海尔姆斯抽水蓄能电站

海尔姆斯抽水蓄能电站（Helms Pumped Storage Plant）是美国加利福尼亚州内华达山脉的一座抽水蓄能电站，项目位于弗雷斯诺东北约80公里处，范围横跨弗雷斯诺县和马德拉县，由太平洋煤气电力公司（PG&E）持有及运营。电站以考特赖特水库为上水库、威申湖为下水库，通过地下输水系统和三台可逆式机组在两座水库间循环引水。

电站地下厂房现有装机容量1,212兆瓦，并以61英里长的230千伏输电线路接入电网。工程1977年动工，1984年6月30日投入商业运行。电站最初用于调节大型火电机组和代阿布洛峡谷核电站的基荷电力，后来逐渐转为吸收加州白天的富余太阳能，并在用电高峰时发电，为电网提供调峰和备用能力。

## 规划与设计

考特赖特水库与威申湖原已用于PG&E的水力发电系统，两座水库容量较大，相距约4英里，水位高差约1,635英尺，因而被认为适合建设抽水蓄能工程。规划人员预计加州北部用电高峰将继续增长，希望新电站提供约700至1,200兆瓦的调峰容量，并能在其他大型机组或输电线路故障时充当旋转备用。设计阶段比较了两台700兆瓦、三台1,050兆瓦和四台1,400兆瓦等方案，综合机组造价、地下开挖量、隧洞数量和工期后，确定采用三台各350兆瓦的可逆式机组。投运试验显示机组可在额定容量的115%运行，使全厂实际出力达到约1,200兆瓦。海尔姆斯同时被规划为代阿布洛峡谷核电站的配套调节设施。核电站夜间产生的低成本电力可驱动水泵，将威申湖的水抽至考特赖特水库。白天用电需求增加后，再放水发电。随着加州太阳能发电量增长，抽水时段逐渐由夜间转向太阳能富余的白天。

## 工程设施

根据美国土木工程师学会汇编所记载，海尔姆斯电站平均静扬程为490米，最高扬程约532米。上水库考特赖特水库由高96米的混凝土面板堆石坝拦蓄，下水库威申湖的大坝同为混凝土面板堆石坝，高约79米。两座水库的有效蓄水量分别约为1.47亿立方米和1.11亿立方米。由于考特赖特水库还汇集高山积雪融水，电站除抽水蓄能循环外，也可利用天然来水作常规水力发电。

输水系统由三段直径约8.23米的混凝土衬砌隧洞、压力斜井、压力管道和上下游调压井组成。1号隧洞由考特赖特水库进出水口延伸约1,295米至失落峡谷（Lost Canyon）。峡谷处以直径约6.7米的钢管连接2号隧洞，后者长约2,737米。其下游接一条长约533米、与水平面成55度的压力斜井，再经岔管向三台机组供水。3号隧洞长约1,137米，将尾水排入威申湖。上下游各设一座调压井，以限制水锤和水压波动。

主厂房位于山体内部，开挖洞室长约102.4米、宽25.9米、高43.9米，岩壁和洞顶以锚杆加固，洞顶另施作喷射混凝土和防滴水顶棚。厂房内装有三台可逆式弗朗西斯水泵水轮发电机组，设计发电功率各350兆瓦、抽水电动机功率各345兆瓦，转速为每分钟360转。投运试验中，单台机组出力超过400兆瓦。变压器洞室设九台单相变压器和一台备用变压器，电力经约335米深的竖井和230千伏电缆输送至地面开关站。除考特赖特水库附近的阀门室、约60米的地表钢管及开关站外，主要工程设施均位于地下。

## 建设过程

工程于1977年开工。施工区海拔约1,980至2,500米，六个冬季施工期中有四个遭遇异常严寒和大雪。地下开挖还发现多条勘察阶段未完全查明的剪切带，其中一条宽约24米，紧邻上游调压井。施工方最终保留原调压井位置，将临时支护纳入永久结构。长约533米的压力斜井穿过破碎岩体，混凝土从井顶输送时无法稳定达到全长，较低部位最后改由井底向上泵送，影响了施工进度。

1981年1月23日晚，工人在一座约970英尺深的地下竖井内浇筑混凝土时，吊挂在钢缆上的环形施工平台坍塌，七名工人坠落死亡，另有一名笼式升降机工程人员腿部骨折。事故资料提交弗雷斯诺县大陪审团后，参与施工的花岗岩建筑公司受到过失杀人罪起诉。该公司主张法人不能成为过失杀人罪的被告，但加州第五上诉区法院于1983年驳回其请求，认定依照当时的加州刑法，公司可以因过失杀人受到刑事追诉。

工程地下结构主要位于花岗闪长岩、闪长岩和石英二长岩中，施工期间在厂房西侧发现一条穿过高压输水系统和交通洞的重要剪切带。1982年压力隧洞试充水时，隧洞最大静水压力达到5.73兆帕，下游无衬隧洞附近测得的地下水压力达到5.50兆帕，洞衬附近渗漏量约为每分钟2,710升，表明高水压可能使岩体节理张开，并将压力和渗流传入厂房附近的地下洞室。工程人员在压力隧洞与剪切带交会处实施分段高压灌浆，在隧洞周围形成阻水幕。浅层低压段采用磨细波特兰Ⅲ型水泥，较深的高压段采用颗粒更细、渗透能力更强的日本产MC超细水泥。灌浆孔沿隧洞断面成环形布置，最大孔深约12.2米。工程共耗用超细水泥约110吨、波特兰Ⅲ型水泥约410吨。重新充水后的监测结果显示，剪切带下游灌浆部位的水压力约降低20%，下游岩体总渗漏量约减少40%。1982年9月，失落峡谷处一段直径6.7米、长42.7米的钢管在加压后损坏，使工程延误约11个月。发电电动机转子的动力学问题又促使施工方改造轴系和轴承，相关工作延误约16个月。电站最终于1984年6月30日宣布进入商业运行。

## 运行

发电时，考特赖特水库的水经进出水口、隧洞和压力管道流入地下厂房，驱动水泵水轮机后排入威申湖。抽水时机组反向运行，将威申湖的水送回考特赖特水库。电站发电时出力约1,200兆瓦，抽水时可从电网吸收约900兆瓦，水流从上水库下降超过1,700英尺，机组可在数分钟内投入运行。

电站投运初期主要在夜间利用代阿布洛峡谷核电站的低谷电力抽水，并在白天用电高峰发电。太阳能发电在加州电网中的比重增加后，海尔姆斯也在白天太阳能出力高于负荷时抽水，将富余电力转化为水的重力势能，并在傍晚负荷上升后发电。PG&E将机组快速改变运行状态、提供备用容量和调节电力供需的能力视为电站维持电网稳定的主要用途。

## 环境与游憩设施

工程设计将绝大多数输水建筑物和厂房置于地下，以减少地表工程对水库景观的影响。水库附近设有船只下水和停靠设施、露营地、垂钓通道及野餐区，工程还包括鱼类增殖、部分野生动物栖息地改善以及林务局和县属道路维护。

PG&E在重新许可申请中提出翻修或更换既有游憩设施，将约36.45英里的道路和1.08英里的步道正式纳入项目设施，并调整许可边界及实施新的资源保护、缓解和环境管理措施。

## 重新许可与改造

PG&E于2024年4月18日向美国联邦能源管理委员会提交新主要许可证申请。申请所涉项目位于金斯河北支流和海尔姆斯溪流域，原许可有效期至2026年4月30日。许可证届满后，联邦能源管理委员会向PG&E签发自2026年5月1日至2027年4月30日有效的年度许可证。如届时尚未签发新许可证，年度许可将自动续期，除非委员会另有命令。加利福尼亚州水资源控制委员会于2026年7月24日签发重新许可所需的《清洁水法》第401条水质认证。

此外PG&E还另行提出电站增容和延寿改造方案，拟更换三台水泵水轮发电机组，使正常运行容量增加180兆瓦。计划还包括以静止变频器取代原有辅助电动机启动系统，更换发电机绕组、导轴承、主变压器及竖井内的230千伏充油电缆。按2026年公布的计划，改造后装机容量将由1,212兆瓦增至约1,392兆瓦，首台机组增容施工预计于2029年开始，三台机组的工程历时约三年。

## 外部链接

- PG&E：海尔姆斯电站历史
- 加利福尼亚州水资源控制委员会：海尔姆斯抽水蓄能工程
- 海尔姆斯抽水蓄能工程重新许可网站

## 基本资料

- 全称：Helms Pumped Storage Plant
- 说明：作为上水库的考特赖特水库
- 国家：美国
- 位置：加利福尼亚州弗雷斯诺县、马德拉县
- 现况：O
- 始建时间：1977年
- 启用时间：1984年6月30日
- 座标：37°N 02°W
- 持有单位：太平洋煤气电力公司
- 运营单位：太平洋煤气电力公司
- 上池：考特赖特水库
- 下池：威申湖
- 扬程：490米（平均静扬程）
- 水泵发电机：3台可逆式弗朗西斯水泵水轮发电机组
- 总额定容量：1,212兆瓦