法國(guó)拉克努瓦爾抽水蓄能電站的改造

[法]A.拉庫(kù)爾

馬元珽 譯自英刊《水電與大壩》2009年第5期

拉克努瓦爾電站位于法國(guó)東部孚日山脈,是法國(guó)第1座抽水蓄能電站。下庫(kù)為努瓦爾湖,上庫(kù)為勃朗湖。從1939年投入運(yùn)行以來(lái),直到1991年需對(duì)其機(jī)電設(shè)備進(jìn)行修復(fù)時(shí),該電站一直處于運(yùn)行狀態(tài)。1991～2002年,對(duì)電站實(shí)施了修復(fù)工程。2002年7月,發(fā)電廠房因遭遇洪水而受損,下游尾水管襯砌也受到破壞,此后電站一直停用。

1 電站概況

原抽水蓄能電站具有如下特性:

(1)4臺(tái)20MVA的三位一體的抽水蓄能機(jī)組;

(2)額定流量為100m3/s;

(3)最大毛水頭為125.4 m。

上庫(kù)進(jìn)水口(圖1)設(shè)計(jì)有2個(gè)平行的開口(長(zhǎng)7m,高8.5m),流量為2×50m3/s,配備2個(gè)攔污柵,向2條廊道引水。

攔污柵由7塊相同的板組成,采用螺栓連接。1998年,采用相同型號(hào)的攔污柵進(jìn)行了更換。

2條廊道(右岸和左岸)從進(jìn)口的正方形斷面過(guò)渡到主閘門室處直徑為 3.2 m的圓形斷面。原先,2條廊道都配備有2個(gè)直徑為 3.2m、串聯(lián)布置的蝶閥。

圖1 原進(jìn)水口橫斷面

上游閥門用作安全閘門,閘板裝配在水平軸上。下游閥門用作主閘門,閘板裝配在垂直軸上。由于運(yùn)行中出現(xiàn)了嚴(yán)重的振動(dòng)問(wèn)題,因此,在20世紀(jì) 90年代,不得不拆除安全閘門的閘板,只保留閘門本體。

在主閘門室下游,2條廊道會(huì)合成通向襯砌壓力井的主壓力隧洞。

沿勃朗湖湖邊道路,經(jīng)一座橋即可到達(dá)進(jìn)水口。交通廊道通向上部室和控制室,上部室內(nèi)安裝移動(dòng)起重機(jī),控制室內(nèi)安裝主閘門油壓控制系統(tǒng)和進(jìn)水口控制盤。從上部室經(jīng)籠梯向下,通過(guò)交通坑可至主閘門室。

2 更新方案

由于老電站已經(jīng)停用,某些重要部件將完全更換,事實(shí)上,將修建一座全新的抽水蓄能電站。但是,新電站將修復(fù)和重新使用老電站的水力系統(tǒng)。可利用的原有設(shè)施包括:

(1)上庫(kù)與下庫(kù);

(2)進(jìn)水口土建工程(將更換主閘門);

(3)整條水道(壓力隧洞、調(diào)壓井和襯砌壓力井)。

新電站計(jì)劃只安裝1臺(tái)機(jī)組,以代替原有的 4臺(tái)機(jī)組,新機(jī)組具有以下特性:

(1)機(jī)型為可逆混流式水泵水輪機(jī);

(2)額定功率為 62MVA;

(3)流量為 60m3/s;

(4)最大毛水頭為125.4m。

拉克努瓦爾抽水蓄能電站的更新工程也包括修復(fù)勃朗湖的進(jìn)水口及其附屬主閘門。

2.1 業(yè)主的要求和限制

業(yè)主的主要要求可歸結(jié)如下:

(1)攔污柵必須符合法國(guó)電力公司(EDF)的最新標(biāo)準(zhǔn);

(2)主閘門的一般性維護(hù)必須能在任何水位下進(jìn)行,而不需要使用疊梁;

(3)對(duì)于需要使用疊梁的特殊維護(hù),運(yùn)行人員必須能安裝疊梁而不需取走攔污柵的柵欄。

工程還包括許多挑戰(zhàn)性的限制。首先將保留進(jìn)水口的疊梁,因?yàn)榀B梁上部不是水密的,重要的是,在使用疊梁時(shí)水位必須保持在疊梁頂部以下。冬季極其嚴(yán)寒的氣候條件是另一個(gè)挑戰(zhàn)。還有某些空間方面的限制,比如主閘門室、交通坑和有關(guān)通道非常狹窄。此外,進(jìn)水口的單梁吊車必須能夠承載攔污柵(最大載荷2 t),橋梁的工作載荷限制為14 t。

2.2 建議的解決辦法

電站流量從原來(lái)的100m3/s下降到 60m3/s,將封閉右岸廊道及其開口。可在上游和下游用混凝土堵頭來(lái)封閉,下游混凝土堵頭也將用作左岸廊道和主進(jìn)水廊道之間的水力聯(lián)結(jié)。

將修復(fù)左岸攔污柵,使其設(shè)計(jì)符合新的流量 60m3/s的要求,并遵守 EDF關(guān)于可能導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p壞的水動(dòng)力影響的要求。

針對(duì)各種目的和限制,提出了下列解決辦法:

(1)拆卸主閘門室(左岸和右岸)的蝶閥和廊道部分。

(2)在交通坑底部,將安裝一扇矩形斷面和上游止水的定輪閘門。該閘門將由一個(gè)布置在上部室中的液壓缸和一套 6個(gè)升降桿驅(qū)動(dòng)。

(3)在正常運(yùn)行期間,主閘門室和交通坑將被淹沒。當(dāng)主閘門關(guān)閉時(shí),交通坑將用作空氣閥。

(4)在對(duì)交通坑、閘門下游側(cè)和下游水道進(jìn)行檢查與維修期間,簡(jiǎn)單地封閉閘門,排干廊道。

(5)對(duì)于一般性維修和全面檢查,將閘門提起,擺放在上部室內(nèi)的檢查區(qū)域。這將通過(guò)拆卸液壓缸和升降桿逐步進(jìn)行,采用新的上部室單梁吊車運(yùn)輸。

在不過(guò)度降低勃朗湖水位的情況下,這些設(shè)計(jì)特性也將使執(zhí)行一般性維修成為可能,由于天然供水很少,從需要對(duì)庫(kù)容進(jìn)行精心管理的角度來(lái)說(shuō),這是一大優(yōu)點(diǎn)。

該設(shè)計(jì)也意味著維修工作無(wú)需進(jìn)入到交通坑和閘門室去進(jìn)行。

3 攔污柵和疊梁

3.1 主要特性

新攔污柵由7個(gè)結(jié)構(gòu)相同但又各自獨(dú)立的柵欄構(gòu)成,每個(gè)柵欄寬1 m,重1.1 t,有19個(gè)柵隔,間距為 40mm,橫斷面為15mm×50mm,由一套緊固螺栓連接。這種布置可以避免遭受水動(dòng)力破壞的風(fēng)險(xiǎn),并將水頭損失限制在可接受的水平。

所有柵欄用螺栓緊固到支持構(gòu)架上,支持構(gòu)架設(shè)計(jì)為能承受所有的載荷(攔污柵重量、水頭損失和冰推力)。支持構(gòu)架將包括 4根水力斷面梁,以提高斷面慣性。這 4根梁長(zhǎng)7m,兩端用灌漿填塞到邊墻中,可以承受全部的水推力。

隔板在攔污柵與疊梁之間形成15 mm的間隙,通過(guò)隔板疊梁將水推力直接傳遞到支持構(gòu)架上(圖2)。因?yàn)閿r污柵本身并不設(shè)計(jì)用于承受全部的水推力,所以疊梁的變形偏差必須保持在低于隔板的厚度,從而不會(huì)推撞攔污柵。

圖2 攔污柵斷面

3.2 實(shí)施挑戰(zhàn)

進(jìn)水口位于一個(gè)不太穩(wěn)定的懸崖下面。因此,必須用安全網(wǎng)加固懸崖。

另一個(gè)復(fù)雜因素是戶外工作將在受保護(hù)的山區(qū)進(jìn)行。氣候與自然環(huán)境的限制對(duì)施工工期有明顯的影響。例如,在雪完全融化之前,不能開始加固懸崖的工作。該懸崖是保護(hù)動(dòng)物鷹的棲息地,因此,重要的是不能影響或干擾其繁殖。這意味著在 6月底之前不能開始加固懸崖的工作。勃朗湖的水也需泄放到最低運(yùn)行水位,才允許安裝新攔污柵。最大的問(wèn)題是在第1場(chǎng)雪到來(lái)時(shí),戶外工作必須立即中斷。

4 主閘門

4.1 主要特性

如上所述,原先的兩扇閘門將用一扇定輪閘門替代。當(dāng)壓力井發(fā)生故障時(shí),主閘門能靠自重關(guān)閉,以保護(hù)水力系統(tǒng)和電站。交通坑用作空氣閥,將防止鋼板襯砌的壓力井和壓力隧洞的混凝土襯砌坍塌。主閘門具有如下設(shè)計(jì)特點(diǎn):

(1)矩形斷面。包括從圓形到矩形的過(guò)渡段的襯砌。

(2)上游水密性。可從閘門下游側(cè)調(diào)整密封墊及其預(yù)應(yīng)力機(jī)構(gòu)。

(3)抗腐蝕保護(hù)采用120μm厚的鋅鋁合金層,再涂 3層500μm厚的油漆。

(4)主閘門將由一個(gè)配有6個(gè)升降桿的雙向作用的液壓缸驅(qū)動(dòng)。但是,如上所述,在管道爆裂情況下,主閘門將靠自重關(guān)閉,而不需任何外部能源。該設(shè)計(jì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)裝置總重約20t,包括12 t的配重。

(5)油壓控制系統(tǒng)采用可生物降解的 HEES油。

(6)主閘門設(shè)計(jì)包括一個(gè)旁路,用以在開啟閘門之前平衡閘門兩側(cè)的壓力。

在正常情況下(即閘門打開時(shí)),將淹沒交通坑,坑中水位與湖水位相同。將用新梯子替換原先的籠梯,這樣可到達(dá)閘門室和廊道。

為了保證在下游廊道中有干燥的工作區(qū)域,將用管子收集任何可能的漏水,并排入集水坑。

設(shè)計(jì)研究提供了暫態(tài)模擬,以證實(shí)在水泵方式運(yùn)行期間閘門關(guān)閉的情況下,決不會(huì)淹沒上部室,在這種情況下,交通坑的作用相當(dāng)于調(diào)壓井。

4.2 一般性維修

為了對(duì)主閘門體進(jìn)行一般性維修和檢查,運(yùn)行人員必須將閘門主體提升到上部室。將采用交通坑上方新上部室的單梁吊車和鎖錠,逐個(gè)拆下液壓缸和升降桿。當(dāng)拆卸和取下上部升降桿時(shí),采用鎖錠使閘門和其余升降桿保持到位。

在檢查區(qū)域,采用支持構(gòu)架將閘門保持在需要的位置,以執(zhí)行技術(shù)檢查和維修。

固定部件(導(dǎo)向槽、前止水和底檻)用不銹鋼制成。閘門密封墊和固定部件之間的接觸面也將磨光,以避免摩擦損壞。這種設(shè)計(jì)的目的是盡量減少固定部件的維修次數(shù)。實(shí)際上,只有在主閘門打開以及當(dāng)疊梁放在進(jìn)水口上時(shí),才能到達(dá)這些部位。

4.3 安 裝

在安裝新攔污柵(勃朗湖水位處于最低運(yùn)行水位)時(shí),采用一個(gè)臨時(shí)的鋼堵頭堵塞左岸廊道。在保持下游側(cè)工作區(qū)域干燥方便施工的同時(shí),該堵頭將允許勃朗湖充水。

在安裝新閘門和有關(guān)輔助設(shè)備之前,必須拆卸掉原先的設(shè)備。首先應(yīng)拆卸 4個(gè)蝶閥及其潤(rùn)滑油系統(tǒng)和控制盤。將拆除左岸廊道原先的襯砌,以便安裝從圓形到矩形的過(guò)渡段的襯砌。

通往閘門室的通道(橋、交通廊道和坑)非常狹窄,坑的直徑為 4.2 m、深 30m,橋?qū)拑H 3.6 m。

工程研究包括進(jìn)行運(yùn)輸模擬,以確定運(yùn)輸襯砌和閘門的適當(dāng)方式。考慮了橋的工作載荷限制問(wèn)題。

襯砌和閘門的各部件將在閘門室現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接。重新組裝之后,將進(jìn)行精密的計(jì)量檢查。

5 輔助設(shè)備

5.1 儀 表

(1)勃朗湖水位測(cè)量和閾值檢測(cè)。2個(gè)坑通過(guò)混凝土堵頭與勃朗湖相通。因此,即使是在排干廊道和坑的情況下,仍能進(jìn)行連續(xù)的水位測(cè)量。水位測(cè)量設(shè)備由直徑為 400mm的鋼管組成,包括 4個(gè)水位開關(guān)和2個(gè)水位傳感器。

流量開關(guān)記錄低水位和2個(gè)高水位。水位傳感器可進(jìn)行連續(xù)的水位測(cè)量,在低水位以及第1級(jí)高水位時(shí)發(fā)出信號(hào)。

(2)過(guò)速檢測(cè)。過(guò)速檢測(cè)裝置(由2個(gè)超聲波變送器組成)發(fā)出信號(hào),能關(guān)閉主閘門,以防水力系統(tǒng)和電站持續(xù)受到破壞。

5.2 起吊設(shè)備

(1)進(jìn)水口單梁吊車。將用一臺(tái)新的單梁吊車替代攔污柵上面的單梁吊車。為了吊運(yùn)攔污柵的柵欄,單梁吊車臨時(shí)配備了一個(gè)葫蘆。

(2)上部室起吊設(shè)備。上部室配備了一臺(tái)單梁吊車,能起吊帶配重和 6個(gè)升降桿的閘門,以便進(jìn)行安裝與維修。其工作載荷不得小于 30t。

上部室還配備有第2臺(tái)單梁吊車,以便起吊從交通廊道到控制室的輔助設(shè)備,如油壓控制系統(tǒng)、備用部件、控制盤等。

(3)閘門室單梁吊車。閘門室也配備有一臺(tái)單梁吊車,將運(yùn)輸一臺(tái)臨時(shí)排水泵到集水坑。

5.3 排水系統(tǒng)

在閘門室中工作時(shí),或在廊道或襯砌壓力井處進(jìn)行測(cè)量時(shí),集水坑將收集和排放任何通過(guò)閘門滲漏的水。為此,集水坑將臨時(shí)配備排水泵,并連接到帶有軟管的排水管。通過(guò)右岸混凝土堵頭,排水泵將水排到湖中。

5.4 工期和費(fèi)用

修復(fù)工程的進(jìn)度和預(yù)算分別見表1和表2。

表1 進(jìn)水口修復(fù)工程進(jìn)度

表2 進(jìn)水口修復(fù)工程預(yù)算