法國科凱拉抽水蓄能電站的升級改造

[法國] X.穆拉

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設計與施工

法國科凱拉抽水蓄能電站的升級改造

[法國] X.穆拉

科凱拉抽水蓄能電站在運營過程中出現(xiàn)了水輪機磨損嚴重、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，因此法國電力集團決定對該電站進行全面升級改造。詳細介紹了科凱拉電站面臨的問題及電站升級改造方案及最終實施方案。此外，闡述了水輪機工程的總體設計、風險、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；電站升級改造；初選方案；科凱拉抽水蓄能電站；法國

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

科凱拉抽水蓄能電站于1976年開始運營，安裝了4臺單機80 MW的混流可逆式機組，年均發(fā)電量可達600 GW·h。由于采用地下管網從250 km2區(qū)域集水發(fā)電，該電站的顯著特點是標準重力能的利用率很高(年發(fā)電量400 GW·h，相當于總發(fā)電量的2/3)。

然而現(xiàn)在發(fā)電機組的有效利用率由原來的95%降至60%，主要原因為沉積物對轉輪的過度腐蝕，特別是在融雪期。為此，法國電力集團(EDF)計劃增建一座地面廠房(配沖擊式水輪機，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組發(fā)電。顯然新增的水輪機組能更好地適應泥沙磨損和水輪機葉片的維修，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，且附屬設施也會帶來一些額外發(fā)電量。

1 電站存在的問題

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

600 GW·h的年發(fā)電量由兩部分組成：①水力勢能發(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，科凱拉電站運營初期的技術性和經濟性并非最佳。主要原因是維修費用高，比法國其他抽水蓄能電站維修費高5倍多；且利用率僅60%，遠低于90%的該國平均水平。具體如下。

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

(2) 水蝕。融雪期水中懸移質會對水輪機造成嚴重的磨損破壞，必須對其定期檢修。但由于水輪機結構復雜且其設計本身存在缺陷，再加上地下洞室空間有限，檢修十分困難，定期檢修不僅費時且花費也大。

如果不對現(xiàn)有電站進行重大改造，裝機利用率低、檢修費用高都將導致凈現(xiàn)值大幅降低。

水電站全面運營以來，運營商和工程師們已經預見到了這些問題，并設計實施了若干措施來控制發(fā)電機組的磨損，但收效甚微。顯然，在未來幾年內，如果不追加越來越高的維修費用，不對機組進行維修，或不更換原有設備，該水電站將無法正常運行。

由于產業(yè)利用率低下、經濟凈現(xiàn)值大幅減少以及技術運行難以為繼，維修無休無止?？紤]到這些問題，EDF于2009年決定對科凱拉電站開展技術-經濟的綜合研究，對其實施全面升級改造。

2 電站升級方案

2.1 方案調查

EDF審慎地研究了科凱拉電站改造的各個方案，并結合現(xiàn)狀從經濟層面進行比較。

2.1.1 定期清理上庫

減少水泵水輪機磨損的方法之一是把上庫作為沉沙池，讓具有磨損性的沉積物到達水輪機之前沉淀下來。該方法已應用于一些大型水庫，如羅思蘭德(Roselend)水庫(庫容213×106m3)和蒂涅(Tignes)水庫(庫容265×106m3)。但由于科凱拉水庫庫容相對較小(2×106m3)，難以按這一方法實施，且將造成巨大花費，因為該河段水的攜沙量很大。然而將該方案與其他措施對比是很有意義的。

2.1.2 水輪機易損部件涂抹抗磨層

第二個方案是對水輪機易磨損部件涂抹抗磨層，以提高現(xiàn)有水輪機的抗磨損性。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，因此從經濟角度考慮似乎足夠可靠。

2.1.3 更換現(xiàn)有發(fā)電機組

另一項措施是用新機組更換所有或部分現(xiàn)有可逆式機組。根據(jù)水力學原理設計的新機組，不僅能抵抗磨損，而且運營成本低。缺點是需要重建許多土建結構，而科凱拉電站現(xiàn)有的環(huán)境條件不允許。

2.1.4 新增沖擊式水輪機組

新增沖擊式水輪機組平行布置在現(xiàn)有水輪機下游，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)有可逆式機組相比，新增沖擊式機組可有效提高工作效率，全年可優(yōu)先使用新增機組，特別是在融雪期。該方案具有如下優(yōu)點。

(1) 電站利用率得到提高(提高到95%)，在融雪期將現(xiàn)有機組作為備用機組，優(yōu)先使用新增沖擊式機組發(fā)電，由于其設計會使維修更加容易，耗時短，因此運營費用也將隨之減少。

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

(3) 裝機容量提高(由320 MW增至395 MW)，無需修改現(xiàn)有的行政法案(2005年6月13號頒布的《教皇法律》第44條)。法律規(guī)定，當沖擊式水輪機組運行時，現(xiàn)有電站只能有兩臺機組工作。

(4) 新增容量將在為電網提供輔助服務方面起到重要作用。新增機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組所不具備的。在用電高峰期可以通過水輪機模式獲得這些功能；而在部分負荷工況下，也可使用抽水模式下的空心同步水泵機組和沖擊式機組獲得這些功能，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組。因此，EDF開始著手進行新增機組的初步和詳細設計，以期為工程帶來巨大的經濟效益。

3 新增水輪機工程

3.1 總體設計

該工程包括新安裝一臺沖擊式水輪發(fā)電機，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 可能的風險及對策

3.2.1 工程的可接受性

由于該工程是在現(xiàn)有電站管理范圍內得以實施，對環(huán)境影響小。同時，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)，因此幾乎不會對工程造成安全影響。

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

廠房緊鄰私人住宅，土方、基礎工程和地下工程施工時產生的噪音污染是最主要的風險。EDF指定相關工程機構制定噪音控制措施，并從技術上對招標文件進行審核，承包商會根據(jù)施工時減少噪音的具體措施提出技術方案。

3.2.2 施工的約束條件

科凱拉水輪機工程施工場地有限，主要受限于現(xiàn)有建筑物和原電站的運行。在不干擾現(xiàn)有建筑物運行(建筑物、機組、電網等)的情況下進行施工是相當復雜的，為了做好施工控制，EDF決定作總承包商進行施工組織設計，土建工程的具體設計和全面管理工作也由EDF直接負責。在開關站、輸電線路和運營的壓力井附近施工時，EDF格外關注施工所帶來的相關風險，既要保證水輪機工程的建設進度，又要維持壓力管道、大壩和可逆式機組等其他設施的正常運行，這些都非常重要，因為中斷現(xiàn)有電站運行將會顯著影響工程效益。

3.2.3 地質及建筑物的穩(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/建筑物)進行分析，使設計滿足強度、震動和沉降要求。結果表明，新廠房的建設會對地基造成不良影響，在特定動力條件下，基礎剛度不能滿足水輪機的要求，除非選擇基巖作為基礎持力層。因此，對距懸崖約40 m的原設計方案作出重大調整，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反應迅速，有力地協(xié)調工程各個受影響的部分，使工期延誤影響降到最低。

4 結 語

經過近40 a的運行，科凱拉抽水蓄能電站完成了重大升級改造，并較好地適應了新的能源環(huán)境。水輪機工程效益顯著，在認證過程中，受到了監(jiān)督部門、當?shù)貦C構及公眾的一致好評。

曹 鵬 馬貴生 譯

(編輯：唐湘茜)

2016-12-28

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