法国朗斯潮汐电站的运行管理经验

［法国］ C.阿波奈 等

法国朗斯潮汐电站的运行管理经验

［法国］ C.阿波奈 等

竣工于1966年的法国朗斯潮汐电站，装机240 MW，运行方式为双向型，水轮机机组为灯泡式，其土建工程和机电工程技术相当成熟。介绍了该电站多年来的成功运行经验、电站的主要技术和运行方法、针对其专门开发的灯泡式水轮机，以及其自动控制程序和阴极保护系统。同时也指出了电站还需改进的方面。朗斯潮汐电站的成功运行管理经验为今后世界范围内的潮汐电站的开发均具有指导与借鉴意义。

潮汐电站;运行管理;管理方式;朗斯潮汐电站;法国

43 a前，法国朗斯河口的朗斯潮汐电站竣工。该电站位于布列塔尼(Brittany)的圣马诺(St Malo)市附近。

自1966年起，法国电力公司就一直成功地运行着朗斯电站。该电站不仅是布列塔尼地区的主要电力设施，而且还是法国第一大工业旅游景点，2000年接待游人超过了30万人。

1943～1961年，法国对许多不同潮汐电站站址的可行性进行了考察和研究，最终选择朗斯，并于1961～1966年建造。朗斯潮汐电站长750 m，安装24台10 MW灯泡式机组，总装机容量240 MW，年发电量约为538 GW·h。该电站的水库库容为1.84亿m3，水库一直延伸至朗斯河口上游20 km处。预计每年通过该大坝船闸的船只约为18 000艘，每日通过坝上公路的汽车约为32 000辆。

1 技术简介

朗斯电站包括布雷比角(Pointe de la Brebis)与布里杨台角(Pointe de la Briantais)之间的4个区，主要由船闸、装有24台灯泡式发电机组的电站、建于Chalibert岩上的堤和装有6孔水闸的拦潮坝组成。

1.1 主要技术问题

建潮汐电站所碰到的主要技术问题如下:

(1)潮汐周期对潮汐电站运行周期的影响;

(2)水轮机的选择;

(3)防止机组受海水侵蚀;

(4)电站施工(本文未详述)。

1.2 运行循环过程

潮汐电站运行，可选用以下两种主要方式，这样可在不受海潮周期影响的情况下运行。

(1)单向运行。所谓“单向运行”操作就是只在水库放空时水轮机才运行，并根据情况决定抽水与否(图1)。

图1 水库放水单向运行

(2)双向运行。所谓“双向运行”操作就是水轮机在水库放水或向水库充水时均运行，朗斯潮汐电站最终选用此运行方式(图2)。

1.3 机组型式选择

在20世纪40年代初，在工程研究初期阶段，所面临的另一个主要问题就是选择合适的上游或下游灯泡式机组，以解决水轮机在水头和流量变幅大的情况下的运行问题。

图2 水库放水和向水库充水双向运行

当确定灯泡式水轮机的最终设计时，经历了以下5个重要里程碑:

(1)1941年SEUM公司成立(为了研究潮汐电站);

(2)1943年SEUM公司和奈尔皮克(Neyrpic)公司共同获得上游灯泡式水轮机的首个专利;

(3)1951年编写完成了首份管理文件，揭示了常规立式低水头水轮机和安装在水轮机上部、水轮机流道外的大直径交流发电机;

(4)1953年在阿让塔(Argentat)和康贝拉克(Cambeyrac)分别进行了下游灯泡式水轮机的试验;

(5)1955～1960年，分别进行了两个设计方案的上游灯泡式水轮机的试验。1台额定容量为8.8 MW的水轮机在博蒙特蒙特(Beaumont Monteux)进行了试验。1台在圣马诺的旧船闸内进行试验，均按照朗斯的特征进行。

与此同时，朗斯潮汐电站工程的建设进程在有条不紊地进行:

(1)1956年法国议会投票通过了建设朗斯电站的提案(根据1919年10月16日开始实施的“公法”);

(2)1961年土建工程开工;

(3)1963年朗斯河截流;

(4)1966年电站正式运行。

2 灯泡式机组的运行经验

2.1 概 述

基于上述试验，作出了朗斯电站采用下游灯泡式机组的关键决定。1961年1月开始进行机组的机械力学研究，并于1964年9月开始安装。1966年1月首台机组交付。

1966年3月对首台机组进行无水试验和电站充水试验。1966年8月这台机组并入电网进行有水调试，1966年11月正式投入运行。1967年11月最后一台机组并网发电。1967年12月24台机组首次进行了满负荷同步运行。

2.2 主要特征

图3、4分别示出了朗斯灯泡式机组的主要特征。

图3 灯泡式机组段横断面

图4 灯泡式机组横断面

2.3 工程运行以来的主要变化

自工程开始投运以来的最初几年中，发现发电机定子有问题。在10 a之后，决定对所有机组进行预防性更换。

1976年，在发现发电机磁性元件出现问题后，由阿尔斯通公司更换了首个定子。1976～1982年，其余23个定子也分别由LK公司和Repelec公司进行了更换。1995～1996年，由Saralem公司再次更换了7个定子。

考虑到将来的所有机组的整个预防性更新改造工作，1994年作出决定，在1994～2004年内，更新改造机组24台。

3 自动控制程序

3.1 控制和编程过程

控制程序涉及潮汐电站的操作循环。该系统控制的主要设备包括6个水闸和24台机组。

编程需要考虑以下限制:

(1)潮汐周期(可预测的);

(2)潮汐电站部件的预期可用性应与大潮和小潮联系起来考虑，以便优化维护工作;

(3)每周预估的发电成本应在1997年国家计划的范围内;

(4)外部限制，例如水库水位。

名为“AGRA”的控制码用于管理朗斯电站的运行，每10 min发一次操作指令，在海与水库之间进行优化调度，目的是使经济效益最大化。

3.2 程序操作

AGRA程序每10 min向潮汐电站运行人员定时提供一张机组和导叶的控制表，并提供海和库内的水位记录。

1968～1987年，将每周调度程序存储起来，运行人员在控制室就能进行监控并调整效率。当出现错误指令时，运行人员也能够及时进行纠正。如果电站任何部件工作不正常，或者电网出现问题，运行人员也能进行相应的处理。

从1987年开始，操作控制系统已完全自动化，最后一次对系统的调整是在1992年。自1996年以来，平均每周仅发生1起意外事件。2008年，AGRA程序被移植到了PC系统上。

4 阴极保护系统

4.1 研究简介

1955年，SEUM公司组建了防腐蚀委员会，旨在了解各种金属的特性，提出合适的涂料类型，以及审查在圣马诺市进行的原型灯泡式水轮机试验。通过这些试验，对这24台机组提出建议。主要限制包括因运行要求而不可能使用涂层。

作为第1步，委员会决定进行一些试验，以检验各种金属在海水中的强度，不锈钢和铜铝合金在不同程度阴极极化时的性状，并检测阳极的最佳定位(为了获得好的成果，在奈尔皮克模型上对40个阳极进行了观测)。

作为第2步，根据在圣马诺的灯泡式原型机组上发现的严重侵蚀现象(在无阴极保护条件下观测了1 a时间)，在这台机组上再次进行了腐蚀试验。

4.2 成果应用

根据在圣马诺的试验机组上进行的各种试验，

为了推广试验成果作出了以下决定(值得注意的是，1985年以后不锈钢没有发生进一步腐蚀)。

4.2.1 机组的阴极保护

(1)对于每台机组均有3个凸起点，每个凸起点设有12个阳极，24台机组总共有864个阳极;

(2)安装4个电极作为控制机组电位参考，共安装了96个电极;

(3)总共有18个“变流器”(24 V、120 A)。

4.2.2 导叶的阴极保护

(1)1968年之前，导叶没有采用阴极保护;

(2)由于机组的阴极保护取得了明显的效果，从1968年起，每个导叶都安装了24个阳极、12个电极和12个变流器。

4.2.3 船闸金属部件的阴极保护

(1)1978年之前，观察到船闸金属部件数处发生了腐蚀;

(2)从1978年开始，每座船闸安装了16个阳极、4个电极和4个变流器。

阴极保护控制系统简况:

(1)每年进行9 500次的测量(电流，电压，电化学势);

(2)年维护总用时874 h。

5 结论与展望

根据对灯泡式机组、材料和腐蚀现象进行的大量初步研究，在1976～1996年研究并解决了定子的磁化问题，朗斯潮汐电站成功运行40多年未出现严重问题。同时，在1994年对该电站有关部件进行了预防性更新改造，因此，朗斯潮汐电站仍然是世界上最杰出的海洋电力生产工业性设计的潮汐电站之一。

像朗斯电站这样的潮汐电站工程是在非同寻常的环境条件下修建和运行的，这是基于十分成熟的土建工程和机电工程技术。但是，仍有3个重要方面需要改进:

(1)在设备设计方面，巨型近海设备可降低工程成本，这为工程开发创造了条件。利用多汊水库，可减少电站的间歇发电，进一步提高工程的经济可行性，从而能够更好地按照负荷曲线进行发电调度。

(2)在机电设备方面，通常情况下水轮机的效率，以及在特定情况下提高水轮机双向水流运行效率的能力，这是未来在涨潮和退潮均能运行的潮汐电站所面临的挑战。因此，水轮机组应能双向运行，同时也能作为水泵运行。

机组还存在一些可改进的地方，例如机组的齿轮装置，它可使水轮机和发电机在不同的转速下运行。此外，变频发电技术有利于机组提高不同运行方式和水头下的出力。

(3)关于土建工程，潮汐电站可以在围堰之内施工，或应用预制沉箱(钢制或钢筋混凝土结构)浮运到施工现场修建。目前，沉箱方案特别有利于偏远坝址施工。

图5 截止2009年3月已投入运行的潮汐电站

图6 截止2009年3月拟建的潮汐电站

根据朗斯潮汐电站的经验和教训，已计划修建许多新的潮汐电站，其中一些建在河口，装机容量很大，另一些则采用近海水库或者沿岸水库方案。

韩国装机252 MW的西洼(Sihwa)潮汐电站目前正在投入运行，它将成为世界上最大的潮汐电站。该潮汐电站修建在1994年所建的一条长12.7 km的海堤上。这座潮汐电站旨在发电，同时不断地向水库充水，以改善水质。

在中国、加拿大和俄罗斯等目前已有一些小型的潮汐电站投入运行，世界上一些国家也正计划修建潮汐电站(见图5和图6)。

截止2009年末，全球已建成的双向潮汐电站总装机容量已达600 MW。逐渐增加的投入运行的河口潮汐电站依靠横跨河口的挡潮坝安装发电机组。

目前，许多国家都在鼓励开发利用波能和潮汐能发电的新技术，使得各种不同的真机技术得到发展。这些研发的技术通常与装机容量较小的水电工程有关，因此这对将来相对分散的电力生产具有很好的发展前景。

席嘉瑨 译自英刊《水电与大坝》2009年增刊

沙文彬校

TV744

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1006-0081(2011)09-0029-04

2011-03-28