瑞士洪格林-萊蒙抽水蓄能電站的擴容

[瑞士] G. 米庫雷特 等

設計與施工

瑞士洪格林-萊蒙抽水蓄能電站的擴容

[瑞士] G. 米庫雷特 等

洪格林-萊蒙(Hongrin-Leman)抽水蓄能電站靠近瑞士蒙特勒地區(qū)，該工程目前正在進行重大的升級改造，將電站裝機容量從現有的240 MW提升至480 MW。介紹了改造工程研究的進展情況、擴容工程的施工條件、不同類型機組的布置方案比選，以及遇到的問題和挑戰(zhàn)。

抽水蓄能水電站；水電站擴容；水電站布置；瑞士

瑞士洪格林-萊蒙(Hongrin-Leman)水電站擴容工程又稱FMHL+項目，主要目的是提升洪格林-萊蒙電站的現有發(fā)電能力。該電站20世紀70年代初期的裝機容量為240 MW，通過擴容工程將提升至480 MW。

擴容工程將修建新的地下電站。新電站通過連接現有的壓力管道和尾水渠，融入現有水道之中，該水道位于洪格林上游的湖泊水庫(高程1 255 m時庫容達5 200萬m3)和日內瓦湖(高程約372 m)之間?，F有電站裝有4臺60 MW的串聯式機組，擴容項目在此基礎上，新增加了240 MW的裝機容量(包括60 MW的預留裝機容量)，通過在每個洞室增裝1臺裝機容量120 MW的串聯式機組(共計兩臺)來實現。

FMHL(Forces Motrices Hongrin-Leman SA)是該工程的業(yè)主方。瑞士艾匹克公司(Alpiq Suisse SA)作為業(yè)主代表，全權負責監(jiān)理FMHL+項目的研究和實施。

1 工程概況

歐洲地區(qū)對于新能源(主要是太陽能和風能)的需求與日俱增，要求有更多的電力儲備和更高效靈活的電網。抽水蓄能式電站是調節(jié)電網并獲得更多電力儲備最有效的方法之一。早在2007年，FMHL就決定對維圖克斯(Veytaux)抽水蓄能電站進行擴容，以為將來的改擴建工作做準備。圖1為該工程的總體布局。工程位于瑞士西部蒙特勒(Montreux)市附近的日內瓦湖。

圖1 電站總體布置

1.1 維圖克斯一期電站

洪格林-萊蒙抽水蓄能電站于1971年完工，目前由FMHL運行。該電站通過已有的地下廠房(即維圖克斯一期電站)在上游的洪格林水庫和下游的日內瓦湖之間實現了最大可利用水頭達878 m。洪格林電站建有2座壩高分別為125 m和90 m的拱壩，如圖2所示。

圖2 洪格林水庫及2座拱壩

電站初期由4臺臥軸式水泵水輪機組組成，總裝機容量為240 MW，如圖3所示。在電力需求淡季，將下游的日內瓦湖水以最大流量24 m3/s抽至上庫。用電高峰期時，再能以最大流量32 m3/s下泄，驅動水輪發(fā)電機組發(fā)電。水電站和日內瓦湖之間通過長200 m的地下渠道連接。

圖3 一期電站內部

1.2 FMHL+擴容項目

FMHL+擴容項目通過在維圖克斯一期電站洞室旁新建1個地下洞室，使電站擴容至初期裝機容量的2倍，并采取兩種極端變換方式，實現了能源在發(fā)電和抽水兩種模式之間的轉換。新增2臺立軸式水泵水輪機組，使總裝機容量達到了480 MW，其中420 MW是正常運行模式，另有60 MW作為備用。這樣的設計，使電站在發(fā)電高峰期擁有了更多靈活性，為瑞士西部地區(qū)供電起到了重要作用，同時也進一步平衡了能源供需，滿足歐洲及瑞士對可再生能源日益增長的需求。

新電站(維圖克斯二期，如圖4所示)主要是利用上游航道(引水隧洞和有壓管道)和下游水力系統(tǒng)(尾水渠和進水口)。現有引水隧洞長8 km，壓力井長1.4 km，發(fā)電流量和抽水流量分別可達到57 m3/s和43 m3/s。新的水力發(fā)電設備安裝在100 m×25 m×56 m(長×寬×高)的地下洞室中。采取傳統(tǒng)的鉆爆法開挖主洞室和廊道。主洞室開挖方量達9.4萬m3，而維圖克斯二期電站總開挖量也只有15萬m3(43 000 t)，混凝土澆筑量達3萬m3。

圖4 維圖克斯一期和新建電站項目總平面

升級改造項目的瞬態(tài)計算表明,現有的調壓井無法應對水體震蕩，因此，需要在壓力豎井上游端新修建1個高約170 m、內徑7.2 m的調壓井，位于現有調壓井上游不遠處。新修建的調壓井通過1條內徑2.2 m、長28.5 km的隧洞與引水隧洞相連。

1.3 新項目面臨的主要挑戰(zhàn)

新建電站與現有水道相連接，面臨的主要挑戰(zhàn)如下：

(1) 項目施工區(qū)域位于人口密集的城區(qū)，靠近公路橋、國際機場和國道，還臨近1座古堡。

(2) 在修建新項目的過程中，必須保證維圖克斯一期電站仍然能滿負荷運轉。特別是在新建項目與現有水道連接的過程中，必須盡量減少對發(fā)電的影響。

(3) 根據瞬態(tài)分析和過載保護來合理地選擇機組配置，并且要與現有的壓力井特征相匹配(尤其要考慮安全因素)。

為了使這一在人口密集復雜地區(qū)施工的項目通過審批，開展了專項研究。

該項目最主要的優(yōu)勢是無需修建1條新的水道，這一特點也決定了工程的機械配置。

2 施工區(qū)域和施工條件研究

2.1 地質和水文地質

2.1.1 地質研究

2008年，為了確定地質條件，進行了一系列的地質勘探工作。通過在電站周邊鉆孔的方式查明了電站兩側石灰?guī)r質量、巖土力學特性和滲透性。

同時，為了確定新開挖洞室的方向，采用水力壓裂法測試了巖石的應力狀態(tài)?，F場的應力監(jiān)測表明，新的洞室方向應與原有電站方向一致，這樣可以降低巖石應力，還能有效利用主洞的頂拱效應。

雖然在維圖克斯一期工程周邊進行了地質勘探，但對新調壓井周邊地質環(huán)境的勘測卻無法開展。這是因為調壓井正好位于涌泉保護區(qū)內，在沒有特別許可的情況下，不允許進行任何形式的地質勘探。因此，在項目正式通過審批之前，在該區(qū)域無法進行地質鉆探工作。

2.1.2 水文地質研究

由于連接有蓄能泵的串聯式機組(見圖4)垂向布置于日內瓦湖面25 m以下，因此在新建主洞周邊需設置防滲帷幕。在2008年的地質勘探中，使用了3個測壓計對巖石的自然滲透性進行了評估。

新建調壓室位于發(fā)電機上方1 000 m處，處在保護區(qū)范圍內，是最大的水文地質問題。FMHL的水文地質研究表明，由于地下水流的作用，泉水存在一定的被沉積物污染的風險。為了減小這種風險并防止水從廊道或調壓井滲入地下，FMHL決定在新調壓井和連接廊道內用鋼板襯砌。由于該地區(qū)飲用水事關國家利益，FMHL與地方政府以及位于瑞士首都伯爾尼的國家相關部門共同探討了該區(qū)域的水文地質研究情況及結果。

此外，FMHL還與泉水的管理方達成了一項特別協(xié)議，對泉水產生的破壞進行補償。在施工過程中，將會及時采用當前最新的保護系統(tǒng)，如雙底蓄槽，并開辟專區(qū)儲存和卸載原油、柴油。

2.2 交通道路研究

正如前文所述，現有的維圖克斯電站位于人口密集地區(qū)，且有1條國道從電站道路穿過。修建如此大規(guī)模的工程會給該地區(qū)增加大量的交通運輸壓力。最初預計將有20 000輛卡車的運輸量，日平均運輸量為70輛，高峰時日平均運輸量可達120輛?？ㄜ囍饕沁\輸開挖料和工程所需的混凝土。此外，有時還需大型車輛將發(fā)電和機電設備運到施工現場。

圖5 開挖料的運輸

為了降低現場施工對當地交通的影響，FMHL研究了2套交通方案(見圖5)。第一方案考慮通過水路(湖泊)將開挖料運走。該方案在道路上方修建1條傳輸帶、1條鐵路和1個碼頭，將開挖料裝上船，然后將其倒入日內瓦湖中，填充前期地質勘探開挖的鉆孔。另一方案是通過鐵路運輸系統(tǒng)將開挖料運走(見圖5)。對第二個方案中載重40 t的汽車通過國內公路網運輸開挖料進行了評估。

模擬結果表明，在高峰期，每天運輸的卡車數量最多達120輛，對現有交通的影響有限。因此選擇了公路運輸方案。同時，考慮專門修建1條環(huán)形通道，使卡車融入當地日常交通的方案。最終沒有采用這種方案，而是設置卡車等待區(qū)并增加1組交通指示燈(紅綠燈)。估算表明，現場施工的交通運輸對當地交通運輸的影響約0.5%。

所有開挖料全部運至距離施工現場 4.2 km的卡里埃阿瓦爾(Carriere Arvel SA)采石場。開挖料被加工成碎石和砂，用作電站所需混凝土的砂石料，多余的開挖料被采石場運至其他工地使用。

2.3 臨近基礎設施振動研究

在運行中的電站以及繁忙交通橋橋墩附近開挖主洞室和廠房具有巨大的挑戰(zhàn)性。在20世紀70年代一期電站建成時，公路橋就在施工中。2008年新建工程施工時，因采用鉆爆法開挖引起公路橋橋墩振動。然而，考慮到巖石硬度，也只能采用鉆爆法進行開挖。

2.3.1 現場勘查

為了評估、監(jiān)測并降低鉆爆法開挖對現有公路橋的基礎和已有電站的影響，開展了一些專項勘查和研究，例如研究不同鉆爆方法的開挖效果。

早在2008年，在距離公路橋基礎和電站15.0～50.0 m范圍的廊道中進行了7次爆破試驗。地質學家和一組結構工程方面的專家對這幾次控制性爆破試驗產生的振動數據進行了采集和分析。同時，也將此次勘測研究成果提交給了高速公路管理機構的代表共同討論。討論的結果是鉆爆法施工可行。同時，建議在施工期間采用1套監(jiān)測系統(tǒng)對產生的振動數據進行采集、分析及反饋。通過與公路方的專家和代表進行深入研究之后，雙方終于對維圖克斯二期工程的建設達成了一致。

2.3.2 鉆爆法施工影響監(jiān)測與控制

施工期間建立了1套監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由振動傳感器網絡構成，這些振動傳感器被安放在橋基、橋面以及現有電站的相關設備周圍，如圖6所示。所有的傳感器均與中央機組相連接，蜂窩網絡將振動監(jiān)測激活并發(fā)送給負責振動分析的專家。每次爆破之后，可以通過該監(jiān)測系統(tǒng)對鉆爆法進行相應調整。

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)的分布

考慮到公路橋的結構，施工方和公路橋代表達成一致，將振動速度6.0 mm/s，頻率低于60 Hz作為參考值。同時參照瑞士相關國家規(guī)范，規(guī)定振動速度絕對最大值為12.0 mm/s，頻率低于60 Hz。

在施工現場，通過調整爆破參數對爆破振動進行控制。每一個鉆孔安放了4.2 kg的炸藥，可以將爆破后振動速度控制在6.0 mm/s以下。此外，如果有必要，可以將炮孔長度從3.0 m降至1.5 m，甚至在一些特殊情況下，可分兩個階段對開挖面進行開挖。

正式開挖前的準備工作包括公路代表方開展的探索性試驗及最終達成的一致性意見，可以保證施工期間的各項工作安全、順利開展。在整個開挖施工期間，僅監(jiān)測到有少數點的振動速度超過了6.0 mm/s，但這也遠低于最大振動速度的絕對值。

2.4 項目獲批

最終的環(huán)評報告包括所有的勘測成果和環(huán)境影響評估，作為驗收程序的一部分。通過與當地政府、國家政府和環(huán)境部門的代表共同開展的初步研究、探索性試驗及細致的討論，FMHL擴容項目得以順利獲批。

3 相關研究

工程師分3個階段確定了電站的機組布置和裝機擴容量，并且考慮了現有電站的限制條件。以下將根據瞬態(tài)分析報告，對機組布置方案的選擇進行介紹。

3.1 技術評估

根據下列參數列出全部的技術方案：擴容180 MW或240 MW；機組數量1～4臺，每臺機組的容量為45～240 MW不等。

首先考慮所有可能的機組布置方案，如可逆式機組(無動力調整的多級可逆式機組、動力可調的單極或兩級可逆式抽水蓄能機組)，或者是在不同洞室中布置串聯式機組或單獨的水泵及水輪機。

在已確定的146個方案中，有96個在技術上可行。在這一階段，確定電站擴容量為240 MW。鑒于現有維圖克斯一期電站的使用年限，并考慮在不遠的將來，該電站機組將進行維修，因此將容量提高至240 MW，則機組運行便有更大的靈活性。

3.2 方案比選

通過制定多項評價指標，對96種可選方案進行評估，最后挑選出了11種可行方案，考慮到現有調壓井的過載保護標準，這些方案均能保證最佳收益率。

在這一階段，將與主要設備供應商開展技術討論，并對工程進行實地考察。

3.3 根據瞬態(tài)分析選擇最佳方案

綜合考慮收益率等因素，確定最優(yōu)方案的原則是必須與現有調壓井的要求相匹配。調壓井的過載限制如下文述。為了確保精度，要求根據最新的數據(來源于蓄能泵或者混流式水輪機的S曲線)進行瞬態(tài)分析，以評估在案例中的超載狀態(tài)。

同時，業(yè)主聯系了主要供應商，要求其提供設備的相關特性數據，以供計算機模擬使用?？紤]到不同供應商對這些數據的認知和相關經驗，FMHL與每個供應商均簽署了保密協(xié)議，并請位于洛桑的瑞士聯邦理工學院(EPFL)的水力機械實驗室在這一階段提供相關支持。

瞬態(tài)分析的結果表明，兩級可逆式機組在特殊情況和突發(fā)情況下會分別產生18%和30%的超載現象，其他方案均滿足超載標準要求。通過瞬態(tài)分析并結合電站運行特點，如對電網的維護和服務能力等，最終決定采納裝機容量為120 MW的串聯式機組方案，其中采用1臺沖擊式水輪機和一個五級蓄能泵。

4 工程大事記

該工程于2011年3月7日正式開工，2014年1月31日完成全部開挖工作，2014年10月完成預埋件的混凝土澆筑和安裝工作。

2014年10月至2015年9月，主洞室中安裝水力機械設備，2015年9月開始安裝機電設備。2016年3月底開始了發(fā)電機的調試工作，5月25日第一臺機組首次并網發(fā)電，最大容量已經達到了118 MW，6月23日正式開始以抽水模式運行，第二臺機組在2016年的8月11日并網發(fā)電。

譚峰屹 郭 佳 譯

(編輯：李 慧)

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2017-01-15

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