管道即电厂：城市供水系统如何变身清洁能源枢纽

Dave Moldal 是俄勒冈州能源信托基金会（Energy Trust of Oregon）的高级项目经理。该基金会是一家独立的非营利组织，致力于帮助人们减少能源消耗、降低费用并受益于清洁可再生能源。

每天，水流经数千英里的市政管道，抵达家庭和企业，供饮用和使用。在水从源头流向终端用户的过程中，系统内的多余水压通过减压阀（一种工程安全装置）被消散，以确保水压不会过高。在俄勒冈州，越来越多的城市发现，这种水压可以转化为清洁、节省成本的电力。

2020年，希尔斯伯勒市成为美国首批在现有减压阀处安装管道内水轮发电机组的城市之一。这种“管道内”水轮发电机组每年产生超过200兆瓦时的无碳电力，足以抵消附近希尔斯伯勒棒球场的大部分用电量。

2025年，比弗顿市完成了对其关键市政设施——塞克斯顿山泵站（Sexton Mountain Pump Station）的改造。在俄勒冈州能源信托基金会的项目开发援助和安装激励支持下，该市设计并安装了一台管道内水轮发电机组，预计每年可产生约426兆瓦时的无碳可再生能源电力，并抵消该泵站约27%的能源负荷。着眼于未来，比弗顿的工程师还设计了泵站，以便在通过该设施的水流量增加时，可容纳另一台水轮发电机组。

图拉丁市今年在其市政服务中心完成了类似项目。其系统每年将产生约250兆瓦时的可再生电力，并节省约1.4万美元的年电费。该项目还预留了接线，以支持该市未来增加电池储能和建立微电网的计划。

俄勒冈州的经验表明，这是一个可在全国各城市复制的模式。

工作原理

这项技术并不复杂。供水系统中的水轮发电机组捕获水流，水流驱动涡轮旋转，从而产生电力。但并非每个减压阀都具备改造潜力。必须满足以下条件：管道直径足够大、压差足够大、流量足够大，并且理想情况下能够进行净计量，或靠近电网接入点，以便将电力输送到电网。

在俄勒冈州，净计量往往决定这些系统的经济性。净计量系统不是以规避成本电价将电力卖回给公用事业公司，而是使电表倒转，以零售电价向设施提供信用额度。这种差异——以零售电价而非批发电价回收价值——可能是项目财务可行性的关键因素。

经济实惠且富有韧性

全美能源成本正在上升。这一趋势本身就改善了小型分布式可再生能源系统的经济性。但管道内水轮发电几乎总是需要多层资金支持，才能达到合理的投资回收期目标。

资金组合（各州和社区可能有所不同）可能包括州能源办公室项目、联邦投资税收抵免和公用事业可再生能源激励措施。关键是在对管道内水轮发电系统做出“可行/不可行”决定之前，确定所有可用资金。许多市政当局的目标是这些投资10年回收，而通过正确的激励组合和现场条件，这是可以实现的。

如果安装和维护得当，管道内水轮发电系统可有效运行50至100年。只要管道中有水流动（几乎总是如此），涡轮机就会发电。这对于韧性和应急规划非常有用，因为关键设施需要电力供应。

图拉丁市在建设其项目时就明白，管道内水电是未来韧性的基础。该市安装了额外的导管和电气基础设施，以支持未来的电池储能和潜在微电网。本德市正在进一步推进这一概念，计划在其Outback饮用水处理厂建设一个未来的1.2兆瓦管道内系统，与太阳能和电池储能相结合时，足以为整个设施供电。

“全套方案”——水电、太阳能、电池、微电网——是一项重大的基础设施投资。但随着电价上涨，以及社区面临野火、极端天气和老化的输电基础设施带来的日益严重的电网压力，俄勒冈州许多城市正在规划创新解决方案，而不是事后匆忙应对。

如何开始

如果你是公共工程主管、运营主管或可持续发展经理，想知道你的供水系统是否具有这种潜力，首先要确定你的目标是什么。是降低运营成本？实现清洁能源目标？还是为关键设施建立备用电源？这些问题的答案会改变哪种技术有意义，以及你如何优先安排投资。

在此基础上，预可行性研究将这些目标转化为实际数字。是否存在可替换为管道内水轮发电机的可行减压阀？这些阀门的压力和流量是多少？最近的电力负荷或并网点在哪里？项目成本是多少？有哪些资金可以弥补缺口？这些问题需要工程专业知识来回答，但它们是任何推进决策的基础。

考虑这类系统的最佳时机是在计划中的阀门更换之前，而不是之后。这些项目最好尽早纳入资本改善计划，而不是笨拙地附加到已经进行的流程中。