海爾姆斯抽水蓄能電站

海爾姆斯抽水蓄能電站（Helms Pumped Storage Plant）是美國加利福尼亞州內華達山脈的一座抽水蓄能電站，項目位於弗雷斯諾東北約80公里處，範圍橫跨弗雷斯諾縣和馬德拉縣，由太平洋煤氣電力公司（PG&E）持有及運營。電站以考特賴特水庫為上水庫、威申湖為下水庫，通過地下輸水系統和三台可逆式機組在兩座水庫間循環引水。

電站地下廠房現有裝機容量1,212兆瓦，並以61英里長的230千伏輸電線路接入電網。工程1977年動工，1984年6月30日投入商業運行。電站最初用於調節大型火電機組和代阿布洛峽谷核電站的基荷電力，後來逐漸轉為吸收加州白天的富餘太陽能，並在用電高峰時發電，為電網提供調峰和備用能力。

## 規劃與設計

考特賴特水庫與威申湖原已用於PG&E的水力發電系統，兩座水庫容量較大，相距約4英里，水位高差約1,635英尺，因而被認為適合建設抽水蓄能工程。規劃人員預計加州北部用電高峰將繼續增長，希望新電站提供約700至1,200兆瓦的調峰容量，並能在其他大型機組或輸電線路故障時充當旋轉備用。設計階段比較了兩台700兆瓦、三台1,050兆瓦和四台1,400兆瓦等方案，綜合機組造價、地下開挖量、隧洞數量和工期後，確定採用三台各350兆瓦的可逆式機組。投運試驗顯示機組可在額定容量的115%運行，使全廠實際出力達到約1,200兆瓦。海爾姆斯同時被規劃為代阿布洛峽谷核電站的配套調節設施。核電站夜間產生的低成本電力可驅動水泵，將威申湖的水抽至考特賴特水庫。白天用電需求增加後，再放水發電。隨著加州太陽能發電量增長，抽水時段逐漸由夜間轉向太陽能富餘的白天。

## 工程設施

根據美國土木工程師學會彙編所記載，海爾姆斯電站平均靜揚程為490米，最高揚程約532米。上水庫考特賴特水庫由高96米的混凝土面板堆石壩攔蓄，下水庫威申湖的大壩同為混凝土面板堆石壩，高約79米。兩座水庫的有效蓄水量分別約為1.47億立方米和1.11億立方米。由於考特賴特水庫還匯集高山積雪融水，電站除抽水蓄能循環外，也可利用天然來水作常規水力發電。

輸水系統由三段直徑約8.23米的混凝土襯砌隧洞、壓力斜井、壓力管道和上下游調壓井組成。1號隧洞由考特賴特水庫進出水口延伸約1,295米至失落峽谷（Lost Canyon）。峽谷處以直徑約6.7米的鋼管連接2號隧洞，後者長約2,737米。其下游接一條長約533米、與水平面成55度的壓力斜井，再經岔管向三台機組供水。3號隧洞長約1,137米，將尾水排入威申湖。上下游各設一座調壓井，以限制水錘和水壓波動。

主廠房位於山體內部，開挖洞室長約102.4米、寬25.9米、高43.9米，岩壁和洞頂以錨杆加固，洞頂另施作噴射混凝土和防滴水頂棚。廠房內裝有三台可逆式弗朗西斯水泵水輪發電機組，設計發電功率各350兆瓦、抽水電動機功率各345兆瓦，轉速為每分鐘360轉。投運試驗中，單台機組出力超過400兆瓦。變壓器洞室設九台單相變壓器和一台備用變壓器，電力經約335米深的豎井和230千伏電纜輸送至地面開關站。除考特賴特水庫附近的閥門室、約60米的地表鋼管及開關站外，主要工程設施均位於地下。

## 建設過程

工程於1977年開工。施工區海拔約1,980至2,500米，六個冬季施工期中有四個遭遇異常嚴寒和大雪。地下開挖還發現多條勘察階段未完全查明的剪切帶，其中一條寬約24米，緊鄰上游調壓井。施工方最終保留原調壓井位置，將臨時支護納入永久結構。長約533米的壓力斜井穿過破碎岩體，混凝土從井頂輸送時無法穩定達到全長，較低部位最後改由井底向上泵送，影響了施工進度。

1981年1月23日晚，工人在一座約970英尺深的地下豎井內澆築混凝土時，吊掛在鋼纜上的環形施工平台坍塌，七名工人墜落死亡，另有一名籠式升降機工程人員腿部骨折。事故資料提交弗雷斯諾縣大陪審團後，參與施工的花崗岩建築公司受到過失殺人罪起訴。該公司主張法人不能成為過失殺人罪的被告，但加州第五上訴區法院於1983年駁回其請求，認定依照當時的加州刑法，公司可以因過失殺人受到刑事追訴。

工程地下結構主要位於花崗閃長岩、閃長岩和石英二長岩中，施工期間在廠房西側發現一條穿過高壓輸水系統和交通洞的重要剪切帶。1982年壓力隧洞試充水時，隧洞最大靜水壓力達到5.73兆帕，下游無襯隧洞附近測得的地下水壓力達到5.50兆帕，洞襯附近滲漏量約為每分鐘2,710升，表明高水壓可能使岩體節理張開，並將壓力和滲流傳入廠房附近的地下洞室。工程人員在壓力隧洞與剪切帶交會處實施分段高壓灌漿，在隧洞周圍形成阻水幕。淺層低壓段採用磨細波特蘭Ⅲ型水泥，較深的高壓段採用顆粒更細、滲透能力更強的日本產MC超細水泥。灌漿孔沿隧洞斷面成環形布置，最大孔深約12.2米。工程共耗用超細水泥約110噸、波特蘭Ⅲ型水泥約410噸。重新充水後的監測結果顯示，剪切帶下游灌漿部位的水壓力約降低20%，下游岩體總滲漏量約減少40%。1982年9月，失落峽谷處一段直徑6.7米、長42.7米的鋼管在加壓後損壞，使工程延誤約11個月。發電電動機轉子的動力學問題又促使施工方改造軸系和軸承，相關工作延誤約16個月。電站最終於1984年6月30日宣布進入商業運行。

## 運行

發電時，考特賴特水庫的水經進出水口、隧洞和壓力管道流入地下廠房，驅動水泵水輪機後排入威申湖。抽水時機組反向運行，將威申湖的水送回考特賴特水庫。電站發電時出力約1,200兆瓦，抽水時可從電網吸收約900兆瓦，水流從上水庫下降超過1,700英尺，機組可在數分鐘內投入運行。

電站投運初期主要在夜間利用代阿布洛峽谷核電站的低谷電力抽水，並在白天用電高峰發電。太陽能發電在加州電網中的比重增加後，海爾姆斯也在白天太陽能出力高於負荷時抽水，將富餘電力轉化為水的重力勢能，並在傍晚負荷上升後發電。PG&E將機組快速改變運行狀態、提供備用容量和調節電力供需的能力視為電站維持電網穩定的主要用途。

## 環境與遊憩設施

工程設計將絕大多數輸水建築物和廠房置於地下，以減少地表工程對水庫景觀的影響。水庫附近設有船隻下水和停靠設施、露營地、垂釣通道及野餐區，工程還包括魚類增殖、部分野生動物棲息地改善以及林務局和縣屬道路維護。

PG&E在重新許可申請中提出翻修或更換既有遊憩設施，將約36.45英里的道路和1.08英里的步道正式納入項目設施，並調整許可邊界及實施新的資源保護、緩解和環境管理措施。

## 重新許可與改造

PG&E於2024年4月18日向美國聯邦能源管理委員會提交新主要許可證申請。申請所涉項目位於金斯河北支流和海爾姆斯溪流域，原許可有效期至2026年4月30日。許可證屆滿後，聯邦能源管理委員會向PG&E簽發自2026年5月1日至2027年4月30日有效的年度許可證。如屆時尚未簽發新許可證，年度許可將自動續期，除非委員會另有命令。加利福尼亞州水資源控制委員會於2026年7月24日簽發重新許可所需的《清潔水法》第401條水質認證。

此外PG&E還另行提出電站增容和延壽改造方案，擬更換三台水泵水輪發電機組，使正常運行容量增加180兆瓦。計劃還包括以靜止變頻器取代原有輔助電動機啟動系統，更換發電機繞組、導軸承、主變壓器及豎井內的230千伏充油電纜。按2026年公布的計劃，改造後裝機容量將由1,212兆瓦增至約1,392兆瓦，首台機組增容施工預計於2029年開始，三台機組的工程歷時約三年。

## 外部連結

- PG&E：海爾姆斯電站歷史
- 加利福尼亞州水資源控制委員會：海爾姆斯抽水蓄能工程
- 海爾姆斯抽水蓄能工程重新許可網站

## 基本資料

- 全稱：Helms Pumped Storage Plant
- 說明：作為上水庫的考特賴特水庫
- 國家：美國
- 位置：加利福尼亞州弗雷斯諾縣、馬德拉縣
- 現況：O
- 始建時間：1977年
- 啟用時間：1984年6月30日
- 座標：37°N 02°W
- 持有單位：太平洋煤氣電力公司
- 運營單位：太平洋煤氣電力公司
- 上池：考特賴特水庫
- 下池：威申湖
- 揚程：490米（平均靜揚程）
- 水泵發電機：3台可逆式弗朗西斯水泵水輪發電機組
- 總額定容量：1,212兆瓦