西班牙拉穆埃拉Ⅱ號抽水蓄能電站設(shè)計

［西班牙］J.C.布拉沃

胡云鶴 譯自英刊《水電與大壩》2012年第5期

拉穆埃拉(La Muela)Ⅱ號工程由一座裝有4臺水泵水輪機的地下發(fā)電站、一條地下壓力管道(具有一個將管道分成4部分的岔管)，以及一條尾水隧洞組成。電站從下游水庫和上游人工湖取水。組成水力回路的水庫和進(jìn)出水口，以及進(jìn)場公路、開關(guān)站和高壓線路均在20世紀(jì)80年代建成。

因為可以直接利用這些現(xiàn)有設(shè)施，拉穆埃拉Ⅱ號電站的裝機容量比率遠(yuǎn)低于同類型電站的通常比率，從經(jīng)濟(jì)的角度來看其需要的投資非常有吸引力。

電站設(shè)計時，考慮了盡量地減小對拉穆埃拉自然公園區(qū)域周圍風(fēng)景環(huán)境的影響，所有新建建筑物都位于地下，并且不需要新修任何輸電線路。2006年秋季開工，次年完工，因為在此期間既沒有中斷工程施工作業(yè)，也沒有妨礙現(xiàn)有電站的運行。2012年8月，現(xiàn)場安裝了機電設(shè)備和壓力管道。這座早在1982年就已完成設(shè)計的雄偉工程，最終將會成為歐洲最大的水力發(fā)電綜合體之一。

1 電力需求發(fā)展

自科爾特斯(Cortes)Ⅱ號電站以及拉穆埃拉Ⅰ號電站投入運行以來，在過去的20a間，西班牙峰值電力需求穩(wěn)定增長。實際上在2006年，峰荷需求量值比1989年翻了一番。近些年新的發(fā)展趨勢表現(xiàn)在夏季峰荷的增加，因為在夏季的一段時間中，由于長期維護(hù)的結(jié)果，水電稀缺，而且火電也往往供應(yīng)不足，此外，最近大量的風(fēng)力發(fā)電相繼投產(chǎn)，其運行情況很難事先預(yù)料，這已導(dǎo)致了電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生不希望出現(xiàn)的的失衡。抽水蓄能電站是一種穩(wěn)定間歇性可再生能源技術(shù)，并可將獲得的風(fēng)能從基荷轉(zhuǎn)換到峰荷的有效途徑。

2 科爾特斯－拉穆埃拉工程

科爾特斯Ⅱ號電站是一座裝機246 MW的常規(guī)電站，位于一座116 m高的重力拱壩腳下，一座84 m高的下游重力拱壩調(diào)節(jié)排入瓦倫西亞灌區(qū)的水量。拉穆埃拉Ⅰ號電站是一座地下抽水蓄能電站，將科爾特斯水庫和拉穆埃拉高原上的一座人工湖相連。這兩座水庫相隔800m，水頭500m。人工湖總庫容2300萬m3，該湖是在石灰石和泥灰?guī)r中開挖而成的，防滲部件的瀝青混凝土襯砌新近又增加了一層瑪王帝脂劑保護(hù)層對其進(jìn)行整修。

有利的地質(zhì)特征對現(xiàn)場十分有利的地形條件起到了增強作用，這使得在一個非常短的水力回路中水頭損失極小。白堊紀(jì)巖石層是亞水平的，除了有一條與水庫平行的斷層以外，沒有構(gòu)造干擾，這就形成了一道不透水的屏障，使得電站能與下游水庫非常接近。從原項目最初的幾個階段，就對拉穆埃拉Ⅱ號電站的升級進(jìn)行了設(shè)想，所以，1982年年初就決定兩座水庫都修建進(jìn)水口。拉穆埃拉Ⅰ號電站裝有3臺混流式水泵水輪機組，在發(fā)電運行方式下的功率和流量分別為216 MW和46 m3/s，在抽水運行方式下的功率和流量分別為180MW和35 m3/s。拉穆埃拉Ⅱ號電站裝有與之類似的另外4臺機組。完全建成后的科爾特斯－拉穆埃拉工程的抽水和發(fā)電額定功率將分別為1280MW和1720MW。

3 電站設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

拉穆埃拉Ⅱ號電站的設(shè)計受到了已建上下游進(jìn)出水口的影響。工程選址受到限制，但在其他2座電站的建設(shè)和運行期間，當(dāng)?shù)貎?yōu)勢地形條件的特性已經(jīng)過全面測試。因此，選定的設(shè)計方案和拉穆埃拉Ⅰ號類似，因為機組實質(zhì)上是相同的。主要的不同與上游壓力管道有關(guān)，新工程的壓力管道完全處在地下，并且在水輪機高程處有個一分為四的分叉管。

在2001年開展了一項針對修建一座新電站可行性的初步研究，其間，公司一直信奉著這樣的原則，即環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展以及通過促進(jìn)研發(fā)和應(yīng)用新設(shè)備，更加有效地利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，減少對能源的過度依賴。

拉穆埃拉Ⅰ號和Ⅱ號是純抽水蓄能電站，對工程站址下游的朱卡爾(Jucar)流域水電資源的其他用戶不產(chǎn)生任何影響。這是因為其運行模式遵循以一個星期為周期，凈水流量(net water flow)為零，還因為科爾特斯壩和埃爾納蘭杰羅(EI Naranjero)壩調(diào)節(jié)從工程站址下泄到朱卡爾下游流域灌區(qū)的灌溉水量。

4 電站設(shè)計

4.1 概 述

現(xiàn)存的已建進(jìn)水口使得必須在原電站西側(cè)修建新的電站。這需要修建一條壓力管道、一座電廠洞室、一座主變洞、一條尾水洞和一座電纜豎井，以及數(shù)條廊道和一些配套工程。為了盡量減小對現(xiàn)有電站的干擾，拉穆埃拉Ⅱ號電站應(yīng)盡可能地靠近現(xiàn)有的67 m長的變壓器室。廠房洞室和主變洞室相互平行，相隔47.4 m。新廠房和現(xiàn)有廠房用一條水平廊道連通，該廊道連接兩廠房的處在同一海拔高度的裝配間。

進(jìn)入新電站的通道是一條1 km長的隧道和一條連接廊道，該隧道從現(xiàn)有的交通隧道下降到拉穆埃拉Ⅰ號電站，而這條連接廊道可供現(xiàn)有的大直徑豎井共同使用，用于搬運大件設(shè)備。還有一條連接變壓器室與戶外開關(guān)站的電纜豎井。

在施工期間，還必須開挖一些輔助廊道和豎井以便提供通達(dá)各個位置的通道，例如一座位于上游壓力管道頂部的豎井，一條通達(dá)壓力管道底部的低位隧道，以及3條通往主洞頂拱室的廊道。

廠房將會裝備4臺可逆式機組，目前正處于安裝階段，每臺都在導(dǎo)水機構(gòu)前設(shè)置一個球閥。每臺機組在發(fā)電運行方式下的功率和流量分別為212 MW和48 m3/s，在抽水運動方式下的功率和流量分別為185 MW和36 m3/s。在尾水側(cè)，各臺機器將用設(shè)置在距機組軸線56.34 m的垂直平板閘閥加以保護(hù)。下游進(jìn)水口和尾水隧洞的第一部分與原電站同時一起建成。將壓力管道分為4條岔管的多叉管已經(jīng)建成，以便與4臺機組相連。交流發(fā)電機和變壓器通過放置母線的4條廊道相連。主變室的電纜通過一條200m的垂直豎井與地面開關(guān)站相連。

4.2 壓力管道

一條壓力管道向所有的機組供水。它由不同質(zhì)量的自支撐鋼建造而成，厚度為20～42 mm，內(nèi)徑為5.45 m。其縱剖面包括 3個部分:一段斜率為24.93%，長 89.5 m;一 段 傾 角 為 46.79°，長683.07 m;還有一水平管段，長49.22 m。

開挖直徑為6 m的傾斜洞段分成兩個階段進(jìn)行。第1部分的開挖使用反井鉆進(jìn)技術(shù)完成，為剩余部分的開挖創(chuàng)造條件，第2部分是使用斜井支護(hù)開挖技術(shù)進(jìn)行全斷面開挖。

在反井鉆進(jìn)之前，使用基于泥漿護(hù)壁技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)開挖出一個先導(dǎo)孔，這存在一定困難，因為在巖溶最發(fā)育的石灰?guī)r中泥漿損失量較大。安裝了兩個滑動裝置，用于斜向開挖。它們在導(dǎo)軌上移動，輔助完成鉆孔、放置炸藥和碎渣收集等任務(wù)。

沿整條壓力鋼管，巖石和鋼管之間的空隙填充厚度為0.4～0.9 m的混凝土。

有關(guān)壓力鋼管的工作也在同步進(jìn)行。與岔管焊接、鋼管管圈的制造以及安裝等相關(guān)的所有工作都在現(xiàn)場進(jìn)行。

4.3 廠 房

設(shè)計了一座114.8 m ×17.65 m ×47.3 m(長 ×寬×高)的洞室作為廠房來容納4臺機組。該洞室包括一座鋼筋混凝土頂拱室和用來安裝交流發(fā)電機和水輪機的數(shù)個裝配間，安裝區(qū)域和控制樓設(shè)置在進(jìn)廠通道樓層，在通道層，還有數(shù)條交通廊道服務(wù)于現(xiàn)有電站。

所有的開挖施工都使用了炸藥，在此期間，觀察到明顯的滲流來自拉穆埃拉石灰?guī)r地塊的含水層。經(jīng)過一段時間細(xì)致的地質(zhì)研究后，決定采用灌注水泥漿的辦法，形成5道防滲帷幕來保護(hù)工作區(qū)域。洞室頂拱由環(huán)用混凝土支護(hù)。開挖和混凝土澆筑交替進(jìn)行，所以巖石不會達(dá)到某一規(guī)定的跨度。剩下的洞室隨后分階段進(jìn)行開挖，從底部到發(fā)電機層順次澆筑混凝土。

4.4 主變室

主變室與廠房平行，軸線間距離為47.4 m。最小巖墻厚度為28 m。此洞79 m×17 m×13.5 m(長×寬×高)。包含4臺三相主變壓器和兩臺廠用變壓器。

每臺都被裝在獨立的洞龕內(nèi)，并以混凝土防火墻分隔。400kV干式電纜的線路從主變室通過長200m、直徑6 m的豎井引至開關(guān)站。豎井的部分開挖使用了垂直反井鉆進(jìn)技術(shù)。

4.5 尾水隧洞

4條尾水隧洞的直徑皆為3.5 m。斜率25.27%～27.53%。4扇3.9 m×4 m的垂直平板閘閥被安放在距水輪機56.34 m的變壓器洞室內(nèi)4座小擴(kuò)建間中。一個直徑變化的共同集水管將尾水管道與現(xiàn)有尾水隧洞相連。

4.6 機電設(shè)備

4臺立軸混流可逆式水泵水輪機，轉(zhuǎn)速為600r/min，上游有球閥、下游有垂直平板閘閥保護(hù)。在壓力過水流道兩端，進(jìn)水塔兩座水庫中已安裝了2扇垂直的平板閘閥。球閥內(nèi)徑為1.6 m，設(shè)計可以承受825 m水頭，包含40%的水錘作用。下游閘門可以承受74 m反向水頭。可以克服排泄水頭49.3 m實現(xiàn)關(guān)閉。機組結(jié)構(gòu)采用3個導(dǎo)軸承(發(fā)電機上、下部和水輪機)和1個放在發(fā)電機上部的推力軸承。

4臺立軸發(fā)電電動機為同步三相型，帶有1個靜態(tài)饋電器、凸極轉(zhuǎn)子和星形繞線的定子。額定功率為230MVA，額定電壓為14.5 kV，同步轉(zhuǎn)速為600r/min。

發(fā)電電動機按設(shè)計可作下列情況運行:

(1)直接連接到電網(wǎng)作為發(fā)電機運行。

(2)作為同步啟動的發(fā)電機，向拉穆埃拉Ⅰ號電動機供電。

(3)作為同步啟動的發(fā)電機，向拉穆埃拉Ⅱ號其他電動機供電。

(4)作為與電網(wǎng)連接的電動機，在拉穆埃拉Ⅱ號其他機組牽動下同步啟動。

新主變的高壓側(cè)已用400kV單極電纜與變電站相應(yīng)部分相連，拉穆埃拉Ⅱ號電站的400kV雙母線變電站已經(jīng)延伸4個新的部位與新機組相對應(yīng)。這樣的延伸在修建拉穆埃拉Ⅰ號電站時已經(jīng)預(yù)見到。