國外水電站續建項目設計探析
——以尼日利亞達丁卡瓦水電站續建總承包項目為例

沈源國，張寶勇，祝景東

(中國水電顧問集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概 述

在國外，特別是非洲，建設部分未完最終無法發電的半拉子水電項目很多，筆者調研接觸了不少類似項目，有大壩及廠房僅建了一部分而荒廢的；有大壩和引水系統完成，廠房未完的；有大壩已建成蓄水完成，廠房已經結頂，但機電設備沒有采購的；有大壩和廠房及機電設備均已完成，但由于沒有送出線路而一直沒有發電的。不同項目的續建在難度和專業側重點等方面均有所不同，但一些需要關注的地方及方法還是類似的，本文以尼日利亞達丁卡瓦水電站的續建總包項目為例進行介紹分析。

2 工程概況

尼日利亞達丁卡瓦水電站續建總承包項目位于尼日利亞東北部的拱北州，裝有2臺20 MW的混流式水輪發電機組，是筆者單位第一個帶運維的國外水電總承包項目。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構部分工作也已基本完成，剩余機電設備及廠房主機段從尾水管到發電機層的二期混凝土、開關站、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月和當地的開發商簽訂該續建項目的EPC合同，2014年5月合同正式生效。續建項目內容包括所有機電設備EPC(含水輪機、發電機、調速器、勵磁、主變及其他MBOP、EBOP設備)、水下清淤、廠房內土建、下游尾水渠及兩岸邊坡的續建、進場道路、開關站及132 kV送出線路的EPC以及10 a的運維等。

本續建項目地處博科圣地活躍的尼日利亞拱北州，瘧疾嚴重、物資匱乏、項目涉及工程范圍廣、難度大、參與專業及分包商眾多、協調組織不易，總體實施難度較大。

續建項目由于戰恐及業主資金問題，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臺機組調試完成；2020年1月7日收到業主發放的TOC，受到業主的高度評價；同時項目也創造了良好的經濟效益。

3 設計特點

筆者曾經考察過非洲、東南亞及中美洲部分國家的部分水電站，發現國外很多水電站的設計布置相對比較緊湊，沒有像國內大多數電站那樣布置中規中矩，部分機型選擇也很有特點，如有采用雙轉輪雙尾水管機型的，有水輪機帶2臺發電機的；有不設水輪機層及發電機層，直接在蝸殼層上部通過鋼制機坑將水輪機和發電機置于鋼制機坑內的(即孤島式廠房布置形式)；有不設安裝場的；有不設輔助用房的；等等。

國外實施工程更多的是采用EPC的模式， EPC承包商千方百計通過設計進行優化，減少工程量，從而減少成本，創造企業效益，所以很多設計并不規整，空間也更緊湊局迫。而國內的設計大多是業主專門委托設計院進行設計，設計費的收取和項目總投資直接相關，缺少優化的動力；而且進行非常規的布置和優化，會增加設計的難度和工作量，并承擔更多出錯的風險，建設完成后過于緊湊及不規整的布局也不太容易受到業主接受。

尼日利亞達丁卡瓦水電站原設計相對還比較常規，但也有自己的部分特點：

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

該鋼結構廠房原先未考慮開窗等，樓梯布局考慮也不夠合理。墻體為內外兩層波紋鐵皮，內加保溫泡沫材料，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臺機組為一管一機布置，引水鋼管直徑4.25 m。為了節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臺機組間距為12.5 m，在接近廠房時，2臺鋼管成“八”字形和2臺機組蝸殼連接，造成2臺機組蝸殼布置角度和X軸分別為75°和-75°，2臺機組水輪機成非一致布置。

(3)橋機軌頂到安裝場的高程差偏小，給大件設備的卸貨、安裝吊裝等造成極大困難。原設計可能純粹為了節省鋼結構廠房的造價，沒有仔細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，按常規根本無法滿足大件設備的卸貨和吊裝要求。如在考察時沒有注意到這一點，大件設備到現場將無法正常卸貨及吊裝。

(4)尾水閘門起吊葫蘆高度不夠。原電站設計2臺機組共用1臺機組的2扇尾水閘門，在另一臺機組需要使用這2扇尾水閘門時，需要將尾水閘門從這臺機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組。但原設計葫蘆位置偏低，約0.1 m，造成閘門無法從門槽中吊出。從現場情況看，由于是設計缺陷，葫蘆沒有抬高的處理辦法，非常被動。

(5)原主變基礎問題。原主變基礎已經施工完成，但其方位布置和目前的開關站很難銜接，而且基礎尺寸偏小太多，間距也嚴重不足，通道、消防無法滿足規范。本次設計根據出線方位及新的主變尺寸及規范對升壓站進行了重新調整布置。

4 設計重點難點分析

由于本項目為續建項目，且存在部分設備的修復改造，涉及專業及設備眾多，接口界面復雜，如果設計考慮不到位，等到了在物資供應及各方面條件都很惡劣的尼日利亞東北部現場，其處理解決問題的難度及代價都將是非常巨大的。本項目盡管實施難度很大，但由于項目管控到位，設計、采購、發貨、現場施工、安裝調試等都還比較順利。很大原因也在于在設計前期和設計過程中關注到了以上原先的一些設計不足并很好地把握住了以下一些重點和難點。

4.1 前期考察、測量、搜資

對續建項目，充分了解現場條件，了解現場的各種接口、尺寸、設備情況是必不可少的，并需要第一時間進行策劃安排。現場的考察團隊一般由項目主要管理人員、主要設計人員、測量人員(如需要還需安排地質專業)組成。為了保證考察效果，在出行前各專業分別進行策劃，提出詳細的考察搜資清單、重點關注點、需要測量的尺寸等，并進行評審，然后由項目進行總體把控。到現場后也根據實際情況進行調整，一起進行分析討論，盡量不出現缺漏和偏差。

4.2 機組增容

原電站設計單機容量為17 MVA，現在根據合同要求，機組單機容量需增加到20 MW(23.5 MVA)，增容比例巨大，達38.2%。而且由于原引水鋼管、尾水肘管及出口段部分已經施工完成，機組中心已經確定，機組的增容選型需在此基礎上，應綜合考慮流道的銜接影響、大預留機坑尺寸限制，氣蝕性能的影響等。

4.3 廠房橋機高度不足

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

4.4 橋機和原有金結設備的改造

原橋機于1987年安裝后一直沒有通電運行，電氣設備老化，機械設備可靠情況不明。原有進水口檢修閘門、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，門機及啟閉設備電氣控制部分老化嚴重；泄水底孔弧門一直全開泄水，啟閉設備及密封性能不明。

針對現場情況，在初步確定橋機及金結改造設備供貨廠家后，項目安排廠家技術人員、安裝人員一起前往工地進行檢查搜資，根據需要對相關設備進行拆卸、檢查、測量；然后一起明確具體的改造更換范圍及方案。金屬結構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濟性。

根據現場考察情況，基本上明確對橋機及金結設備的電氣設備進行全部更換；橋機的電機可靠性較差，進行更換，主鉤電機改為變頻電機，司機室進行整體更換；各種電動葫蘆進行整體更換，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形固定吊架等。

4.5 和原先的基礎、開孔及設備等的接口問題

(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臺機組預留引水鋼管出口和機組X軸分別存在不同的夾角，現場測量也難免存在部分誤差，在設計時和蝸殼的進水段考慮了用湊合段進行銜接，并預留了200 mm的現場配割余量。在機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) 經過30多年的發展，目前新的自動化要求及電站電氣設備和原先的設計布置差別較大，原先屏柜布置的電纜開孔大多無法使用。在具體的電氣設計過程中，屏柜布置原則上和廠房結構設計配合，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埋等，部分原預埋的水機管路和電纜套管有缺失或被堵塞等現象；設計需針對具體情況，提出適合的解決方案。

(4) 原先電站未考慮通風送風系統。由于通風系統相對風管尺寸較大，設計根據現場情況，和土建、電氣專業一起，確定最優的通風系統走向，盡量減少現場開孔數量。

4.6 尾水錐管悶板設計

由于電站原只設計了1臺機的尾水閘門。為了保證現場僅有的1臺機組尾水閘門用于1號機組有水調試的時候，不影響2號機的安裝及調試，設計考慮要求主機廠在2號機組尾水錐管底部設1塊帶進人門的悶板。該悶板需要有足夠的強度和剛度，在2號機組無水調試結束，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偏小，間距及布置方位也不合理。設計針對出線方位及主變尺寸，結合規范要求及現場情況，將升壓站進行了重新調整布置。由于場地限制，如何擴展升壓站場地、如何保證升壓站特別是主變處的沉降，水工和電氣設計進行了多次專題研究策劃，很好地保證了最終的整體質量。

4.8 上游流道清淤

原先合同中沒有關于上游流道清淤的項目。實際上由于機組上游流道工作閘門一直處于擋水工況，經過30余年，必然存在大量淤積。項目在進場時意識到此問題，經過和業主溝通，進行了初步的水下探摸。基本確認，上游閘門前流道內存在2～3 m的淤積，如果不進行清淤，將造成工作閘門無法提升，并在試運行時危及機組的安全。項目最終安排國內專業隊伍，在機組調試前對上游流道進行了水下清淤。

4.9 下游水位及尾水疏浚

本項目根據原先的尾水渠流道，對下游尾水渠及兩岸邊坡進行了混凝土施工，但由于尾水渠下游河道多年淤積，造成實際尾水位比設計抬高約1.5 m。由于本電站水頭相對較低(Hr=32 m)，在旱季時，尾水位的抬高對發電效益的響應較大，需提醒業主擇機對尾水進行疏浚。

5 結 語

水電站續建項目難度大，情況復雜，特別是部分電站由于年代久遠，國外業主管理不到位，資料缺失嚴重。因此，需針對續建項目的具體情況，派遣有經驗的項目管理及設計團隊，對電站進行詳細的考察、測量、搜資。根據合同及現場情況進行詳細的項目總體策劃及具體的專業策劃，盡量策劃到位、考慮全面，把控產品質量，減少到現場后出現設備選型、接口布置及其他設計等問題。