國外水電站續(xù)建項(xiàng)目設(shè)計(jì)探析
——以尼日利亞達(dá)丁卡瓦水電站續(xù)建總承包項(xiàng)目為例

沈源國，張寶勇，祝景東

(中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概 述

在國外，特別是非洲，建設(shè)部分未完最終無法發(fā)電的半拉子水電項(xiàng)目很多，筆者調(diào)研接觸了不少類似項(xiàng)目，有大壩及廠房僅建了一部分而荒廢的；有大壩和引水系統(tǒng)完成，廠房未完的；有大壩已建成蓄水完成，廠房已經(jīng)結(jié)頂，但機(jī)電設(shè)備沒有采購的；有大壩和廠房及機(jī)電設(shè)備均已完成，但由于沒有送出線路而一直沒有發(fā)電的。不同項(xiàng)目的續(xù)建在難度和專業(yè)側(cè)重點(diǎn)等方面均有所不同，但一些需要關(guān)注的地方及方法還是類似的，本文以尼日利亞達(dá)丁卡瓦水電站的續(xù)建總包項(xiàng)目為例進(jìn)行介紹分析。

2 工程概況

尼日利亞達(dá)丁卡瓦水電站續(xù)建總承包項(xiàng)目位于尼日利亞東北部的拱北州，裝有2臺20 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，是筆者單位第一個帶運(yùn)維的國外水電總承包項(xiàng)目。大壩及擋水建筑物等均已于1986年基本完成并蓄水，廠房主體工程及金屬結(jié)構(gòu)部分工作也已基本完成，剩余機(jī)電設(shè)備及廠房主機(jī)段從尾水管到發(fā)電機(jī)層的二期混凝土、開關(guān)站、送出線路、尾水工程等未完成。原EPC總承包單位為奧地利的Voest Alpine公司,咨詢方為加拿大的Shaumont Montreal公司。

2013年9月和當(dāng)?shù)氐拈_發(fā)商簽訂該續(xù)建項(xiàng)目的EPC合同，2014年5月合同正式生效。續(xù)建項(xiàng)目內(nèi)容包括所有機(jī)電設(shè)備EPC(含水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速器、勵磁、主變及其他MBOP、EBOP設(shè)備)、水下清淤、廠房內(nèi)土建、下游尾水渠及兩岸邊坡的續(xù)建、進(jìn)場道路、開關(guān)站及132 kV送出線路的EPC以及10 a的運(yùn)維等。

本續(xù)建項(xiàng)目地處博科圣地活躍的尼日利亞拱北州，瘧疾嚴(yán)重、物資匱乏、項(xiàng)目涉及工程范圍廣、難度大、參與專業(yè)及分包商眾多、協(xié)調(diào)組織不易，總體實(shí)施難度較大。

續(xù)建項(xiàng)目由于戰(zhàn)恐及業(yè)主資金問題，中間有兩次暫停，但通過良好的全過程把控，最終于2019年12月30日2臺機(jī)組調(diào)試完成；2020年1月7日收到業(yè)主發(fā)放的TOC，受到業(yè)主的高度評價(jià)；同時(shí)項(xiàng)目也創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

筆者曾經(jīng)考察過非洲、東南亞及中美洲部分國家的部分水電站，發(fā)現(xiàn)國外很多水電站的設(shè)計(jì)布置相對比較緊湊，沒有像國內(nèi)大多數(shù)電站那樣布置中規(guī)中矩，部分機(jī)型選擇也很有特點(diǎn)，如有采用雙轉(zhuǎn)輪雙尾水管機(jī)型的，有水輪機(jī)帶2臺發(fā)電機(jī)的；有不設(shè)水輪機(jī)層及發(fā)電機(jī)層，直接在蝸殼層上部通過鋼制機(jī)坑將水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)置于鋼制機(jī)坑內(nèi)的(即孤島式廠房布置形式)；有不設(shè)安裝場的；有不設(shè)輔助用房的；等等。

國外實(shí)施工程更多的是采用EPC的模式， EPC承包商千方百計(jì)通過設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，減少工程量，從而減少成本，創(chuàng)造企業(yè)效益，所以很多設(shè)計(jì)并不規(guī)整，空間也更緊湊局迫。而國內(nèi)的設(shè)計(jì)大多是業(yè)主專門委托設(shè)計(jì)院進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)費(fèi)的收取和項(xiàng)目總投資直接相關(guān)，缺少優(yōu)化的動力；而且進(jìn)行非常規(guī)的布置和優(yōu)化，會增加設(shè)計(jì)的難度和工作量，并承擔(dān)更多出錯的風(fēng)險(xiǎn)，建設(shè)完成后過于緊湊及不規(guī)整的布局也不太容易受到業(yè)主接受。

尼日利亞達(dá)丁卡瓦水電站原設(shè)計(jì)相對還比較常規(guī)，但也有自己的部分特點(diǎn)：

(1)廠房地坪以上采用鋼結(jié)構(gòu)廠房。由于非洲的磚頭質(zhì)量較差，混凝土成本高，為節(jié)約成本、加快工期、提高質(zhì)量等，非洲的很多水電站從20世紀(jì)70年代起就非常普遍地采用鋼結(jié)構(gòu)廠房。相對國內(nèi)水電站鋼結(jié)構(gòu)廠房使用的比例就不高，近十來年慢慢有部分使用；但隨著國內(nèi)裝配式廠房的推廣，鋼結(jié)構(gòu)廠房應(yīng)該會有增多的趨勢。

該鋼結(jié)構(gòu)廠房原先未考慮開窗等，樓梯布局考慮也不夠合理。墻體為內(nèi)外兩層波紋鐵皮，內(nèi)加保溫泡沫材料，在墻體上重新開窗、開孔后對外觀影響較大。

(2)2臺機(jī)組蝸殼布置角度不一致，和X軸角度分別為75°和-75°。電站2臺機(jī)組為一管一機(jī)布置，引水鋼管直徑4.25 m。為了節(jié)省壓力鋼管施工過程中的開挖和回填、澆筑工程量，2條鋼管平行布置，間距只有5.45 m。由于2臺機(jī)組間距為12.5 m，在接近廠房時(shí)，2臺鋼管成“八”字形和2臺機(jī)組蝸殼連接，造成2臺機(jī)組蝸殼布置角度和X軸分別為75°和-75°，2臺機(jī)組水輪機(jī)成非一致布置。

(3)橋機(jī)軌頂?shù)桨惭b場的高程差偏小，給大件設(shè)備的卸貨、安裝吊裝等造成極大困難。原設(shè)計(jì)可能純粹為了節(jié)省鋼結(jié)構(gòu)廠房的造價(jià)，沒有仔細(xì)考慮大件的吊裝尺寸，主鉤極限位置到安裝場的距離只有4.6 m，按常規(guī)根本無法滿足大件設(shè)備的卸貨和吊裝要求。如在考察時(shí)沒有注意到這一點(diǎn)，大件設(shè)備到現(xiàn)場將無法正常卸貨及吊裝。

(4)尾水閘門起吊葫蘆高度不夠。原電站設(shè)計(jì)2臺機(jī)組共用1臺機(jī)組的2扇尾水閘門，在另一臺機(jī)組需要使用這2扇尾水閘門時(shí)，需要將尾水閘門從這臺機(jī)組的閘門門槽中吊出，通過上部可移動電動葫蘆移到另一臺機(jī)組。但原設(shè)計(jì)葫蘆位置偏低，約0.1 m，造成閘門無法從門槽中吊出。從現(xiàn)場情況看，由于是設(shè)計(jì)缺陷，葫蘆沒有抬高的處理辦法，非常被動。

(5)原主變基礎(chǔ)問題。原主變基礎(chǔ)已經(jīng)施工完成，但其方位布置和目前的開關(guān)站很難銜接，而且基礎(chǔ)尺寸偏小太多，間距也嚴(yán)重不足，通道、消防無法滿足規(guī)范。本次設(shè)計(jì)根據(jù)出線方位及新的主變尺寸及規(guī)范對升壓站進(jìn)行了重新調(diào)整布置。

4 設(shè)計(jì)重點(diǎn)難點(diǎn)分析

由于本項(xiàng)目為續(xù)建項(xiàng)目，且存在部分設(shè)備的修復(fù)改造，涉及專業(yè)及設(shè)備眾多，接口界面復(fù)雜，如果設(shè)計(jì)考慮不到位，等到了在物資供應(yīng)及各方面條件都很惡劣的尼日利亞東北部現(xiàn)場，其處理解決問題的難度及代價(jià)都將是非常巨大的。本項(xiàng)目盡管實(shí)施難度很大，但由于項(xiàng)目管控到位，設(shè)計(jì)、采購、發(fā)貨、現(xiàn)場施工、安裝調(diào)試等都還比較順利。很大原因也在于在設(shè)計(jì)前期和設(shè)計(jì)過程中關(guān)注到了以上原先的一些設(shè)計(jì)不足并很好地把握住了以下一些重點(diǎn)和難點(diǎn)。

4.1 前期考察、測量、搜資

對續(xù)建項(xiàng)目，充分了解現(xiàn)場條件，了解現(xiàn)場的各種接口、尺寸、設(shè)備情況是必不可少的，并需要第一時(shí)間進(jìn)行策劃安排。現(xiàn)場的考察團(tuán)隊(duì)一般由項(xiàng)目主要管理人員、主要設(shè)計(jì)人員、測量人員(如需要還需安排地質(zhì)專業(yè))組成。為了保證考察效果，在出行前各專業(yè)分別進(jìn)行策劃，提出詳細(xì)的考察搜資清單、重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)、需要測量的尺寸等，并進(jìn)行評審，然后由項(xiàng)目進(jìn)行總體把控。到現(xiàn)場后也根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，一起進(jìn)行分析討論，盡量不出現(xiàn)缺漏和偏差。

4.2 機(jī)組增容

原電站設(shè)計(jì)單機(jī)容量為17 MVA，現(xiàn)在根據(jù)合同要求，機(jī)組單機(jī)容量需增加到20 MW(23.5 MVA)，增容比例巨大，達(dá)38.2%。而且由于原引水鋼管、尾水肘管及出口段部分已經(jīng)施工完成，機(jī)組中心已經(jīng)確定，機(jī)組的增容選型需在此基礎(chǔ)上，應(yīng)綜合考慮流道的銜接影響、大預(yù)留機(jī)坑尺寸限制，氣蝕性能的影響等。

4.3 廠房橋機(jī)高度不足

本電站廠房內(nèi)原先已經(jīng)配有1臺110/25 t的橋機(jī)，但由于原先設(shè)計(jì)廠房較低，軌頂高程偏低，主鉤到安裝場地面的最大距離只有4.6 m。本項(xiàng)目水輪機(jī)型號為HL—LJ—315，發(fā)電機(jī)型號為SF20—40/6200，雖然機(jī)組容量不大，但由于水頭低，機(jī)組轉(zhuǎn)速低，尺寸大。按常規(guī)考慮，根據(jù)其主鉤極限尺寸，大件設(shè)備的卸貨、吊裝均無法滿足要求。因此在機(jī)組招標(biāo)及評標(biāo)過程中，對重大設(shè)備的起吊，要求廠家根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，提供特殊起吊工裝，工裝是否合適作為滿足招標(biāo)文件的條件之一。在設(shè)備卸貨及安裝過程中，也對發(fā)貨的平板車高度(車板高度不超過1.1 m)及安裝工序等都作了重點(diǎn)關(guān)注安排。

4.4 橋機(jī)和原有金結(jié)設(shè)備的改造

原橋機(jī)于1987年安裝后一直沒有通電運(yùn)行，電氣設(shè)備老化，機(jī)械設(shè)備可靠情況不明。原有進(jìn)水口檢修閘門、事故閘門、尾水檢修閘門于1986年安裝后一直沒有動作，閘門本體在水下狀況不明，門機(jī)及啟閉設(shè)備電氣控制部分老化嚴(yán)重；泄水底孔弧門一直全開泄水，啟閉設(shè)備及密封性能不明。

針對現(xiàn)場情況，在初步確定橋機(jī)及金結(jié)改造設(shè)備供貨廠家后，項(xiàng)目安排廠家技術(shù)人員、安裝人員一起前往工地進(jìn)行檢查搜資，根據(jù)需要對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行拆卸、檢查、測量；然后一起明確具體的改造更換范圍及方案。金屬結(jié)構(gòu)的更換和維修方案需分水上、水下部分，盡量考慮完全可靠，考慮到各種可能性及經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)現(xiàn)場考察情況，基本上明確對橋機(jī)及金結(jié)設(shè)備的電氣設(shè)備進(jìn)行全部更換；橋機(jī)的電機(jī)可靠性較差，進(jìn)行更換，主鉤電機(jī)改為變頻電機(jī)，司機(jī)室進(jìn)行整體更換；各種電動葫蘆進(jìn)行整體更換，各閘門本體基本情況較好，提供更換密封件及緊固件等；攔污柵更換起吊鏈條并提供電動葫蘆及其環(huán)形固定吊架等。

4.5 和原先的基礎(chǔ)、開孔及設(shè)備等的接口問題

(1) 和原流道的銜接，特別是尾水出口段和引水鋼管部分。由于原2臺機(jī)組預(yù)留引水鋼管出口和機(jī)組X軸分別存在不同的夾角，現(xiàn)場測量也難免存在部分誤差，在設(shè)計(jì)時(shí)和蝸殼的進(jìn)水段考慮了用湊合段進(jìn)行銜接，并預(yù)留了200 mm的現(xiàn)場配割余量。在機(jī)組的選型和效率修正方面也充分考慮了和原先流道銜接的影響。

(2) 經(jīng)過30多年的發(fā)展，目前新的自動化要求及電站電氣設(shè)備和原先的設(shè)計(jì)布置差別較大，原先屏柜布置的電纜開孔大多無法使用。在具體的電氣設(shè)計(jì)過程中，屏柜布置原則上和廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配合，在兼顧電纜走向、周邊通道及樓梯的影響外，盡量考慮利用原先的開孔，減少新開孔洞，以免影響樓板強(qiáng)度，減少新開孔及老孔封堵的工作量。

(3) 電站往下游的排水孔不合理，尾水出口測壓頭未預(yù)埋等，部分原預(yù)埋的水機(jī)管路和電纜套管有缺失或被堵塞等現(xiàn)象；設(shè)計(jì)需針對具體情況，提出適合的解決方案。

(4) 原先電站未考慮通風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)。由于通風(fēng)系統(tǒng)相對風(fēng)管尺寸較大，設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場情況，和土建、電氣專業(yè)一起，確定最優(yōu)的通風(fēng)系統(tǒng)走向，盡量減少現(xiàn)場開孔數(shù)量。

4.6 尾水錐管悶板設(shè)計(jì)

由于電站原只設(shè)計(jì)了1臺機(jī)的尾水閘門。為了保證現(xiàn)場僅有的1臺機(jī)組尾水閘門用于1號機(jī)組有水調(diào)試的時(shí)候，不影響2號機(jī)的安裝及調(diào)試，設(shè)計(jì)考慮要求主機(jī)廠在2號機(jī)組尾水錐管底部設(shè)1塊帶進(jìn)人門的悶板。該悶板需要有足夠的強(qiáng)度和剛度，在2號機(jī)組無水調(diào)試結(jié)束，尾水閘門落下封水成功后，切除該悶板。

4.7 升壓站布置

原電站升壓站主變基礎(chǔ)偏小，間距及布置方位也不合理。設(shè)計(jì)針對出線方位及主變尺寸，結(jié)合規(guī)范要求及現(xiàn)場情況，將升壓站進(jìn)行了重新調(diào)整布置。由于場地限制，如何擴(kuò)展升壓站場地、如何保證升壓站特別是主變處的沉降，水工和電氣設(shè)計(jì)進(jìn)行了多次專題研究策劃，很好地保證了最終的整體質(zhì)量。

4.8 上游流道清淤

原先合同中沒有關(guān)于上游流道清淤的項(xiàng)目。實(shí)際上由于機(jī)組上游流道工作閘門一直處于擋水工況，經(jīng)過30余年，必然存在大量淤積。項(xiàng)目在進(jìn)場時(shí)意識到此問題，經(jīng)過和業(yè)主溝通，進(jìn)行了初步的水下探摸?；敬_認(rèn)，上游閘門前流道內(nèi)存在2～3 m的淤積，如果不進(jìn)行清淤，將造成工作閘門無法提升，并在試運(yùn)行時(shí)危及機(jī)組的安全。項(xiàng)目最終安排國內(nèi)專業(yè)隊(duì)伍，在機(jī)組調(diào)試前對上游流道進(jìn)行了水下清淤。

4.9 下游水位及尾水疏浚

本項(xiàng)目根據(jù)原先的尾水渠流道，對下游尾水渠及兩岸邊坡進(jìn)行了混凝土施工，但由于尾水渠下游河道多年淤積，造成實(shí)際尾水位比設(shè)計(jì)抬高約1.5 m。由于本電站水頭相對較低(Hr=32 m)，在旱季時(shí)，尾水位的抬高對發(fā)電效益的響應(yīng)較大，需提醒業(yè)主擇機(jī)對尾水進(jìn)行疏浚。

5 結(jié) 語

水電站續(xù)建項(xiàng)目難度大，情況復(fù)雜，特別是部分電站由于年代久遠(yuǎn)，國外業(yè)主管理不到位，資料缺失嚴(yán)重。因此，需針對續(xù)建項(xiàng)目的具體情況，派遣有經(jīng)驗(yàn)的項(xiàng)目管理及設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，對電站進(jìn)行詳細(xì)的考察、測量、搜資。根據(jù)合同及現(xiàn)場情況進(jìn)行詳細(xì)的項(xiàng)目總體策劃及具體的專業(yè)策劃，盡量策劃到位、考慮全面，把控產(chǎn)品質(zhì)量，減少到現(xiàn)場后出現(xiàn)設(shè)備選型、接口布置及其他設(shè)計(jì)等問題。