[法國(guó)] X.穆拉

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設(shè)計(jì)與施工

法國(guó)科凱拉抽水蓄能電站的升級(jí)改造

[法國(guó)] X.穆拉

科凱拉抽水蓄能電站在運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)了水輪機(jī)磨損嚴(yán)重、發(fā)電量降低及利用率低下等問題，盡管采取了很多措施，但收效甚微，因此法國(guó)電力集團(tuán)決定對(duì)該電站進(jìn)行全面升級(jí)改造。詳細(xì)介紹了科凱拉電站面臨的問題及電站升級(jí)改造方案及最終實(shí)施方案。此外，闡述了水輪機(jī)工程的總體設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)、公眾接受度和工程的約束條件及安全性等問題。

抽水蓄能電站；電站升級(jí)改造；初選方案；科凱拉抽水蓄能電站；法國(guó)

科凱拉(La Coche)抽水蓄能電站位于法國(guó)阿爾卑斯山薩瓦(Savoie)區(qū)，是一座地下電站。目前正在進(jìn)行升級(jí)改造。該電站通過250 km2流域內(nèi)埋設(shè)的28 km2地下管網(wǎng)供水量發(fā)電，由于融雪水的過度腐蝕，機(jī)組發(fā)電能力逐年降低。為提升峰值發(fā)電量，計(jì)劃修建一座地面廠房。在法國(guó)能源政策的法律框架內(nèi)提升電站容量，可以將現(xiàn)有裝機(jī)增加20%。

科凱拉抽水蓄能電站于1976年開始運(yùn)營(yíng)，安裝了4臺(tái)單機(jī)80 MW的混流可逆式機(jī)組，年均發(fā)電量可達(dá)600 GW·h。由于采用地下管網(wǎng)從250 km2區(qū)域集水發(fā)電，該電站的顯著特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)重力能的利用率很高(年發(fā)電量400 GW·h，相當(dāng)于總發(fā)電量的2/3)。

然而現(xiàn)在發(fā)電機(jī)組的有效利用率由原來的95%降至60%，主要原因?yàn)槌练e物對(duì)轉(zhuǎn)輪的過度腐蝕，特別是在融雪期。為此，法國(guó)電力集團(tuán)(EDF)計(jì)劃增建一座地面廠房(配沖擊式水輪機(jī)，240 MW)，與現(xiàn)有地下鋼襯壓力井連接起來，在融雪期代替原有的可逆式機(jī)組發(fā)電。顯然新增的水輪機(jī)組能更好地適應(yīng)泥沙磨損和水輪機(jī)葉片的維修，將大大提高電站的工作效率，峰值發(fā)電容量從320 MW增加到395 MW，年發(fā)電量可新增約130 GW·h，且附屬設(shè)施也會(huì)帶來一些額外發(fā)電量。

1 電站存在的問題

該電站裝機(jī)320 MW，利用水力勢(shì)能和抽水蓄能發(fā)電，與400 kV電網(wǎng)連接，4臺(tái)可逆式發(fā)電機(jī)組采用無配電盤的多級(jí)水輪泵，其單機(jī)容量(80 MW)和水頭(約900 m)都是最高的。20世紀(jì)80年代，EDF又新增了640MW的水電裝機(jī)容量。

600 GW·h的年發(fā)電量由兩部分組成：①水力勢(shì)能發(fā)電400 GW·h，主要在4～7月融雪期發(fā)電；②抽水蓄能發(fā)電量200 GW·h。

然而與類似工程相比，科凱拉電站運(yùn)營(yíng)初期的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性并非最佳。主要原因是維修費(fèi)用高，比法國(guó)其他抽水蓄能電站維修費(fèi)高5倍多；且利用率僅60%，遠(yuǎn)低于90%的該國(guó)平均水平。具體如下。

(1) 直接異步啟動(dòng)模式。在該啟動(dòng)模式下發(fā)生過多起事故，改為背靠背(同步)啟動(dòng)模式后得到較大改善，但由于缺乏最終“發(fā)射”機(jī)組，棄置了其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)組。

(2) 水蝕。融雪期水中懸移質(zhì)會(huì)對(duì)水輪機(jī)造成嚴(yán)重的磨損破壞，必須對(duì)其定期檢修。但由于水輪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且其設(shè)計(jì)本身存在缺陷，再加上地下洞室空間有限，檢修十分困難，定期檢修不僅費(fèi)時(shí)且花費(fèi)也大。

如果不對(duì)現(xiàn)有電站進(jìn)行重大改造，裝機(jī)利用率低、檢修費(fèi)用高都將導(dǎo)致凈現(xiàn)值大幅降低。

水電站全面運(yùn)營(yíng)以來，運(yùn)營(yíng)商和工程師們已經(jīng)預(yù)見到了這些問題，并設(shè)計(jì)實(shí)施了若干措施來控制發(fā)電機(jī)組的磨損，但收效甚微。顯然，在未來幾年內(nèi)，如果不追加越來越高的維修費(fèi)用，不對(duì)機(jī)組進(jìn)行維修，或不更換原有設(shè)備，該水電站將無法正常運(yùn)行。

由于產(chǎn)業(yè)利用率低下、經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值大幅減少以及技術(shù)運(yùn)行難以為繼，維修無休無止?？紤]到這些問題，EDF于2009年決定對(duì)科凱拉電站開展技術(shù)-經(jīng)濟(jì)的綜合研究，對(duì)其實(shí)施全面升級(jí)改造。

2 電站升級(jí)方案

2.1 方案調(diào)查

EDF審慎地研究了科凱拉電站改造的各個(gè)方案，并結(jié)合現(xiàn)狀從經(jīng)濟(jì)層面進(jìn)行比較。

2.1.1 定期清理上庫(kù)

減少水泵水輪機(jī)磨損的方法之一是把上庫(kù)作為沉沙池，讓具有磨損性的沉積物到達(dá)水輪機(jī)之前沉淀下來。該方法已應(yīng)用于一些大型水庫(kù)，如羅思蘭德(Roselend)水庫(kù)(庫(kù)容213×106m3)和蒂涅(Tignes)水庫(kù)(庫(kù)容265×106m3)。但由于科凱拉水庫(kù)庫(kù)容相對(duì)較小(2×106m3)，難以按這一方法實(shí)施，且將造成巨大花費(fèi)，因?yàn)樵摵佣嗡臄y沙量很大。然而將該方案與其他措施對(duì)比是很有意義的。

2.1.2 水輪機(jī)易損部件涂抹抗磨層

第二個(gè)方案是對(duì)水輪機(jī)易磨損部件涂抹抗磨層，以提高現(xiàn)有水輪機(jī)的抗磨損性。雖然該方法的可靠性存在變數(shù)，但EDF專家推薦的類似措施是可行的，因此從經(jīng)濟(jì)角度考慮似乎足夠可靠。

2.1.3 更換現(xiàn)有發(fā)電機(jī)組

另一項(xiàng)措施是用新機(jī)組更換所有或部分現(xiàn)有可逆式機(jī)組。根據(jù)水力學(xué)原理設(shè)計(jì)的新機(jī)組，不僅能抵抗磨損，而且運(yùn)營(yíng)成本低。缺點(diǎn)是需要重建許多土建結(jié)構(gòu)，而科凱拉電站現(xiàn)有的環(huán)境條件不允許。

2.1.4 新增沖擊式水輪機(jī)組

新增沖擊式水輪機(jī)組平行布置在現(xiàn)有水輪機(jī)下游，從現(xiàn)有壓力管道分流并與蘭登(Randens)發(fā)電廠的引水隧洞相連。與現(xiàn)有可逆式機(jī)組相比，新增沖擊式機(jī)組可有效提高工作效率，全年可優(yōu)先使用新增機(jī)組，特別是在融雪期。該方案具有如下優(yōu)點(diǎn)。

(1) 電站利用率得到提高(提高到95%)，在融雪期將現(xiàn)有機(jī)組作為備用機(jī)組，優(yōu)先使用新增沖擊式機(jī)組發(fā)電，由于其設(shè)計(jì)會(huì)使維修更加容易，耗時(shí)短，因此運(yùn)營(yíng)費(fèi)用也將隨之減少。

(2) 發(fā)電量增加(約增20%，年平均增加130 GW·h)，其中水泵水輪機(jī)平均增加4%，這是由于可逆式機(jī)組利用率提高而產(chǎn)生的。

(3) 裝機(jī)容量提高(由320 MW增至395 MW)，無需修改現(xiàn)有的行政法案(2005年6月13號(hào)頒布的《教皇法律》第44條)。法律規(guī)定，當(dāng)沖擊式水輪機(jī)組運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)有電站只能有兩臺(tái)機(jī)組工作。

(4) 新增容量將在為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)方面起到重要作用。新增機(jī)組將提供主要和次要頻率或電壓，而這些功能是以前的可逆式機(jī)組所不具備的。在用電高峰期可以通過水輪機(jī)模式獲得這些功能；而在部分負(fù)荷工況下，也可使用抽水模式下的空心同步水泵機(jī)組和沖擊式機(jī)組獲得這些功能，其原理與澳大利亞科普斯(Kops)2電站相同。

2.2 方案選定

最佳方案是新增水輪機(jī)組。因此，EDF開始著手進(jìn)行新增機(jī)組的初步和詳細(xì)設(shè)計(jì)，以期為工程帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 新增水輪機(jī)工程

3.1 總體設(shè)計(jì)

該工程包括新安裝一臺(tái)沖擊式水輪發(fā)電機(jī)，平行連接到現(xiàn)有地下廠房。尾水向下游排放到蘭登電站的壓力管道中。

3.2 可能的風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策

3.2.1 工程的可接受性

由于該工程是在現(xiàn)有電站管理范圍內(nèi)得以實(shí)施，對(duì)環(huán)境影響小。同時(shí)，水將向下游泄流到蘭登電站的壓力管道中(蘭登電站最大泄流量為100 m3/s，科凱拉電站新的泄流量為48 m3/s)，因此幾乎不會(huì)對(duì)工程造成安全影響。

公眾對(duì)該工程的接受度主要取決于建筑設(shè)計(jì)和施工干擾。新廠房位于郊區(qū)，為了達(dá)到設(shè)計(jì)發(fā)電量，發(fā)電機(jī)尺寸大并設(shè)計(jì)為立式，且必須為設(shè)備檢修留有足夠空間，特別是水輪機(jī)必須能移出檢修或替換。因此需要廠房高約35 m。對(duì)此，EDF和相關(guān)建筑師向當(dāng)?shù)毓姶碜髁私忉?，希望其支持該電站建設(shè)，在最終確定建筑物形狀和設(shè)計(jì)之前，召開了許多會(huì)議進(jìn)行溝通。

廠房緊鄰私人住宅，土方、基礎(chǔ)工程和地下工程施工時(shí)產(chǎn)生的噪音污染是最主要的風(fēng)險(xiǎn)。EDF指定相關(guān)工程機(jī)構(gòu)制定噪音控制措施，并從技術(shù)上對(duì)招標(biāo)文件進(jìn)行審核，承包商會(huì)根據(jù)施工時(shí)減少噪音的具體措施提出技術(shù)方案。

3.2.2 施工的約束條件

科凱拉水輪機(jī)工程施工場(chǎng)地有限，主要受限于現(xiàn)有建筑物和原電站的運(yùn)行。在不干擾現(xiàn)有建筑物運(yùn)行(建筑物、機(jī)組、電網(wǎng)等)的情況下進(jìn)行施工是相當(dāng)復(fù)雜的，為了做好施工控制，EDF決定作總承包商進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)，土建工程的具體設(shè)計(jì)和全面管理工作也由EDF直接負(fù)責(zé)。在開關(guān)站、輸電線路和運(yùn)營(yíng)的壓力井附近施工時(shí)，EDF格外關(guān)注施工所帶來的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，既要保證水輪機(jī)工程的建設(shè)進(jìn)度，又要維持壓力管道、大壩和可逆式機(jī)組等其他設(shè)施的正常運(yùn)行，這些都非常重要，因?yàn)橹袛喱F(xiàn)有電站運(yùn)行將會(huì)顯著影響工程效益。

3.2.3 地質(zhì)及建筑物的穩(wěn)定性

新廠址地基基巖埋深大，上覆深厚的沖積層，廠房穩(wěn)定問題需要使用三維模型(基礎(chǔ)/建筑物)進(jìn)行分析，使設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度、震動(dòng)和沉降要求。結(jié)果表明，新廠房的建設(shè)會(huì)對(duì)地基造成不良影響，在特定動(dòng)力條件下，基礎(chǔ)剛度不能滿足水輪機(jī)的要求，除非選擇基巖作為基礎(chǔ)持力層。因此，對(duì)距懸崖約40 m的原設(shè)計(jì)方案作出重大調(diào)整，將廠址選在基巖埋深較淺的位置。這一變更使工期延誤了近1 a， EDF反應(yīng)迅速，有力地協(xié)調(diào)工程各個(gè)受影響的部分，使工期延誤影響降到最低。

4 結(jié) 語

經(jīng)過近40 a的運(yùn)行，科凱拉抽水蓄能電站完成了重大升級(jí)改造，并較好地適應(yīng)了新的能源環(huán)境。水輪機(jī)工程效益顯著，在認(rèn)證過程中，受到了監(jiān)督部門、當(dāng)?shù)貦C(jī)構(gòu)及公眾的一致好評(píng)。

曹 鵬 馬貴生 譯

(編輯：唐湘茜)

2016-12-28

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