葡萄牙上塔梅加工程的設計問題

[葡萄牙]A.R.阿羅約

胡衛東 譯自英刊《水電與大壩》2010年第5期

上塔梅加開發工程作為 PNBEPH的組成部分,由葡萄牙政府通過其國家水利研究所發起。2008年7月上塔梅加工程進行了國際招標,伊維爾德羅拉(Iberdrola)集團在 9月份中標。隨后,該集團開始著手上塔梅加工程的預設計及其環境影響評價。

1 工程概況

1.1 國家水電資源與大壩計劃

上塔梅加工程總體方案作為 PNBEPH組成部分是由葡萄牙政府事先確定的。水電開發項目的數目,大致位置及其布置已經確定,為今后工作的開展奠定了基礎。然而,對于指定的中標人還有大量的可變因素有待確定,例如,壩址準確位置與壩型、其水力線路的類型及布置(特別是塔梅加河支流上的水電站)、水電站的特征、變電站的位置、通往國家電網的輸電線路設計以及規劃的運行條件和水電資產的管理體制。

1.2 工程方案

在 4個開發項目的基本框架中(最初計劃的總裝機容量為 424 MW,其中包括抽水蓄能發電),考慮到留有一定的機動余地,伊維爾德羅拉集團集中全力進行了調整裝機容量的可行性研究。基于電力部門的經驗,要注重執行規范,并考慮水庫的運行條件和管理體制。

對河流水文特性以及西班牙和葡萄牙電力市場進行了再評價,隨后采取了戰略性決策,對最初 4個開發項目進行了重大調整。需要給該系統提供近900MW的抽水蓄能的裝機容量,以便穩定該系統電能供需之間的平衡。此外,決定在水頭最大的幾個開發項目上進行水電開發,諸如帕德羅塞洛斯(Padroselos)工程和古韋斯(Gouvaes)工程,這樣就有可能優化各開發項目的整體效率。

在招標中最終推薦的方案是在塔梅加河上建兩座電站,分別為上塔梅加電站和戴沃斯(Daivoes)電站,裝機容量分別為127 MW和118 MW,另外在塔梅加河兩條支流上也規劃了兩座抽水蓄能電站,即裝機容量為230MW的帕德羅塞洛斯電站和裝機容量為 660MW的古韋斯電站。

1.3 最終模型

在開發帕德羅塞洛斯工程時遭遇了環境上的嚴重挑戰。該工程因以下方面而顯得尤為重要:

(1)水庫蓄水量;

(2)水庫能夠進行多年調節;

(3)貝卡(Beca)河與塔梅加河的流量調節;

(4)該電站與古韋斯電站聯網能提供其他功能;

(5)利用來自貝卡河的流量發電。

放棄原計劃方案,就需要重新規劃。由于環境方面的要求,將這種模式重新調整為符合環境要求的替代方案。最終得出一折中方案,即將全部抽水蓄能裝機容量轉移到古韋斯電站。這導致了帕德羅塞洛斯開發工程所在支流天然能量的損失,對古韋斯抽水蓄能電站上庫和下庫(分別為古韋斯水庫和戴沃斯水庫)的運行水位進行了調整,加之其他因素,使上塔梅加電站的裝機容量有了增加。目前正在實施的系統最終布置如圖1所示。

圖1 上塔梅加開發工程的總體布置

該工程系統包括2項開發,一項是從塔梅加河上游到下游的梯級開發,依次為上塔梅加電站、戴沃斯電站,另一項為相配套的古韋斯抽水蓄能電站開發。該工程利用了戴沃斯水庫和通過在托爾諾河(塔梅加河左岸支流)上建壩形成的水庫分別作為抽水蓄能運行需要的上庫和下庫。

新推薦的布置方案將提供1154 MW的總裝機容量,其中包括抽水蓄能發電容量 880MW。按計劃,3座開發工程以聯合運用為基礎,可使塔梅加河及支流得到優化和一體化運用。

2 大 壩

2.1 壩址與規模

根據政府計劃,各座壩的壩址位置已大致確定。因為各座壩的壩址只能在有限的范圍內準確選擇,這排除了尋找可替代壩址的可能性。

考慮到一些新的需求,如河流運行的最小可用水量、滿足其他水用戶的需求(諸如當地的水量分配與灌溉)及受最高庫水位限制時,一些看似非常基本的問題都變得復雜起來。在這種限制情況下,由于投標計劃對每座水庫強加的具體水位極限,以及伊維爾德羅拉集團的工作方法,為避免該集團公司完成的工程會對社會與環境影響最小的承諾出現問題,因此采用了對于工程來說技術上可行的最低庫水位。

于是,盡管允許戴沃斯水庫具有250m的最高運行水位,但伊維爾德羅拉集團從未考慮使庫水位超過231 m,因為超過這一水位就會出現明顯的更大影響,由于淘汰了帕德羅塞洛斯工程,最終水位定為228 m,以最小可用水量作為保證古韋斯電站抽水的基本水量,并調整戴沃斯電站的水輪機流量和洪水演算裕度。這個限制使得將上塔梅加工程的位置選定在待開發河段的最低點變得很重要,以完成兩座水庫的銜接。

戴沃斯開發工程還涉及到另一個重要社會問題的評估,即與緊鄰大壩下游的釣魚區有關。目前正在研究維持釣魚區的可能方案,其中一個方案就是在戴沃斯壩下游建一座小壩,其高度可變,以適應釣魚比賽的要求,同時又保證水電站的運行條件和環境。

由于古韋斯和上塔梅加開發工程的影響受到更多的限制,已經對接近最高水位的幾種水位進行了分析,以保證在古韋斯電站(最高水位 895m,采用890m)的情況下,滿足周循環計劃內所需要的最小水量,并在上塔梅加電站(最高水位322m,采用 315 m)情況下,保證有足夠的可用水量對塔梅加河的流量進行調節,并且在最干旱的年份也可以向戴沃斯電站下游提供生態用水流量,同時力圖使對農業地區的不利影響最小。

各種情況下,在授權開發河段范圍內大壩的位置應盡可能靠近下游,這樣可以降低最高水位,同時維持水庫需要的庫容,還能達到其他目的,諸如最大限度地利用指定河段的有效水頭(戴沃斯電站)和縮短水力線路的長度(古韋斯電站)。在各種情況下,通過降低最低運行水位會得到同樣的效果,但是必須符合環境要求,并能與設備的合格性能基本保持一致。

2.2 壩型及其主要建筑物

壩型選擇不能不考慮河道截流。每一個壩址都可形成一種壩型方案,及壩型方案如何與電站其他建筑物關聯,包括電站與泄洪工程,至少應對所有的建筑物有一個初步的布局設想。但毫無疑問這些建筑物允許有與壩址相容的各種不同的布置方案。

在地形與截流特性允許,且其導流問題有合適的解決辦法時,一般來說,大壩的理想壩型方案是雙曲拱壩。上塔梅加壩址的情形就是這樣,該處有利的壩址地形條件,加上壩基具有相當大的承載能力和不透水性,使得有可能采用圖2所示的設計方案。經過分析,其他技術上可行的設計方案在經濟上都沒有競爭力。

圖2 上塔梅加壩剖面

在戴沃斯,雖然類似的解決方案看起來似乎很合適,但由于在緊靠壩址處匯入了貝卡河上游的水流,其需要下泄的水量遠大于上塔梅加,必須考慮其他設計方案,如重力拱壩。在戴沃斯修建雙曲拱壩的困難與壩內泄洪有關,某些方案(如選用隧洞或引渠)還在設計審查中,最終方案尚未確定。

在古韋斯,重力壩方案是可行的,因為它不受泄流能力限制,并且沒有在壩基處建大型廠房所強加的空間限制。初步規劃階段提出的方案是瀝青心墻土壩,但壩址特征允許考慮修建其他壩型的大壩,這個問題將在設計階段加以更加深入地分析。

3 水力線路

3.1 總體布置

由于戴沃斯和上塔梅加的電廠都位于大壩的基礎處,其水力系統就其布置和其他特征而言較為簡單。影響線路設計的最明顯的工程是古韋斯工程,因而,它在本文中最受關注。

從廣義上說,古韋斯電站水力線路的設計是從試圖使其總長度最小的基本準則出發的。從開頭就區分壓力隧洞段、尾水渠段和壓力鋼管段是有益的,它們受到的約束比上述那些工程要多得多,每米造價也昂貴得多,因為要承受高壓,所以需要非常厚的防護。

因而,粗略計算線路的費用后得出修建最短路線并不一定是最便宜的,必須計算不同的方案以確定最經濟的方案,通常情況下,最經濟方案便是在可承受高壓力的情況下使線路長度最短。

因此線路布置,就是試圖設計一種布置方案盡可能避開使地下和地表工程復雜化的地理特征,并盡可能減小對其他部分的影響,諸如水道、房屋以及通過合理修改布置加以避開的其他任何構造敏感處,并應考慮到增加管道長度對費用的影響會很敏感。

3.2 負荷損失

在水力線路中,特別注意了負荷損失的研究及其如何受各種不同管線段的直徑、增加水力線路長度和單個構件數量的影響。在古韋斯電站,這些變量中的微小變動都包括了負荷損失的差異,盡管從絕對值上來說很小,但是若按許可年限 65 a推算可得出相當大的運行小時數,因此損失總量仍很可觀。

確定不同管段最優直徑的研究目的是達到建設費用和每種直徑組合負荷損失的平衡。但是,這樣的研究要復雜得多,因為有必要使設計適應于與水力瞬變過程有關的其他因素,主要是與水流中斷機構的啟動時間密切相關的水錘引起的超高壓和低壓。因而,在古韋斯電站的特定情況下,立面布置必須修改,以防止線路中的特殊點位處出現不可容許的壓降。

將水力線路分成各種不同的管線的方案與將負荷損失降低到最小有時是有矛盾的。但它可能是合適的,因為與單一的壓力管道對比,不同布置的壓力管道可保證有效性更大,并且由于搬運和裝配不同,較小直徑的壓力管道比單個較大直徑的管道更容易。雖然古韋斯電站水力線路的分析并不支持這種決定,但還是決定在壓力最高點將管線分岔,以避免單一部件采用非常厚的金屬板以及加工制作和管段安裝定位工作的復雜性。

3.3 控制部件

不論從設計特性還是其數量和位置來看,閘門和閥門都特別重要,它們都是電站可靠運行所必需的。

為此,凡是合理而又可能的地方,所有的線路應做成雙線而且是獨立的,這樣成本就會有增加(戴沃斯和上塔梅加機組便是這種情況),為安全起見,它們都裝配有備用的斷流系統。

針對古韋斯電站,其水力線路在7 km以上,采用這種解決方案便不合理。在這種情況下,許多線路是單線的,但有各種不同的管路封閉構件,形成一些獨立的管道段。這使得維修時不需要進行整個系統排水,這樣可縮短管路檢查與維修期間電站的停機時間。

4 廠 房

4.1 位置與類型

在上塔梅加,電站布置在河道內,所需的開挖量最小,從布置和長度來說,可能是水力線路最優化方案。泄流工程布置位于河道兩側。

在戴沃斯,泄水工程規模較大且兩岸的開挖較為復雜,這就意味著在工程規劃中最初提出的布置方案現在要重新加以考慮。因而,現在正在對大壩和電站頂部的泄水工程進行項目評估。

針對古韋斯的情況,廠房必須要設在地下洞室中。抽水必須在淹沒水深數十米的情況下進行。因而將電廠布置在巖體內有更大的靈活性,但地下洞室需要選擇地質條件合適的位置。最終采用的布置如圖 3所示。

圖3 古韋斯電站剖面

4.2 裝機容量與運行條件

伊維爾德羅拉集團完成的市場研究推薦抽水蓄能的裝機容量約 900MW,同時還考慮將其集中在具有最大水頭的開發工程上比較有利,以便獲得更好的工作性能。裝機容量最后選定抽水蓄能為 880MW,整個工程系統的總裝機容量高達1154 MW。

當修建帕德羅塞洛斯電站的可能性因環境的原因遭到否定后,這個出力便集中在古韋斯電站。由于受托爾諾(Torno)河(流量1.25m3/s)水量供給的限制,實際上這是一個純抽水蓄能的開發工程。運行以周或兩周的循環為基礎。為此,該電站安裝 4臺立軸混流式水輪機組,每臺出力為220MW。

在戴沃斯,電站裝有2臺57 MW的立軸混流式水輪機組,使其利用的流速有可能接近河流標準流速的7倍。因而,可將該電站歸類于超峰荷電站,在短期內預計其日調節發電運行與峰荷需求時段一致。

戴沃斯水庫屬周調節,與上塔梅加水庫運用相配合,而上塔梅加水庫將用作年調節,而且它還要提供夏季必須下泄的生態流量。

上塔梅加電站的設備最初是按標準流量20.7 m3/s的規模配置的,假定與戴沃斯電站采用的流量相同。但是,后來取消修建帕德羅塞洛斯電站,這就具有啟動古韋斯電站最后的機組進行背對背運轉(back to back operation)的作用,必須使上塔梅加電站計劃的兩臺立軸混流式機組的出力增加到每臺80MW,這是古韋斯電站220MW機組進行背對背運轉所需要的最小出力。

上塔梅加水庫的水位通常會保持較高,以獲得很好的發電效益,但在洪水情況下的大流量期間預留一定的防洪備用庫容是必要的。因而,水庫一般要進行周調節,且容許水庫年調節,以便在夏季期間適當降低其水位,為戴沃斯水庫提供維持生態流量所需要的水量,并在冬季放掉部分庫水。

5 變電站與輸電線路

5.1 變電站

每臺發電機組都有一臺三相變壓器將發電電壓(15 kV)升高到國家電網的電壓(400kV)。使用15 kV的絕緣母線將這些變壓器的低壓側連接到發電機上,變壓器的高壓側連接到有關的變電所場地內將要設置的新配電間。

計劃每座電站都配有變電站,這些變電站均配有具有保護、指揮與控制功能的數字技術系統,按照其設計,開關站可無人值守。所用元件必須符合國家電網管理員要求的最低標準,在某些情況下這些標準影響著這些元件的設計和位置。

預計所有變電站都有兩個電壓等級。由于入網電力集中在古韋斯變電站,并且由于是背對背的運行,古韋斯變電站是 3座規劃的開關站中最重要的。

5.2 輸電線路

輸電通道布置受到國家電網運行規定的入網點的強烈影響,并且這項工作目前還處在環境評價階段。

與電網的連接將通過從戴沃斯變電站和古韋斯變電站開始的兩項連接工程來完成。這兩項連接工程將通過下列線路供電:

(1)從古韋斯變電站開始的 4條單回路輸電線;

(2)從上塔梅加開關站開始的一條雙回路輸電線;

(3)通往國家電網入網點的兩條輸電線,一條單回路線和一條雙回路線。

入網點的最終位置還不確定,因而還不可能精確確定這些線路的布置,但大概會按圖 4所示的模型布置。

圖4 變電站與輸電線路連接圖