西班牙拉穆埃拉Ⅱ號抽水蓄能電站設計

［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出水口，以及進場公路、開關站和高壓線路均在20世紀80年代建成。

因為可以直接利用這些現有設施，拉穆埃拉Ⅱ號電站的裝機容量比率遠低于同類型電站的通常比率，從經濟的角度來看其需要的投資非常有吸引力。

電站設計時，考慮了盡量地減小對拉穆埃拉自然公園區域周圍風景環境的影響，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，也沒有妨礙現有電站的運行。2012年8月，現場安裝了機電設備和壓力管道。這座早在1982年就已完成設計的雄偉工程，最終將會成為歐洲最大的水力發電綜合體之一。

1 電力需求發展

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。近些年新的發展趨勢表現在夏季峰荷的增加，因為在夏季的一段時間中，由于長期維護的結果，水電稀缺，而且火電也往往供應不足，此外，最近大量的風力發電相繼投產，其運行情況很難事先預料，這已導致了電網系統發生不希望出現的的失衡。抽水蓄能電站是一種穩定間歇性可再生能源技術，并可將獲得的風能從基荷轉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節排入瓦倫西亞灌區的水量。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巖中開挖而成的，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層對其進行整修。

有利的地質特征對現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號電站的升級進行了設想，所以，1982年年初就決定兩座水庫都修建進水口。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電額定功率將分別為1280MW和1720MW。

3 電站設計標準

拉穆埃拉Ⅱ號電站的設計受到了已建上下游進出水口的影響。工程選址受到限制，但在其他2座電站的建設和運行期間，當地優勢地形條件的特性已經過全面測試。因此，選定的設計方案和拉穆埃拉Ⅰ號類似，因為機組實質上是相同的。主要的不同與上游壓力管道有關，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，即環保、可持續發展以及通過促進研發和應用新設備，更加有效地利用現有基礎設施，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)壩調節從工程站址下泄到朱卡爾下游流域灌區的灌溉水量。

4 電站設計

4.1 概 述

現存的已建進水口使得必須在原電站西側修建新的電站。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，以及數條廊道和一些配套工程。為了盡量減小對現有電站的干擾，拉穆埃拉Ⅱ號電站應盡可能地靠近現有的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有的大直徑豎井共同使用，用于搬運大件設備。還有一條連接變壓器室與戶外開關站的電纜豎井。

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，每臺都在導水機構前設置一個球閥。每臺機組在發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，各臺機器將用設置在距機組軸線56.34 m的垂直平板閘閥加以保護。下游進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建成，以便與4臺機組相連。交流發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。它由不同質量的自支撐鋼建造而成，厚度為20～42 mm，內徑為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行。第1部分的開挖使用反井鉆進技術完成，為剩余部分的開挖創造條件，第2部分是使用斜井支護開挖技術進行全斷面開挖。

在反井鉆進之前，使用基于泥漿護壁技術的復雜系統開挖出一個先導孔，這存在一定困難，因為在巖溶最發育的石灰巖中泥漿損失量較大。安裝了兩個滑動裝置，用于斜向開挖。它們在導軌上移動，輔助完成鉆孔、放置炸藥和碎渣收集等任務。

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。

有關壓力鋼管的工作也在同步進行。與岔管焊接、鋼管管圈的制造以及安裝等相關的所有工作都在現場進行。

4.3 廠 房

設計了一座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電機和水輪機的數個裝配間，安裝區域和控制樓設置在進廠通道樓層，在通道層，還有數條交通廊道服務于現有電站。

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巖地塊的含水層。經過一段時間細致的地質研究后，決定采用灌注水泥漿的辦法，形成5道防滲帷幕來保護工作區域。洞室頂拱由環用混凝土支護。開挖和混凝土澆筑交替進行，所以巖石不會達到某一規定的跨度。剩下的洞室隨后分階段進行開挖，從底部到發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，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的豎井引至開關站。豎井的部分開挖使用了垂直反井鉆進技術。

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4座小擴建間中。一個直徑變化的共同集水管將尾水管道與現有尾水隧洞相連。

4.6 機電設備

4臺立軸混流可逆式水泵水輪機，轉速為600r/min，上游有球閥、下游有垂直平板閘閥保護。在壓力過水流道兩端，進水塔兩座水庫中已安裝了2扇垂直的平板閘閥。球閥內徑為1.6 m，設計可以承受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實現關閉。機組結構采用3個導軸承(發電機上、下部和水輪機)和1個放在發電機上部的推力軸承。

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

發電電動機按設計可作下列情況運行:

(1)直接連接到電網作為發電機運行。

(2)作為同步啟動的發電機，向拉穆埃拉Ⅰ號電動機供電。

(3)作為同步啟動的發電機，向拉穆埃拉Ⅱ號其他電動機供電。

(4)作為與電網連接的電動機，在拉穆埃拉Ⅱ號其他機組牽動下同步啟動。

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