［法國］ C.阿波奈 等

法國朗斯潮汐電站的運行管理經(jīng)驗

［法國］ C.阿波奈 等

竣工于1966年的法國朗斯潮汐電站，裝機(jī)240 MW，運行方式為雙向型，水輪機(jī)機(jī)組為燈泡式，其土建工程和機(jī)電工程技術(shù)相當(dāng)成熟。介紹了該電站多年來的成功運行經(jīng)驗、電站的主要技術(shù)和運行方法、針對其專門開發(fā)的燈泡式水輪機(jī)，以及其自動控制程序和陰極保護(hù)系統(tǒng)。同時也指出了電站還需改進(jìn)的方面。朗斯潮汐電站的成功運行管理經(jīng)驗為今后世界范圍內(nèi)的潮汐電站的開發(fā)均具有指導(dǎo)與借鑒意義。

潮汐電站;運行管理;管理方式;朗斯潮汐電站;法國

43 a前，法國朗斯河口的朗斯潮汐電站竣工。該電站位于布列塔尼(Brittany)的圣馬諾(St Malo)市附近。

自1966年起，法國電力公司就一直成功地運行著朗斯電站。該電站不僅是布列塔尼地區(qū)的主要電力設(shè)施，而且還是法國第一大工業(yè)旅游景點，2000年接待游人超過了30萬人。

1943～1961年，法國對許多不同潮汐電站站址的可行性進(jìn)行了考察和研究，最終選擇朗斯，并于1961～1966年建造。朗斯潮汐電站長750 m，安裝24臺10 MW燈泡式機(jī)組，總裝機(jī)容量240 MW，年發(fā)電量約為538 GW·h。該電站的水庫庫容為1.84億m3，水庫一直延伸至朗斯河口上游20 km處。預(yù)計每年通過該大壩船閘的船只約為18 000艘，每日通過壩上公路的汽車約為32 000輛。

1 技術(shù)簡介

朗斯電站包括布雷比角(Pointe de la Brebis)與布里楊臺角(Pointe de la Briantais)之間的4個區(qū)，主要由船閘、裝有24臺燈泡式發(fā)電機(jī)組的電站、建于Chalibert巖上的堤和裝有6孔水閘的攔潮壩組成。

1.1 主要技術(shù)問題

建潮汐電站所碰到的主要技術(shù)問題如下:

(1)潮汐周期對潮汐電站運行周期的影響;

(2)水輪機(jī)的選擇;

(3)防止機(jī)組受海水侵蝕;

(4)電站施工(本文未詳述)。

1.2 運行循環(huán)過程

潮汐電站運行，可選用以下兩種主要方式，這樣可在不受海潮周期影響的情況下運行。

(1)單向運行。所謂“單向運行”操作就是只在水庫放空時水輪機(jī)才運行，并根據(jù)情況決定抽水與否(圖1)。

圖1 水庫放水單向運行

(2)雙向運行。所謂“雙向運行”操作就是水輪機(jī)在水庫放水或向水庫充水時均運行，朗斯潮汐電站最終選用此運行方式(圖2)。

1.3 機(jī)組型式選擇

在20世紀(jì)40年代初，在工程研究初期階段，所面臨的另一個主要問題就是選擇合適的上游或下游燈泡式機(jī)組，以解決水輪機(jī)在水頭和流量變幅大的情況下的運行問題。

圖2 水庫放水和向水庫充水雙向運行

當(dāng)確定燈泡式水輪機(jī)的最終設(shè)計時，經(jīng)歷了以下5個重要里程碑:

(1)1941年SEUM公司成立(為了研究潮汐電站);

(2)1943年SEUM公司和奈爾皮克(Neyrpic)公司共同獲得上游燈泡式水輪機(jī)的首個專利;

(3)1951年編寫完成了首份管理文件，揭示了常規(guī)立式低水頭水輪機(jī)和安裝在水輪機(jī)上部、水輪機(jī)流道外的大直徑交流發(fā)電機(jī);

(4)1953年在阿讓塔(Argentat)和康貝拉克(Cambeyrac)分別進(jìn)行了下游燈泡式水輪機(jī)的試驗;

(5)1955～1960年，分別進(jìn)行了兩個設(shè)計方案的上游燈泡式水輪機(jī)的試驗。1臺額定容量為8.8 MW的水輪機(jī)在博蒙特蒙特(Beaumont Monteux)進(jìn)行了試驗。1臺在圣馬諾的舊船閘內(nèi)進(jìn)行試驗，均按照朗斯的特征進(jìn)行。

與此同時，朗斯潮汐電站工程的建設(shè)進(jìn)程在有條不紊地進(jìn)行:

(1)1956年法國議會投票通過了建設(shè)朗斯電站的提案(根據(jù)1919年10月16日開始實施的“公法”);

(2)1961年土建工程開工;

(3)1963年朗斯河截流;

(4)1966年電站正式運行。

2 燈泡式機(jī)組的運行經(jīng)驗

2.1 概 述

基于上述試驗，作出了朗斯電站采用下游燈泡式機(jī)組的關(guān)鍵決定。1961年1月開始進(jìn)行機(jī)組的機(jī)械力學(xué)研究，并于1964年9月開始安裝。1966年1月首臺機(jī)組交付。

1966年3月對首臺機(jī)組進(jìn)行無水試驗和電站充水試驗。1966年8月這臺機(jī)組并入電網(wǎng)進(jìn)行有水調(diào)試，1966年11月正式投入運行。1967年11月最后一臺機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。1967年12月24臺機(jī)組首次進(jìn)行了滿負(fù)荷同步運行。

2.2 主要特征

圖3、4分別示出了朗斯燈泡式機(jī)組的主要特征。

圖3 燈泡式機(jī)組段橫斷面

圖4 燈泡式機(jī)組橫斷面

2.3 工程運行以來的主要變化

自工程開始投運以來的最初幾年中，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子有問題。在10 a之后，決定對所有機(jī)組進(jìn)行預(yù)防性更換。

1976年，在發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)磁性元件出現(xiàn)問題后，由阿爾斯通公司更換了首個定子。1976～1982年，其余23個定子也分別由LK公司和Repelec公司進(jìn)行了更換。1995～1996年，由Saralem公司再次更換了7個定子。

考慮到將來的所有機(jī)組的整個預(yù)防性更新改造工作，1994年作出決定，在1994～2004年內(nèi)，更新改造機(jī)組24臺。

3 自動控制程序

3.1 控制和編程過程

控制程序涉及潮汐電站的操作循環(huán)。該系統(tǒng)控制的主要設(shè)備包括6個水閘和24臺機(jī)組。

編程需要考慮以下限制:

(1)潮汐周期(可預(yù)測的);

(2)潮汐電站部件的預(yù)期可用性應(yīng)與大潮和小潮聯(lián)系起來考慮，以便優(yōu)化維護(hù)工作;

(3)每周預(yù)估的發(fā)電成本應(yīng)在1997年國家計劃的范圍內(nèi);

(4)外部限制，例如水庫水位。

名為“AGRA”的控制碼用于管理朗斯電站的運行，每10 min發(fā)一次操作指令，在海與水庫之間進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，目的是使經(jīng)濟(jì)效益最大化。

3.2 程序操作

AGRA程序每10 min向潮汐電站運行人員定時提供一張機(jī)組和導(dǎo)葉的控制表，并提供海和庫內(nèi)的水位記錄。

1968～1987年，將每周調(diào)度程序存儲起來，運行人員在控制室就能進(jìn)行監(jiān)控并調(diào)整效率。當(dāng)出現(xiàn)錯誤指令時，運行人員也能夠及時進(jìn)行糾正。如果電站任何部件工作不正常，或者電網(wǎng)出現(xiàn)問題，運行人員也能進(jìn)行相應(yīng)的處理。

從1987年開始，操作控制系統(tǒng)已完全自動化，最后一次對系統(tǒng)的調(diào)整是在1992年。自1996年以來，平均每周僅發(fā)生1起意外事件。2008年，AGRA程序被移植到了PC系統(tǒng)上。

4 陰極保護(hù)系統(tǒng)

4.1 研究簡介

1955年，SEUM公司組建了防腐蝕委員會，旨在了解各種金屬的特性，提出合適的涂料類型，以及審查在圣馬諾市進(jìn)行的原型燈泡式水輪機(jī)試驗。通過這些試驗，對這24臺機(jī)組提出建議。主要限制包括因運行要求而不可能使用涂層。

作為第1步，委員會決定進(jìn)行一些試驗，以檢驗各種金屬在海水中的強(qiáng)度，不銹鋼和銅鋁合金在不同程度陰極極化時的性狀，并檢測陽極的最佳定位(為了獲得好的成果，在奈爾皮克模型上對40個陽極進(jìn)行了觀測)。

作為第2步，根據(jù)在圣馬諾的燈泡式原型機(jī)組上發(fā)現(xiàn)的嚴(yán)重侵蝕現(xiàn)象(在無陰極保護(hù)條件下觀測了1 a時間)，在這臺機(jī)組上再次進(jìn)行了腐蝕試驗。

4.2 成果應(yīng)用

根據(jù)在圣馬諾的試驗機(jī)組上進(jìn)行的各種試驗，

為了推廣試驗成果作出了以下決定(值得注意的是，1985年以后不銹鋼沒有發(fā)生進(jìn)一步腐蝕)。

4.2.1 機(jī)組的陰極保護(hù)

(1)對于每臺機(jī)組均有3個凸起點，每個凸起點設(shè)有12個陽極，24臺機(jī)組總共有864個陽極;

(2)安裝4個電極作為控制機(jī)組電位參考，共安裝了96個電極;

(3)總共有18個“變流器”(24 V、120 A)。

4.2.2 導(dǎo)葉的陰極保護(hù)

(1)1968年之前，導(dǎo)葉沒有采用陰極保護(hù);

(2)由于機(jī)組的陰極保護(hù)取得了明顯的效果，從1968年起，每個導(dǎo)葉都安裝了24個陽極、12個電極和12個變流器。

4.2.3 船閘金屬部件的陰極保護(hù)

(1)1978年之前，觀察到船閘金屬部件數(shù)處發(fā)生了腐蝕;

(2)從1978年開始，每座船閘安裝了16個陽極、4個電極和4個變流器。

陰極保護(hù)控制系統(tǒng)簡況:

(1)每年進(jìn)行9 500次的測量(電流，電壓，電化學(xué)勢);

(2)年維護(hù)總用時874 h。

5 結(jié)論與展望

根據(jù)對燈泡式機(jī)組、材料和腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行的大量初步研究，在1976～1996年研究并解決了定子的磁化問題，朗斯潮汐電站成功運行40多年未出現(xiàn)嚴(yán)重問題。同時，在1994年對該電站有關(guān)部件進(jìn)行了預(yù)防性更新改造，因此，朗斯潮汐電站仍然是世界上最杰出的海洋電力生產(chǎn)工業(yè)性設(shè)計的潮汐電站之一。

像朗斯電站這樣的潮汐電站工程是在非同尋常的環(huán)境條件下修建和運行的，這是基于十分成熟的土建工程和機(jī)電工程技術(shù)。但是，仍有3個重要方面需要改進(jìn):

(1)在設(shè)備設(shè)計方面，巨型近海設(shè)備可降低工程成本，這為工程開發(fā)創(chuàng)造了條件。利用多汊水庫，可減少電站的間歇發(fā)電，進(jìn)一步提高工程的經(jīng)濟(jì)可行性，從而能夠更好地按照負(fù)荷曲線進(jìn)行發(fā)電調(diào)度。

(2)在機(jī)電設(shè)備方面，通常情況下水輪機(jī)的效率，以及在特定情況下提高水輪機(jī)雙向水流運行效率的能力，這是未來在漲潮和退潮均能運行的潮汐電站所面臨的挑戰(zhàn)。因此，水輪機(jī)組應(yīng)能雙向運行，同時也能作為水泵運行。

機(jī)組還存在一些可改進(jìn)的地方，例如機(jī)組的齒輪裝置，它可使水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下運行。此外，變頻發(fā)電技術(shù)有利于機(jī)組提高不同運行方式和水頭下的出力。

(3)關(guān)于土建工程，潮汐電站可以在圍堰之內(nèi)施工，或應(yīng)用預(yù)制沉箱(鋼制或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))浮運到施工現(xiàn)場修建。目前，沉箱方案特別有利于偏遠(yuǎn)壩址施工。

圖5 截止2009年3月已投入運行的潮汐電站

圖6 截止2009年3月擬建的潮汐電站

根據(jù)朗斯潮汐電站的經(jīng)驗和教訓(xùn)，已計劃修建許多新的潮汐電站，其中一些建在河口，裝機(jī)容量很大，另一些則采用近海水庫或者沿岸水庫方案。

韓國裝機(jī)252 MW的西洼(Sihwa)潮汐電站目前正在投入運行，它將成為世界上最大的潮汐電站。該潮汐電站修建在1994年所建的一條長12.7 km的海堤上。這座潮汐電站旨在發(fā)電，同時不斷地向水庫充水，以改善水質(zhì)。

在中國、加拿大和俄羅斯等目前已有一些小型的潮汐電站投入運行，世界上一些國家也正計劃修建潮汐電站(見圖5和圖6)。

截止2009年末，全球已建成的雙向潮汐電站總裝機(jī)容量已達(dá)600 MW。逐漸增加的投入運行的河口潮汐電站依靠橫跨河口的擋潮壩安裝發(fā)電機(jī)組。

目前，許多國家都在鼓勵開發(fā)利用波能和潮汐能發(fā)電的新技術(shù)，使得各種不同的真機(jī)技術(shù)得到發(fā)展。這些研發(fā)的技術(shù)通常與裝機(jī)容量較小的水電工程有關(guān)，因此這對將來相對分散的電力生產(chǎn)具有很好的發(fā)展前景。

席嘉瑨 譯自英刊《水電與大壩》2009年增刊

沙文彬校

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2011-03-28