葡萄牙上塔梅加工程的设计问题

[葡萄牙]A.R.阿罗约

胡卫东 译自英刊《水电与大坝》2010年第5期

上塔梅加开发工程作为 PNBEPH的组成部分,由葡萄牙政府通过其国家水利研究所发起。2008年7月上塔梅加工程进行了国际招标,伊维尔德罗拉(Iberdrola)集团在 9月份中标。随后,该集团开始着手上塔梅加工程的预设计及其环境影响评价。

1 工程概况

1.1 国家水电资源与大坝计划

上塔梅加工程总体方案作为 PNBEPH组成部分是由葡萄牙政府事先确定的。水电开发项目的数目,大致位置及其布置已经确定,为今后工作的开展奠定了基础。然而,对于指定的中标人还有大量的可变因素有待确定,例如,坝址准确位置与坝型、其水力线路的类型及布置(特别是塔梅加河支流上的水电站)、水电站的特征、变电站的位置、通往国家电网的输电线路设计以及规划的运行条件和水电资产的管理体制。

1.2 工程方案

在 4个开发项目的基本框架中(最初计划的总装机容量为 424 MW,其中包括抽水蓄能发电),考虑到留有一定的机动余地,伊维尔德罗拉集团集中全力进行了调整装机容量的可行性研究。基于电力部门的经验,要注重执行规范,并考虑水库的运行条件和管理体制。

对河流水文特性以及西班牙和葡萄牙电力市场进行了再评价,随后采取了战略性决策,对最初 4个开发项目进行了重大调整。需要给该系统提供近900MW的抽水蓄能的装机容量,以便稳定该系统电能供需之间的平衡。此外,决定在水头最大的几个开发项目上进行水电开发,诸如帕德罗塞洛斯(Padroselos)工程和古韦斯(Gouvaes)工程,这样就有可能优化各开发项目的整体效率。

在招标中最终推荐的方案是在塔梅加河上建两座电站,分别为上塔梅加电站和戴沃斯(Daivoes)电站,装机容量分别为127 MW和118 MW,另外在塔梅加河两条支流上也规划了两座抽水蓄能电站,即装机容量为230MW的帕德罗塞洛斯电站和装机容量为 660MW的古韦斯电站。

1.3 最终模型

在开发帕德罗塞洛斯工程时遭遇了环境上的严重挑战。该工程因以下方面而显得尤为重要:

(1)水库蓄水量;

(2)水库能够进行多年调节;

(3)贝卡(Beca)河与塔梅加河的流量调节;

(4)该电站与古韦斯电站联网能提供其他功能;

(5)利用来自贝卡河的流量发电。

放弃原计划方案,就需要重新规划。由于环境方面的要求,将这种模式重新调整为符合环境要求的替代方案。最终得出一折中方案,即将全部抽水蓄能装机容量转移到古韦斯电站。这导致了帕德罗塞洛斯开发工程所在支流天然能量的损失,对古韦斯抽水蓄能电站上库和下库(分别为古韦斯水库和戴沃斯水库)的运行水位进行了调整,加之其他因素,使上塔梅加电站的装机容量有了增加。目前正在实施的系统最终布置如图1所示。

图1 上塔梅加开发工程的总体布置

该工程系统包括2项开发,一项是从塔梅加河上游到下游的梯级开发,依次为上塔梅加电站、戴沃斯电站,另一项为相配套的古韦斯抽水蓄能电站开发。该工程利用了戴沃斯水库和通过在托尔诺河(塔梅加河左岸支流)上建坝形成的水库分别作为抽水蓄能运行需要的上库和下库。

新推荐的布置方案将提供1154 MW的总装机容量,其中包括抽水蓄能发电容量 880MW。按计划,3座开发工程以联合运用为基础,可使塔梅加河及支流得到优化和一体化运用。

2 大 坝

2.1 坝址与规模

根据政府计划,各座坝的坝址位置已大致确定。因为各座坝的坝址只能在有限的范围内准确选择,这排除了寻找可替代坝址的可能性。

考虑到一些新的需求,如河流运行的最小可用水量、满足其他水用户的需求(诸如当地的水量分配与灌溉)及受最高库水位限制时,一些看似非常基本的问题都变得复杂起来。在这种限制情况下,由于投标计划对每座水库强加的具体水位极限,以及伊维尔德罗拉集团的工作方法,为避免该集团公司完成的工程会对社会与环境影响最小的承诺出现问题,因此采用了对于工程来说技术上可行的最低库水位。

于是,尽管允许戴沃斯水库具有250m的最高运行水位,但伊维尔德罗拉集团从未考虑使库水位超过231 m,因为超过这一水位就会出现明显的更大影响,由于淘汰了帕德罗塞洛斯工程,最终水位定为228 m,以最小可用水量作为保证古韦斯电站抽水的基本水量,并调整戴沃斯电站的水轮机流量和洪水演算裕度。这个限制使得将上塔梅加工程的位置选定在待开发河段的最低点变得很重要,以完成两座水库的衔接。

戴沃斯开发工程还涉及到另一个重要社会问题的评估,即与紧邻大坝下游的钓鱼区有关。目前正在研究维持钓鱼区的可能方案,其中一个方案就是在戴沃斯坝下游建一座小坝,其高度可变,以适应钓鱼比赛的要求,同时又保证水电站的运行条件和环境。

由于古韦斯和上塔梅加开发工程的影响受到更多的限制,已经对接近最高水位的几种水位进行了分析,以保证在古韦斯电站(最高水位 895m,采用890m)的情况下,满足周循环计划内所需要的最小水量,并在上塔梅加电站(最高水位322m,采用 315 m)情况下,保证有足够的可用水量对塔梅加河的流量进行调节,并且在最干旱的年份也可以向戴沃斯电站下游提供生态用水流量,同时力图使对农业地区的不利影响最小。

各种情况下,在授权开发河段范围内大坝的位置应尽可能靠近下游,这样可以降低最高水位,同时维持水库需要的库容,还能达到其他目的,诸如最大限度地利用指定河段的有效水头(戴沃斯电站)和缩短水力线路的长度(古韦斯电站)。在各种情况下,通过降低最低运行水位会得到同样的效果,但是必须符合环境要求,并能与设备的合格性能基本保持一致。

2.2 坝型及其主要建筑物

坝型选择不能不考虑河道截流。每一个坝址都可形成一种坝型方案,及坝型方案如何与电站其他建筑物关联,包括电站与泄洪工程,至少应对所有的建筑物有一个初步的布局设想。但毫无疑问这些建筑物允许有与坝址相容的各种不同的布置方案。

在地形与截流特性允许,且其导流问题有合适的解决办法时,一般来说,大坝的理想坝型方案是双曲拱坝。上塔梅加坝址的情形就是这样,该处有利的坝址地形条件,加上坝基具有相当大的承载能力和不透水性,使得有可能采用图2所示的设计方案。经过分析,其他技术上可行的设计方案在经济上都没有竞争力。

图2 上塔梅加坝剖面

在戴沃斯,虽然类似的解决方案看起来似乎很合适,但由于在紧靠坝址处汇入了贝卡河上游的水流,其需要下泄的水量远大于上塔梅加,必须考虑其他设计方案,如重力拱坝。在戴沃斯修建双曲拱坝的困难与坝内泄洪有关,某些方案(如选用隧洞或引渠)还在设计审查中,最终方案尚未确定。

在古韦斯,重力坝方案是可行的,因为它不受泄流能力限制,并且没有在坝基处建大型厂房所强加的空间限制。初步规划阶段提出的方案是沥青心墙土坝,但坝址特征允许考虑修建其他坝型的大坝,这个问题将在设计阶段加以更加深入地分析。

3 水力线路

3.1 总体布置

由于戴沃斯和上塔梅加的电厂都位于大坝的基础处,其水力系统就其布置和其他特征而言较为简单。影响线路设计的最明显的工程是古韦斯工程,因而,它在本文中最受关注。

从广义上说,古韦斯电站水力线路的设计是从试图使其总长度最小的基本准则出发的。从开头就区分压力隧洞段、尾水渠段和压力钢管段是有益的,它们受到的约束比上述那些工程要多得多,每米造价也昂贵得多,因为要承受高压,所以需要非常厚的防护。

因而,粗略计算线路的费用后得出修建最短路线并不一定是最便宜的,必须计算不同的方案以确定最经济的方案,通常情况下,最经济方案便是在可承受高压力的情况下使线路长度最短。

因此线路布置,就是试图设计一种布置方案尽可能避开使地下和地表工程复杂化的地理特征,并尽可能减小对其他部分的影响,诸如水道、房屋以及通过合理修改布置加以避开的其他任何构造敏感处,并应考虑到增加管道长度对费用的影响会很敏感。

3.2 负荷损失

在水力线路中,特别注意了负荷损失的研究及其如何受各种不同管线段的直径、增加水力线路长度和单个构件数量的影响。在古韦斯电站,这些变量中的微小变动都包括了负荷损失的差异,尽管从绝对值上来说很小,但是若按许可年限 65 a推算可得出相当大的运行小时数,因此损失总量仍很可观。

确定不同管段最优直径的研究目的是达到建设费用和每种直径组合负荷损失的平衡。但是,这样的研究要复杂得多,因为有必要使设计适应于与水力瞬变过程有关的其他因素,主要是与水流中断机构的启动时间密切相关的水锤引起的超高压和低压。因而,在古韦斯电站的特定情况下,立面布置必须修改,以防止线路中的特殊点位处出现不可容许的压降。

将水力线路分成各种不同的管线的方案与将负荷损失降低到最小有时是有矛盾的。但它可能是合适的,因为与单一的压力管道对比,不同布置的压力管道可保证有效性更大,并且由于搬运和装配不同,较小直径的压力管道比单个较大直径的管道更容易。虽然古韦斯电站水力线路的分析并不支持这种决定,但还是决定在压力最高点将管线分岔,以避免单一部件采用非常厚的金属板以及加工制作和管段安装定位工作的复杂性。

3.3 控制部件

不论从设计特性还是其数量和位置来看,闸门和阀门都特别重要,它们都是电站可靠运行所必需的。

为此,凡是合理而又可能的地方,所有的线路应做成双线而且是独立的,这样成本就会有增加(戴沃斯和上塔梅加机组便是这种情况),为安全起见,它们都装配有备用的断流系统。

针对古韦斯电站,其水力线路在7 km以上,采用这种解决方案便不合理。在这种情况下,许多线路是单线的,但有各种不同的管路封闭构件,形成一些独立的管道段。这使得维修时不需要进行整个系统排水,这样可缩短管路检查与维修期间电站的停机时间。

4 厂 房

4.1 位置与类型

在上塔梅加,电站布置在河道内,所需的开挖量最小,从布置和长度来说,可能是水力线路最优化方案。泄流工程布置位于河道两侧。

在戴沃斯,泄水工程规模较大且两岸的开挖较为复杂,这就意味着在工程规划中最初提出的布置方案现在要重新加以考虑。因而,现在正在对大坝和电站顶部的泄水工程进行项目评估。

针对古韦斯的情况,厂房必须要设在地下洞室中。抽水必须在淹没水深数十米的情况下进行。因而将电厂布置在岩体内有更大的灵活性,但地下洞室需要选择地质条件合适的位置。最终采用的布置如图 3所示。

图3 古韦斯电站剖面

4.2 装机容量与运行条件

伊维尔德罗拉集团完成的市场研究推荐抽水蓄能的装机容量约 900MW,同时还考虑将其集中在具有最大水头的开发工程上比较有利,以便获得更好的工作性能。装机容量最后选定抽水蓄能为 880MW,整个工程系统的总装机容量高达1154 MW。

当修建帕德罗塞洛斯电站的可能性因环境的原因遭到否定后,这个出力便集中在古韦斯电站。由于受托尔诺(Torno)河(流量1.25m3/s)水量供给的限制,实际上这是一个纯抽水蓄能的开发工程。运行以周或两周的循环为基础。为此,该电站安装 4台立轴混流式水轮机组,每台出力为220MW。

在戴沃斯,电站装有2台57 MW的立轴混流式水轮机组,使其利用的流速有可能接近河流标准流速的7倍。因而,可将该电站归类于超峰荷电站,在短期内预计其日调节发电运行与峰荷需求时段一致。

戴沃斯水库属周调节,与上塔梅加水库运用相配合,而上塔梅加水库将用作年调节,而且它还要提供夏季必须下泄的生态流量。

上塔梅加电站的设备最初是按标准流量20.7 m3/s的规模配置的,假定与戴沃斯电站采用的流量相同。但是,后来取消修建帕德罗塞洛斯电站,这就具有启动古韦斯电站最后的机组进行背对背运转(back to back operation)的作用,必须使上塔梅加电站计划的两台立轴混流式机组的出力增加到每台80MW,这是古韦斯电站220MW机组进行背对背运转所需要的最小出力。

上塔梅加水库的水位通常会保持较高,以获得很好的发电效益,但在洪水情况下的大流量期间预留一定的防洪备用库容是必要的。因而,水库一般要进行周调节,且容许水库年调节,以便在夏季期间适当降低其水位,为戴沃斯水库提供维持生态流量所需要的水量,并在冬季放掉部分库水。

5 变电站与输电线路

5.1 变电站

每台发电机组都有一台三相变压器将发电电压(15 kV)升高到国家电网的电压(400kV)。使用15 kV的绝缘母线将这些变压器的低压侧连接到发电机上,变压器的高压侧连接到有关的变电所场地内将要设置的新配电间。

计划每座电站都配有变电站,这些变电站均配有具有保护、指挥与控制功能的数字技术系统,按照其设计,开关站可无人值守。所用元件必须符合国家电网管理员要求的最低标准,在某些情况下这些标准影响着这些元件的设计和位置。

预计所有变电站都有两个电压等级。由于入网电力集中在古韦斯变电站,并且由于是背对背的运行,古韦斯变电站是 3座规划的开关站中最重要的。

5.2 输电线路

输电通道布置受到国家电网运行规定的入网点的强烈影响,并且这项工作目前还处在环境评价阶段。

与电网的连接将通过从戴沃斯变电站和古韦斯变电站开始的两项连接工程来完成。这两项连接工程将通过下列线路供电:

(1)从古韦斯变电站开始的 4条单回路输电线;

(2)从上塔梅加开关站开始的一条双回路输电线;

(3)通往国家电网入网点的两条输电线,一条单回路线和一条双回路线。

入网点的最终位置还不确定,因而还不可能精确确定这些线路的布置,但大概会按图 4所示的模型布置。

图4 变电站与输电线路连接图