法国科凯拉抽水蓄能电站的升级改造

[法国] X.穆拉



设计与施工

法国科凯拉抽水蓄能电站的升级改造

[法国] X.穆拉

科凯拉抽水蓄能电站在运营过程中出现了水轮机磨损严重、发电量降低及利用率低下等问题，尽管采取了很多措施，但收效甚微，因此法国电力集团决定对该电站进行全面升级改造。详细介绍了科凯拉电站面临的问题及电站升级改造方案及最终实施方案。此外，阐述了水轮机工程的总体设计、风险、公众接受度和工程的约束条件及安全性等问题。

抽水蓄能电站；电站升级改造；初选方案；科凯拉抽水蓄能电站；法国

科凯拉(La Coche)抽水蓄能电站位于法国阿尔卑斯山萨瓦(Savoie)区，是一座地下电站。目前正在进行升级改造。该电站通过250 km2流域内埋设的28 km2地下管网供水量发电，由于融雪水的过度腐蚀，机组发电能力逐年降低。为提升峰值发电量，计划修建一座地面厂房。在法国能源政策的法律框架内提升电站容量，可以将现有装机增加20%。

科凯拉抽水蓄能电站于1976年开始运营，安装了4台单机80 MW的混流可逆式机组，年均发电量可达600 GW·h。由于采用地下管网从250 km2区域集水发电，该电站的显著特点是标准重力能的利用率很高(年发电量400 GW·h，相当于总发电量的2/3)。

然而现在发电机组的有效利用率由原来的95%降至60%，主要原因为沉积物对转轮的过度腐蚀，特别是在融雪期。为此，法国电力集团(EDF)计划增建一座地面厂房(配冲击式水轮机，240 MW)，与现有地下钢衬压力井连接起来，在融雪期代替原有的可逆式机组发电。显然新增的水轮机组能更好地适应泥沙磨损和水轮机叶片的维修，将大大提高电站的工作效率，峰值发电容量从320 MW增加到395 MW，年发电量可新增约130 GW·h，且附属设施也会带来一些额外发电量。

1 电站存在的问题

该电站装机320 MW，利用水力势能和抽水蓄能发电，与400 kV电网连接，4台可逆式发电机组采用无配电盘的多级水轮泵，其单机容量(80 MW)和水头(约900 m)都是最高的。20世纪80年代，EDF又新增了640MW的水电装机容量。

600 GW·h的年发电量由两部分组成：①水力势能发电400 GW·h，主要在4～7月融雪期发电；②抽水蓄能发电量200 GW·h。

然而与类似工程相比，科凯拉电站运营初期的技术性和经济性并非最佳。主要原因是维修费用高，比法国其他抽水蓄能电站维修费高5倍多；且利用率仅60%，远低于90%的该国平均水平。具体如下。

(1) 直接异步启动模式。在该启动模式下发生过多起事故，改为背靠背(同步)启动模式后得到较大改善，但由于缺乏最终“发射”机组，弃置了其中一台发电机组。

(2) 水蚀。融雪期水中悬移质会对水轮机造成严重的磨损破坏，必须对其定期检修。但由于水轮机结构复杂且其设计本身存在缺陷，再加上地下洞室空间有限，检修十分困难，定期检修不仅费时且花费也大。

如果不对现有电站进行重大改造，装机利用率低、检修费用高都将导致净现值大幅降低。

水电站全面运营以来，运营商和工程师们已经预见到了这些问题，并设计实施了若干措施来控制发电机组的磨损，但收效甚微。显然，在未来几年内，如果不追加越来越高的维修费用，不对机组进行维修，或不更换原有设备，该水电站将无法正常运行。

由于产业利用率低下、经济净现值大幅减少以及技术运行难以为继，维修无休无止。考虑到这些问题，EDF于2009年决定对科凯拉电站开展技术-经济的综合研究，对其实施全面升级改造。

2 电站升级方案

2.1 方案调查

EDF审慎地研究了科凯拉电站改造的各个方案，并结合现状从经济层面进行比较。

2.1.1 定期清理上库

减少水泵水轮机磨损的方法之一是把上库作为沉沙池，让具有磨损性的沉积物到达水轮机之前沉淀下来。该方法已应用于一些大型水库，如罗思兰德(Roselend)水库(库容213×106m3)和蒂涅(Tignes)水库(库容265×106m3)。但由于科凯拉水库库容相对较小(2×106m3)，难以按这一方法实施，且将造成巨大花费，因为该河段水的携沙量很大。然而将该方案与其他措施对比是很有意义的。

2.1.2 水轮机易损部件涂抹抗磨层

第二个方案是对水轮机易磨损部件涂抹抗磨层，以提高现有水轮机的抗磨损性。虽然该方法的可靠性存在变数，但EDF专家推荐的类似措施是可行的，因此从经济角度考虑似乎足够可靠。

2.1.3 更换现有发电机组

另一项措施是用新机组更换所有或部分现有可逆式机组。根据水力学原理设计的新机组，不仅能抵抗磨损，而且运营成本低。缺点是需要重建许多土建结构，而科凯拉电站现有的环境条件不允许。

2.1.4 新增冲击式水轮机组

新增冲击式水轮机组平行布置在现有水轮机下游，从现有压力管道分流并与兰登(Randens)发电厂的引水隧洞相连。与现有可逆式机组相比，新增冲击式机组可有效提高工作效率，全年可优先使用新增机组，特别是在融雪期。该方案具有如下优点。

(1) 电站利用率得到提高(提高到95%)，在融雪期将现有机组作为备用机组，优先使用新增冲击式机组发电，由于其设计会使维修更加容易，耗时短，因此运营费用也将随之减少。

(2) 发电量增加(约增20%，年平均增加130 GW·h)，其中水泵水轮机平均增加4%，这是由于可逆式机组利用率提高而产生的。

(3) 装机容量提高(由320 MW增至395 MW)，无需修改现有的行政法案(2005年6月13号颁布的《教皇法律》第44条)。法律规定，当冲击式水轮机组运行时，现有电站只能有两台机组工作。

(4) 新增容量将在为电网提供辅助服务方面起到重要作用。新增机组将提供主要和次要频率或电压，而这些功能是以前的可逆式机组所不具备的。在用电高峰期可以通过水轮机模式获得这些功能；而在部分负荷工况下，也可使用抽水模式下的空心同步水泵机组和冲击式机组获得这些功能，其原理与澳大利亚科普斯(Kops)2电站相同。

2.2 方案选定

最佳方案是新增水轮机组。因此，EDF开始着手进行新增机组的初步和详细设计，以期为工程带来巨大的经济效益。

3 新增水轮机工程

3.1 总体设计

该工程包括新安装一台冲击式水轮发电机，平行连接到现有地下厂房。尾水向下游排放到兰登电站的压力管道中。

3.2 可能的风险及对策

3.2.1 工程的可接受性

由于该工程是在现有电站管理范围内得以实施，对环境影响小。同时，水将向下游泄流到兰登电站的压力管道中(兰登电站最大泄流量为100 m3/s，科凯拉电站新的泄流量为48 m3/s)，因此几乎不会对工程造成安全影响。

公众对该工程的接受度主要取决于建筑设计和施工干扰。新厂房位于郊区，为了达到设计发电量，发电机尺寸大并设计为立式，且必须为设备检修留有足够空间，特别是水轮机必须能移出检修或替换。因此需要厂房高约35 m。对此，EDF和相关建筑师向当地公众代表作了解释，希望其支持该电站建设，在最终确定建筑物形状和设计之前，召开了许多会议进行沟通。

厂房紧邻私人住宅，土方、基础工程和地下工程施工时产生的噪音污染是最主要的风险。EDF指定相关工程机构制定噪音控制措施，并从技术上对招标文件进行审核，承包商会根据施工时减少噪音的具体措施提出技术方案。

3.2.2 施工的约束条件

科凯拉水轮机工程施工场地有限，主要受限于现有建筑物和原电站的运行。在不干扰现有建筑物运行(建筑物、机组、电网等)的情况下进行施工是相当复杂的，为了做好施工控制，EDF决定作总承包商进行施工组织设计，土建工程的具体设计和全面管理工作也由EDF直接负责。在开关站、输电线路和运营的压力井附近施工时，EDF格外关注施工所带来的相关风险，既要保证水轮机工程的建设进度，又要维持压力管道、大坝和可逆式机组等其他设施的正常运行，这些都非常重要，因为中断现有电站运行将会显著影响工程效益。

3.2.3 地质及建筑物的稳定性

新厂址地基基岩埋深大，上覆深厚的冲积层，厂房稳定问题需要使用三维模型(基础/建筑物)进行分析，使设计满足强度、震动和沉降要求。结果表明，新厂房的建设会对地基造成不良影响，在特定动力条件下，基础刚度不能满足水轮机的要求，除非选择基岩作为基础持力层。因此，对距悬崖约40 m的原设计方案作出重大调整，将厂址选在基岩埋深较浅的位置。这一变更使工期延误了近1 a， EDF反应迅速，有力地协调工程各个受影响的部分，使工期延误影响降到最低。

4 结 语

经过近40 a的运行，科凯拉抽水蓄能电站完成了重大升级改造，并较好地适应了新的能源环境。水轮机工程效益显著，在认证过程中，受到了监督部门、当地机构及公众的一致好评。

曹 鹏 马贵生 译

(编辑：唐湘茜)

2016-12-28

1006-0081(2017)07-0022-03

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