瑞士坦博山谷的水電開(kāi)發(fā)

［瑞士］P.艾興貝格爾 等

2008年，位于瑞士格勞賓登州的一家小企業(yè)——施普呂根(Splugen)公司與瑞士阿爾匹克生態(tài)能源(Alpiq EcoPower)控股集團(tuán)公司，決定聯(lián)合開(kāi)發(fā)瑞士東南部坦博山谷地區(qū)的水電資源，這一地區(qū)的水電資源蘊(yùn)藏量相當(dāng)豐富，但在此以前從未被開(kāi)發(fā)利用，屬于水電資源開(kāi)發(fā)的處女地。這兩家公司組建了合資公司，由合資公司負(fù)責(zé)籌集資金、開(kāi)展工程建設(shè)，并在工程完工后負(fù)責(zé)該電站的運(yùn)營(yíng)。位于圣加爾的恩特格拉水力發(fā)電股份公司(Entegra Wasserkraft AG)負(fù)責(zé)該電站的施工。

對(duì)坦博山谷地區(qū)的小水電開(kāi)發(fā)，采用高水頭徑流式的開(kāi)發(fā)方案。該工程具有以下主要特點(diǎn):

(1)在高程1 890 m處，將坦博山谷的水流由側(cè)面進(jìn)水口直接引水至前池，而進(jìn)水口前未設(shè)置蓄水池。

(2)在位于坦博山腳處，亦即后萊茵河(Hinterrhein)河谷的電站廠房?jī)?nèi)，安裝有一臺(tái)4葉沖擊式水輪機(jī)。該水輪機(jī)通過(guò)球墨鑄鐵壓力管道與山上的壓力前池相接，該壓力管道長(zhǎng)1 780余米，直徑為0.6、0.5 m。

(3)機(jī)組工作的凈水頭為400 m，功率輸出為1.8 MW，年均發(fā)電量為7.2 GW·h，其發(fā)電量能滿(mǎn)足1 750戶(hù)瑞士家庭的用電需求。

1 開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略

該項(xiàng)工程的業(yè)主方阿爾匹克生態(tài)能源控股集團(tuán)公司，根據(jù)該電站規(guī)模小、環(huán)保要求高的特點(diǎn)，從工程一開(kāi)始就制定了有針對(duì)性的實(shí)施策略。比如，在環(huán)保方面，為了避免引水發(fā)電可能會(huì)使坦博山谷地區(qū)的階梯式水景觀受到影響，以及保護(hù)山谷地區(qū)的脆弱環(huán)境，公司將水電開(kāi)發(fā)范圍限制在了山谷的峽谷區(qū)河段。基于該限制性開(kāi)發(fā)方案，使原山谷地區(qū)的視覺(jué)景觀仍然得以保留，且游客的視覺(jué)中不會(huì)出現(xiàn)水電站建筑物，河流的水流量也不會(huì)因水電開(kāi)發(fā)而減少。

在2009～2010年的審批階段，上述開(kāi)發(fā)方案受到了包括環(huán)保組織在內(nèi)的公眾的一致認(rèn)同。

2 進(jìn)水口和進(jìn)水閘

設(shè)計(jì)出適宜陡峭峽谷上游條件的引水方案，成為設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。在初設(shè)中，考慮到在洪水季節(jié)推移質(zhì)泥沙量較大，擬布置底部進(jìn)水口或蒂羅爾(Tyrolean)堰。但是，底部進(jìn)水口的水頭損失較大，壓力管道不能穩(wěn)固地安置在穩(wěn)定邊坡上。最后，設(shè)計(jì)人員在一個(gè)高為3.3 m的堰底檻上設(shè)置了側(cè)面進(jìn)水口，這就使水位升高，從而使其與峽谷中的引水系統(tǒng)相匹配。

當(dāng)洪水從寬為15 m的溢流堰下泄時(shí)，容易造成河床沖刷。因此，為了減少河床沖刷，在設(shè)計(jì)中，采用了階梯式溢洪道。這樣，當(dāng)水流流經(jīng)該溢洪道時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的紊動(dòng)，從而達(dá)到消能和減小沖刷的目的。這是瑞士境內(nèi)第2例采用該種溢洪道的工程。

與進(jìn)水口閘門(mén)緊挨著的是礫石攔截裝置。該裝置包括一個(gè)直徑為400 mm的渦管，在渦管上有一個(gè)縱向狹縫，用以在過(guò)流時(shí)篩除最大直徑達(dá)60 mm的礫石。

泥沙攔截建筑物由長(zhǎng)達(dá)21 m的單池構(gòu)成，可以將最小直徑達(dá)0.2 mm的泥沙顆粒沉積在池內(nèi)，其中的沖沙新技術(shù)，由拉帕斯維爾(Rapperswil)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院的HSR公司研發(fā)。與礫石攔截裝置類(lèi)似，沖沙裝置是運(yùn)用渦流排沙系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在排除水中泥沙的同時(shí)，無(wú)需降低攔沙建筑物的水位，也無(wú)需使機(jī)組停機(jī)。

由于新技術(shù)在上述排沙建筑物和礫石攔截建筑物中的成功應(yīng)用，即使是在洪水期和融雪期泥沙濃度較大時(shí)，水電站機(jī)組仍能穩(wěn)定運(yùn)行。除了該設(shè)計(jì)方案以外，初步設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)計(jì)還有一個(gè)由2座平行布置的沖沙池構(gòu)成的攔沙建筑物方案。2座沖沙池可分別使用，但由于沒(méi)有足夠的布置空間以及考慮到成本問(wèn)題，致使該設(shè)計(jì)方案并未被采納。

3 壓力管道

為了減少冬季受冰凍的影響和管道的布置有可能對(duì)景觀的破壞，壓力管道全程采取埋管方式。針對(duì)埋管的長(zhǎng)度、沿途易滑坡地區(qū)、巖石開(kāi)挖等因素，在埋管選線時(shí)做了充分的優(yōu)化。在施工中，因坡度太陡，管道和混凝土錨塊不得不使用直升機(jī)進(jìn)行吊裝運(yùn)輸。

壓力管道的上部沿一段已有的山中道路布置。采取的穩(wěn)定加固措施包括使用長(zhǎng)為6 m的微型樁，將該樁穿過(guò)覆蓋層鉆進(jìn)至基巖。由于上述淺層錨固措施對(duì)整個(gè)山體的加固作用有限，同時(shí)也難以阻止長(zhǎng)期的蠕動(dòng)變形，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，采取了巖土監(jiān)測(cè)措施，以監(jiān)測(cè)坡體工程的大變形，這又進(jìn)一步地保證了管道的沿途安全。樁承臺(tái)之間采用混凝土連接，形成尺寸為6.5 m的方格，使整體加固效果更佳。當(dāng)監(jiān)測(cè)的變形值超過(guò)預(yù)警值時(shí)，位于前池的壓力管道報(bào)警系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)，從而放空管道內(nèi)的水。這可避免管道內(nèi)的水沿管道破損處滲漏出來(lái)而引起更為嚴(yán)重的山體滑坡。

4 電站廠房和機(jī)電設(shè)備

電站廠房位于后萊茵河的河岸旁，由于該區(qū)域存在洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)，且同時(shí)又屬于濕地保護(hù)區(qū)，因此，對(duì)廠房的布置開(kāi)展了多方案比較，最終確定將廠房布置在離河岸較遠(yuǎn)的地方。每到冬季，該地即成為一個(gè)滑雪場(chǎng)的滑雪道，因此如此布置可使廠房建筑物與當(dāng)?shù)丨h(huán)境融為一體。

出于景觀方面的考慮，廠房高度被限制在4 m，顯然廠房?jī)?nèi)的吊車(chē)無(wú)法在如此低的高度內(nèi)運(yùn)行。為此，通過(guò)在廠房頂部開(kāi)設(shè)一個(gè)天窗，并使用移動(dòng)式的吊車(chē)完成了沖擊式水輪機(jī)組的安裝，將來(lái)機(jī)組的維修、起吊、清潔都將采用這種方法。

豎井和4葉的沖擊式水輪機(jī)與1 950 kVA同步發(fā)電機(jī)直接相連，該發(fā)電機(jī)比工作轉(zhuǎn)速為1 000 rpm，工作電壓為690 V。發(fā)電機(jī)采用水冷方式，散熱器布置在尾水渠的位置。由于采用了水冷方式代替風(fēng)冷方式，廠房的熱負(fù)荷得以減小，只需在廠房墻上開(kāi)設(shè)較小的通風(fēng)口就可以滿(mǎn)足廠房的通風(fēng)要求。該設(shè)計(jì)能使廠房噪音大幅地減小，即使是在滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，廠房外的噪音仍不會(huì)超過(guò)45 dBA。

由于該電站處于輸電網(wǎng)支線的末端，當(dāng)電站處于獨(dú)立運(yùn)行工況時(shí)，必須有額外的設(shè)備來(lái)保護(hù)機(jī)組，這種情況一般出現(xiàn)在電網(wǎng)和小水電站間的支線出現(xiàn)斷開(kāi)的情形。當(dāng)電網(wǎng)與電站通過(guò)支線重新連接時(shí)，此時(shí)的相位角、電壓，甚至頻率都將不再一致，而這將會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備造成致命性的破壞。

5 經(jīng)濟(jì)效益

該水電站的總投資為960萬(wàn)美元，由于電站的使用壽命只有40 a，因此即使水權(quán)的使用期為60 a，但還是只能按40 a的折現(xiàn)來(lái)算。電站工作人員均從施普呂根當(dāng)?shù)卣衅福渲杏?0%的崗位為兼職，他們的職責(zé)是負(fù)責(zé)電站日常運(yùn)行和設(shè)備保養(yǎng)。這種方式不僅可以降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，而且還可以增加瑞士阿爾卑斯山區(qū)的就業(yè)機(jī)會(huì)。

目前，該電站受益于上網(wǎng)電價(jià)體系的優(yōu)惠制度，即該體系制度對(duì)歐洲電價(jià)和坦博電站前期核定的發(fā)電成本之間的差價(jià)進(jìn)行補(bǔ)貼。這種制度使投資者可以獲得穩(wěn)定的回報(bào)，也激勵(lì)他們更多地投資小水電的開(kāi)發(fā)，由此提高新能源在瑞士能源結(jié)構(gòu)中的比重。目前，瑞士能源結(jié)構(gòu)中，60%為水電，40%為核電。

6 前景規(guī)劃

對(duì)坦博電站的合作雙方——當(dāng)?shù)氐氖┢諈胃九c阿爾匹克生態(tài)能源控股集團(tuán)公司而言，坦博水電站工程的開(kāi)發(fā)無(wú)疑是成功的，在電站投運(yùn)發(fā)電后的短短幾個(gè)月時(shí)間內(nèi)，這兩家公司就決定將繼續(xù)開(kāi)展合作。在該地區(qū)周邊，還有兩個(gè)類(lèi)似規(guī)模和投資的電站項(xiàng)目有待開(kāi)發(fā)，目前這兩個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入前期設(shè)計(jì)階段。如果工程申請(qǐng)得到批復(fù)，將進(jìn)入設(shè)備招投標(biāo)和具體施工階段?？梢灶A(yù)想，這兩個(gè)項(xiàng)目將和坦博電站一樣順利推進(jìn)，并將于2015年投入運(yùn)行。