一步確定漂浮物、泥沙和冰塊在冬季的數量，未來還要繼續進行研究。

在尼納納對塔納諾河現場的勘察始于2008年，主要測量流速和水深。之后ORPC與UAF合作，成立了AHERC。研究工作繼續并擴大，包括河道資源的建模、基準環境數據(魚和泥沙)收集、河道淤積和引水技術的分析等。

安裝水輪機后，還將研究監測安裝和運行對環境產生的潛在影響。在尼納納的水輪機試驗還包括設備性能的數據采集、安裝、運行及維護的成本以及廣泛的環境研究。

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

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

在河流環境方面，重點關注河流水力學測量和模擬(流速、流線、紊流和河道穩定)、懸沙、推移質輸沙、泥石流、冰和魚類的相互作用。研究結果有助于ORPC在合適站點安裝和運行一臺水輪機，以獲得運行水力試驗設備的許可。

在魚類研究方面，使用錨和系泊浮筒，以便水力設備制造商試驗其技術。這樣不會增加為滿足許可機構的要求而單獨開展的水力特征或基線研究的負擔。

5 未來計劃與機遇

水力設備制造商、公用事業公司及州相關機構對利用阿拉斯加水能的興趣還在不斷增加。AEA發起成立的阿拉斯加水力工作小組中，有50多位來自州內外的參與者。水力設備制造商計劃進入阿拉斯加市場，并試圖利用各種技術興建示范及試點工程。

Pulse潮汐公司是世界領先的潮汐水力技術開發商之一，在英國運行了裝機100 kW振蕩水翼原型機組，有2 a多的運行經驗，計劃在未來幾年將1 MW級潮汐設備引進庫克灣。該公司近期獲得了DOE資助，用以進行可行性研究和環境研究。同時，也示范了一種徑流式振蕩水翼流體動力發電機，計劃在未來幾年在阿拉斯加州進行推廣。

總部設在美國的波斯碼(Boschma)研究院計劃在塔納諾河上示范裝機15 kW的循環水輪機原型技術，并準備將該系統投入商用。循環水輪機可通過運轉期間不斷改變葉片沖角最大化提升力和減少阻力得以優化，從而提高效率。文丘里管流量計增加了水輪機的動能，使得系統結構緊湊，因此適合于水淺的小河和緩慢的流水中，可把水力潛能擴大到偏遠的小型電力市場。

水輪機能源公司正在阿拉斯加尼納納河上的AHERC試驗站試驗一臺維瓦奇裝機3～5 kW水力發電機。項目將對維瓦奇公司的產品能源開采效率、防漂浮物能力、魚類安全可靠性、運行和維護要求和經濟可行性進行評估。

維瓦奇公司采用增強的渦輪引起的振動和發電機非正常轉動從河流或潮水中發電。該技術已在密歇根州休倫港圣克萊爾河上進行了試驗和安裝運行，效果較好。

懷特斯通(Whitestone)電力和通信公司正在計劃使用DOE提供的經費對下擊式水輪機進行測試和評估。在極端氣候條件下和有魚和漂浮物及流沙的情況下，提高水輪機在淺水河道環境中運轉的能力。最后，美國貝克休斯(Backer Hughes)公司已制定了各項計劃用以設計和試驗一種重新配置的水泵系統。

各個水力發電設備制造商和其創新的技術理念，公用事業公司、當地社區、州和聯邦政府的強烈關注以及高能源成本使阿拉斯加州成為發展和培育水力發電產業的理想之地。